像全息图的拍摄与再现

像面全息图或称聚焦像全息图。将物体靠近全息记录介质，或利用成像系统将物体成像在记录介质附近，再引入一束与之相干的参考光束，即可制作像全息图。当物体紧贴记录介质或物体的像跨立在记录介质表面上时，得到的全息图称为像面全息图。因此，像面全息图是像全息图的一种特例。由于像面全息图是把成像光束作为物光波来记录，相当于物与全息干版重合，物距为零，因此当用多波长的复合光波(如白光) 重现时，重现像的像距也相应为零，各波长所对应的重现象都位于全息图上，将不出现像模糊和色模糊。因此像全息图可以用扩展白光光源照明重现，观察到清晰的像。

一、实验目的

(1) 进一步学习和掌握全息照相的基本原理，学习一种可用白光再现的全息术。

(2) 掌握像面全息图的记录和再现原理，制作一张像全息图。

(3) 了解像全息图的白光再现方法。

二、主要实验仪器

防振平台，氦－氖激光器，分束镜，反射镜，扩束镜，支架，干版夹等，全息干版，显影，定影液及显影，定影器具。

三、实验原理

将物体靠近记录介质，或利用成像透镜使物体成像在记录介质附近，或者使一个全息图重现的实像靠近记录介质，都可以在引入参考光后记录到像全息图。当物体的像正好位于记录介质面上时，得到像面全息图。它是像全息图的一种特例。

在记录像全息图时，如果物体靠近记录介质，则不便于引入参考光，故通常采用两种成像方式产生像光波:一种方式是采用透镜成像，如图12-1所示;另一种方式则是利用全息图的重现实像作为像光波，这时需要对物体先记录一张菲涅耳全息图，然后用原参考光波的共轭光波照明全息图，重现出物体的实像，再用此实像作为物记录像全息图。因此第二种方式包括二次全息记录与一次全息重现，过程比较繁杂。本实验只记录第一种像全息的方法。

图12-1 像全息图拍摄光路示意图

根据菲涅耳点源全息图理论，再现光源宽度Δxp对再现像的影响:

式(12-1) 中，Δxi为再现像在x方向的展宽，Δxp为再现光源在x方向的宽度，zi、zp分别为再现像、再现光源与全息图之间的距离。而再现光源光谱宽度Δλ2对再现像的影响:

式(12-2)中，Δλ2为再现光源光谱宽度，λ1为拍摄全息图时激光的波长，x0、xr分别为物体和参考光源与全息图平面在x方向的距离，z0、zr分别为物体和参考光源与全息图平面在z方向的距离，当 z0→0⇒ zi→0，此时Δxi→0，可克服上述两种影响，因此可用白光再现。

像面全息图的特点是可以用宽光源和白光再现。对于普通的全息图，当用点光源再现时，物上的一个点的再现像仍是一个像点。若照明光源的线度增大，像的线度也随之增大，从而产生线模糊。计算表明，记录时物体愈靠近全息图平面，对再现光源的线度要求就愈低。当物体或物体的像位于全息图平面上时，再现光源的线度将不受限制。这就是像面全息图可以用宽光源再现的原因。

全息图可以看成是很多基元全息图的叠加，具有光栅结构。当用白光照明时，再现光的方向因波长而异，故再现像点的位置也随波长而变化，其变化量取决于物体到全息图平面的距离。可见，各波长的再现像将相互错开又交叠在一起，从而使像变得模糊不清，产生色模糊。当全息干版处于离焦位置(即不在成像面上) 时，再现像的清晰度将下降。离焦量越大，再现像就越模糊不清。然而，像面全息图的特征，是物体或物体的像位于全息图平面上，因而再现像也位于全息图平面上。此时，即使再现照明光的方向改变，像的位置也不发生变化，只是看起来颜色有所变化罢了。这就是像面全息图可以用白光照明再现的原因所在。

应当注意，像面全息图的像不像普通全息图那样冗余地编码，而是局部编码在全息图上，因此，再现时照明光束必须照到整个全息图才能把像完整地再现出来。此外，由于像面全息图本身的特征限制了物体的三维特性，故它仅具有有限的景深。

如果在本实验中，参考光不是从全息干版的乳胶面入射，而是从全息干版的背面入射，则所得到的全息图既是像面全息图，又是反射全息图，称之为反射像面全息图。反射像面全息图具有反射全息图的特性，当用白光再现时，随着入射角的不同，再现像将呈现不同的颜色。

四、实验内容

1． 选择元件

根据光路图12－2选择合适的光学元件及镜架。BS最好采用分束比可连续调节的渐变分束镜。成像透镜L3选用大相对孔径的照明物镜，以增大物光强度和再现像的清晰范围。

2． 调整光路

按照光路图12－2拼搭和调整光路。从氦－氖激光器Laser发出的激光束被分束镜BS分为两束。一束经反射镜M2反射、L2扩束后直接照射到全息干版H上，成为参考光R;另一束经M1反射、L1扩束后照射到物体上，被物体漫射后经透镜L3再成像到全息干版H上，成为物光。

通过移动反射镜调整参考光的光程，使参考光与物光的光程差接近于零。物光与参考光的夹角不要太大，一般在30°～40°之间。全息干版H应位于物体的共轭面(即成像面)上。物体像的大小可通过调整物体和全息干版的位置来控制。最好将物体置于两倍焦距处，使之1∶1成像，以防止像的失真。

图12－2 像全息的记录光路

3． 调整光束比

根据物体的反射性能，通过调节分束镜BS，使参考光与物光的光束比为2∶1 ～4∶1。

4． 曝光记录

在暗室中裁片、装架，稳定一分钟后进行曝光。曝光时间10s左右，显影时间与定影时间可根据室温相应调整，即得到吸收型像面全息图。

5． 漂白处理

为了提高衍射效率，用R10漂白液(A液、B液1∶1配制) 进行漂白处理，把黑色部分消除后再稍作浸泡，水洗数分钟后晾干，即得到相位型像面全息图。

6． 像全息图再现像的观察

本实验光路采用发散的球面波作为参考光照明记录，再现时可以用一个灯丝稍集中的溴钨灯，按记录时参考光的方向照明。记录时也可改用平行光作为参考光，此时须加一个准直物镜用平行光再现，也可直接用太阳光再现。像面全息图可用白光宽光源再现，再现像是消色差的，位于全息图平面上(二维物体) 或跨立在全息图平面上(三维物体)。

五、注意事项

(1) 激光束亮度极高，严禁用眼睛直视从激光器发出的细激光束，以免损伤眼睛。

(2) 严禁拆卸激光器上的线夹和激光电源，以免被高压击伤或损坏激光器。

(3) 全息照相中使用的反射镜、分束镜等光学元件的表面严禁用手触摸，以免影响拍摄质量。

(4) 为保证拍摄的成功和拍摄质量，严禁在全息实验室中随意走动和大声说话。

六、思考题

(1) 像面全息图的再现像、像全息图的再现像和物体的像三者有何区别?

(2) 现有一张某物体的菲涅耳全息图，试利用它来制作该物体的像面全息图。要求画出原理性的光路图，并叙述制作步骤。

(3) 试设计一个拍摄反射像面全息图的光路。