[科普中國(guó)]-全息攝影測(cè)量

基本概念

全息攝影測(cè)量是利用一定方向的激光光束投射到全息圖上，獲取原物體三維結(jié)構(gòu)圖像的攝影測(cè)量，是一種不用透鏡而能記錄和再現(xiàn)物體的三維(立體)圖象的攝影方法。它是能夠把來(lái)自物體的光波波陣面的振幅和相位的信息記錄下來(lái)，又能在需要時(shí)再現(xiàn)出這種光波的一種技術(shù)1。

原理及步驟光波是一種電磁波，它在傳插中帶有振幅和相位的信息。普通照相是用感光材料(如照相底片)作記錄介質(zhì)，用透鏡成象系統(tǒng)（如照相機(jī)）使物體在感光材料上成象。它所記錄的只是來(lái)自物體的光波的強(qiáng)度分布圖象，即振幅的信息，而不包括相位的信息。因此普通照相只能攝取二維(平面)圖象。為要同時(shí)記錄光波的振幅和相位的信息，可借助于一束相干的參考光，利用物光和參考光的光程差，以確定兩束光波之間的相位差。因此借助參考光,便可記錄來(lái)自物體的光波的振幅和相位的信息2。

照明物體的反射光波承載著物體形態(tài)的信息傳播。用記錄介質(zhì)把攜帶信息的光波波前記錄下來(lái)，將可在另一時(shí)間和場(chǎng)所，采用適當(dāng)方法把波前再現(xiàn)出來(lái)。它繼續(xù)傳播仍可產(chǎn)生可觀察的物體的三維像。光波傳遞信息，構(gòu)成物體的像的過(guò)程被分為：波前記錄和波前再現(xiàn)兩步。它是一種兩步無(wú)透鏡成像方法。以離軸全息圖為例說(shuō)明波前記錄和再現(xiàn)的過(guò)程。

波前記錄所有的記錄介質(zhì)都只對(duì)光強(qiáng)有響應(yīng)，不能記錄波前攜帶的位相信息。利用干涉原理才能把波前的振幅和位相，即全部信息都儲(chǔ)存在記錄介質(zhì)中。暗室中高度相干的激光光束被分成兩部分：一束光照明物體，經(jīng)物體反射、散射或衍射，作為物光（紅線）投射到照相干板上；另一束光作為參考光（綠線）照明照相干板。兩束光相互干涉。照相干板經(jīng)曝光、顯影處理就得到全息圖。干涉條紋的襯度和形狀（或位置）信息中分別包含有物光波前振幅和位相的信息。

波前再現(xiàn)波前記錄的結(jié)果是得到一張記有物光振幅和位相信息的全息圖。全息圖上細(xì)密的干涉條紋圖樣，如同復(fù)雜的衍射光柵，只是光柵條紋的方向和間距可能隨位置變化。用均勻的激光光束照明全息圖，一部分光直接透過(guò)。對(duì)于離軸全息圖，有另外兩束衍射光波向不同方向傳播，可看作±1級(jí)衍射光。其中一束衍射光波傳播到觀察者眼睛里，和真實(shí)物體發(fā)出的光波作用完全相同，實(shí)現(xiàn)了波前再現(xiàn)。盡管物體已經(jīng)移開(kāi)，仍可看到原始物體的虛像（原始像）。另一束衍射光波可看作原始物光波前的共軛波，傳播形成物體的實(shí)像（共軛像），看到的像和原物體凸凹相反。由于再現(xiàn)的光波前攜帶有物波的振幅和位相信息，再現(xiàn)的像顯示出物體的三維特性，具有視差效應(yīng)。適當(dāng)選擇記錄時(shí)參考光的傾斜角度，可使直接透射光以及產(chǎn)生孿生像的兩束衍射光傳播時(shí)分離開(kāi)，互不干擾。

全息攝影測(cè)量要求拍攝系統(tǒng)必須具備以下要求：

（1）光源必須是相干光源：通過(guò)前面分析知道，全息照相是根據(jù)光的干涉原理，所以要求光源必須具有很好的相干性。激光的出現(xiàn)，為全息照相提供了一個(gè)理想的光源。這是因?yàn)榧す饩哂泻芎玫目臻g相干性和時(shí)間相干性，實(shí)驗(yàn)中采用He-Ne激光器，用其拍攝較小的漫散物體，可獲得良好的全息圖。

（2）全息照相系統(tǒng)要具有穩(wěn)定性：由于全息底片上記錄的是干涉條紋，而且是又細(xì)又密的干涉條紋，所以在照相過(guò)程中極小的干擾都會(huì)引起干涉條紋的模糊，甚至使干涉條紋無(wú)法記錄。比如，拍攝過(guò)程中若底片位移一個(gè)微米，則條紋就分辨不清，為此，要求全息實(shí)驗(yàn)臺(tái)是防震的。全息臺(tái)上的所有光學(xué)器件都用磁性材料牢固地吸在工作臺(tái)面鋼板上。另外，氣流通過(guò)光路，聲波干擾以及溫度變化都會(huì)引起周圍空氣密度的變化。因此，在曝光時(shí)應(yīng)該禁止大聲喧嘩，不能隨意走動(dòng)，保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)安靜。我們的經(jīng)驗(yàn)是，各組都調(diào)好光路后，同學(xué)們離開(kāi)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，穩(wěn)定一分鐘后，再在同一時(shí)間內(nèi)曝光，得到較好的效果。

（3）物光與參考光應(yīng)滿足：物光和參考光的光程差應(yīng)盡量小，兩束光的光程相等最好，最多不能超過(guò)2cm，調(diào)光路時(shí)用細(xì)繩量好；兩束光之間的夾角要在30°～60°之間，最好在45°左右，因?yàn)閵A角小，干涉條紋就稀，這樣對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和感光材料分辨率的要求較低；兩束光的光強(qiáng)比要適當(dāng)，一般要求在1：1~1：10之間都可以，光強(qiáng)比用硅光電池測(cè)出。

（4）使用高分辨率的全息底片：因?yàn)槿⒄障嗟灼嫌涗浀氖怯旨?xì)又密的干涉條紋，所以需要高分辨率的感光材料。普通照相用的感光底片由于銀化物的顆粒較粗，每毫米只能記錄50~100個(gè)條紋，天津感光膠片廠生產(chǎn)的I型全息干板，其分辨率可達(dá)每毫米3000條，能滿足全息照相的要求。

（5）全息照片的沖洗過(guò)程：沖洗過(guò)程也是很關(guān)鍵的。我們按照配方要求配藥，配出顯影液、停影液、定影液和漂白液。上述幾種藥方都要求用蒸餾水配制，但實(shí)驗(yàn)證明，用純凈的自來(lái)水配制，也獲得成功。沖洗過(guò)程要在暗室進(jìn)行，藥液千萬(wàn)不能見(jiàn)光，保持在室溫20℃在右進(jìn)行沖洗，配制一次藥液保管得當(dāng)可使用一個(gè)月左右。

應(yīng)用全息攝影測(cè)量可通過(guò)變焦，測(cè)量焦距計(jì)算物體實(shí)際尺寸；根據(jù)三維背影將物體立體化，取物體全息數(shù)據(jù)；用探測(cè)器，如金屬探測(cè)，遠(yuǎn)紅外探測(cè)，分析物體材質(zhì)屬性，再收集物體表面紫外線反射波，判斷物體色彩；將收集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，即模擬人腦探測(cè)原理；通過(guò)體積測(cè)量、外形測(cè)量、組件材質(zhì)探測(cè)、特征識(shí)別、生物信息收集等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析3。