[趣味物理知识] 全息摄影

[趣味物理知识] 【物理小识】全息摄影

法国曾经在世界各地举办了一次特别的摄影展览，人们欣赏到了神奇的、全新的摄影作品：墙头上，明明看见伸出了一只水龙头，可是举手前去拧一下，结果却抓了个空；一只镜框，里面什么图像也没有，可是当一束光射过来，框里就出现一位美丽的姑娘，她缓缓地摘下眼镜，向人们微笑致意；一只玻璃罩，里面空无一物，可是，在光的照射下，罩里马上出现了爱神维纳斯像……这就是神奇的全息摄影带给人们的视觉冲击。

全息摄影是一种利用波的干涉记录被拍摄物体反射(或透射)光波的信息(振幅、相位)的照相技术。它是通过一束参考光和被摄物体上反射的光叠加在感光片上相遇时发生干涉，形成复杂的干涉条纹而成。底片上某点的明暗程度不仅记录被摄物体反射光波的振幅（强度），而且还记录反射光波的相对相位。

一、全息照片的拍摄

全息摄影采用激光作为照明光源，并将光源发出的光分为两束，一束直接射向感光片(称为参考光)，另一束经被摄物体反射后再射向感光片(称为物光)，如图 1 所示。这两束光在感光片上叠加发生干涉，感光底片上各点的感光程度不仅随两束光的强度也随两束光的相位关系而不同，所以全息摄影不仅记录了物体上的反光强度，也记录了相位信息。因为激光具有很好的空间相干性和时间相干性，所以激光的出现为全息摄影提供了一个理想的光源。

图1

要获得理想的全息照片，拍摄时，物光和参考光的光程差要尽量小，两束光的光程差相等最好，最多不能超过 2cm；两束光的夹角最好在 45°左右，因为夹角越小，干涉条纹就越稀，这样对系统的稳定性和感光材料分辨率的要求就低。

由于全息底片上记录的是干涉条纹，而且是又细又密的干涉条纹，所以在拍摄过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊，甚至使干涉条纹无法记录。比如，拍摄过程中若底片位移一个微米，条纹就会分辨不清，因此，拍摄时要尽可能地防止相机和被摄物体的抖动。另外，气流通过光路、声波干扰以及温度变化都会引起周围空气密度的变化。为此，在曝光时要禁止大声喧哗，不能随意走动，保持整个环境的安静。

二、全息照片的再现

全息照片的再现方法是用一束频率和传输方向与参考光束完全一样的激光照射全息照片，就可以观察到物体的立体图像，如图 2 所示。人从不同的角度看，可以看到物体的不同侧面，就好像看到真实的物体一样，只是摸不到“真实”的物体。

图2

全息照相再现的是一个精确复制的物光波，当我们“看”这个物光波时，可以从各个视角观察到再现立体像的不同侧面，犹如看到逼真物体一样，具有景深和视差。如果观看并排的两辆“奔驰”汽车的全息照片，当我们改变观察方向时，后一辆车被遮盖部分就会露出来！一张全息照片相当于从多个角度拍摄、聚焦成的许多张普通照片。因此，一张全息照片的信息量相当于 100 张甚至 1000 张普通照片信息量的总和。

三、全息摄影的应用

全息照片具有立体感强、形象逼真、信息量大等特点，所以全息摄影用途非常广泛。

在我们的生活中，常常能看到全息摄影技术应用的例子，比如在一些信用卡和纸币上就有用全彩全息图象技术制作出的聚酯软胶片上的“彩虹”全息图像来实现防伪的目的。而模压彩虹全息图像，由于它的三维层次感强，并随观察角度而变化的彩虹效应，其防伪功能更强。

把一些珍贵的文物用全息摄影技术拍摄下来，展出时可以真实地立体再现文物的全貌，参观者欣赏时可以获得更加全面的文物信息，而原物则可以妥善保存；大型全息图片既可以展示轿车、卫星以及各种三维广告，亦可采用脉冲全息技术再现人物肖像，小型全息图片可以戴在颈项上形成美丽装饰。

除光学全息外，现在还发展了红外、微波和超声全息技术，这些技术在军事侦察和监视上有重要意义。我们知道，一般的雷达只能探测到目标的方位、距离等，而全息照相则能给出目标的立体形象，这对于及时识别飞机、舰艇等的特征有很大作用。超声全息照相能再现潜伏于水下物体的三维图像，由于对可见光不透明的物体往往对超声波透明，因此可用来进行水下侦察和监视，也可用于医疗透视及工业无损检测等。

目前，地震波、电子波、X 射线等方面的全息技术也正在深入研究之中，它们有着极其广泛的应用，如用于研究火箭飞行的冲击波、飞机机翼蜂窝结构的无损检验等，都取得了良好的效果。