激光的全息图像技术
相比普通照相,激光全息照相是利用透镜成像原理,把被摄物的漫反射光的光强分布记录在“底片”上(如今的底片已经可以数字化了),以此获得二维平面图像。普通照相的物象间关系是点点对应的,只要底片破损就不能重现图像。普通照相对外界环境要求不高,一般条件都能照相。
激光也能照相,而且除了可以记录被摄物体的漫反射光的强度分布之外,还可以记录漫反射光的干涉信息,以这两类信息获得的“全息图像”,要比一般图像表现被摄物体会更“精细”、更“丰富”、更“全面”。这就是激光的全息照相技术,它有很多精彩的应用。
一.全息照相的原理
激光全息照片要在暗室中拍摄。全息照相的记录光路如下图所示。激光束通过快门后经过分束板分为两束:一束称为参考光,经平面镜反射、扩束镜,直接投射到全息干板上。另外一束称为物光,经平面镜反射、扩束,照射到被摄物体上,其漫反射光也在全息干板上接受。两束光都在同一个平面上,物光与参考光夹角在45°左右,在全息干板上形成干涉条纹,并被记录。
这里有几个问题需要解释一下:
为什么要用“扩束镜”?因为激光器射出的光束太集中,照射的区域小,通过扩束镜可以让照射区域扩大。什么是“全息干板”?是玻璃制造的,一面镀有一层粘性感光剂,在红色或绿色激光的照射下,附着其上的感光剂将会被曝光,从而记录下干板所接受到的,又细又密的干涉条纹的,光强分布。
“全息干板”所记录的干涉条纹有什么信息?如果只有物光漫反射,干板记录的是被摄物体的一般平面照片,如果干板同时接受到物体反射光和参考激光,干板记录的就是干涉条纹,干涉条纹中既有物光漫反射强度的信息,也有漫反射光的相位信息(因为没有相位差就不会产生干涉条纹),还含有被记录物体的尺寸、形状、亮度和对比度等信息。所以“全息干板”上记录的干涉条纹就是被摄物体的全息图。
当然,“全息干板”现在可以不用感光材料了,可以数字化了,就像数码相机的记录方式一样。
下面叙述全息图的再现问题。要用激光照射全息图才能观察虚像,其方法如下图所示。用参考光照射制作好的全息图,沿着原来物光照射物体的角度去观察全息图,在全息图后面就可以看到物体的虚像,而且立体感十足。
二.全息照相的优点和缺点
全息技术具有以下突出的特点和优点:
(1)立体感强。因为光线所涉及的物体表面的信息,不仅光的强度还有光的相位都记录在全息图中,所以再现的物体表面的信息表现的很详细。
(2)可再现物体的立体图像。如果物光从多个角度照射,多次拍摄的全息图都集中在一个全息图中,那么用参考光从不同角度照射这个全息图,就可以互不干扰地分别显示出来每次拍摄的图像,从而能够再现物体的3维图像。
(3)全息照片的碎片仍旧能反映出整个物体的图像。 因为全息图像的部分都含有整体干涉的表现,所以,小部分全息图就能存储和再现整个物体的图像。
(4)信息容量大。用全息图存储信息,远大于磁盘和光盘的存储容量大。
全息技术的缺点是,拍摄环境要求高,拍摄成本高。
三.激光全息技术的应用
1.激光全息影像
观察者不动,可以看到物体的立体效果,可以看到不属于自己的视觉效果。用全息技术拍摄博物馆的藏品,其观察效果极佳。
用全息技术制作影像,用水蒸气作为幕墙,影像可以在水雾气幕墙上再现。
用全息技术制作虚拟影像,和实体影像结合,观察者会有身临3维境地的梦幻感觉。
2.激光全息检测
1)普通的光弹性无损检测方法。
先解释光弹性应力实验中要用到的几个概念:
平面偏振片:光在射出方向的垂直平面上是有振动的,自然光在这个平面上的振动方向是均匀的,“平面偏振片”的作用是让光在一个方向(例如纵向或者横向)上振动,也就是说,光通过它之后仅在一个平面内振动。
圆1/4偏振片:当偏振光垂直射向这个薄片时,会形成2个互相垂直的偏振光,穿过后这2束光存在1/4的光程差。
当光同时垂直穿过“平面偏振片”和“圆1/4偏振片”后,得到的是光程相差1/4的2束偏振光。这2束光如果叠加在一起就会产生“干涉”现象。
再解释光弹性应力实验装置的基本结构和将会发生的现象,参见下图。
用各向同性的透明材料(例如有机玻璃)做成工件模型,放在合适的两个“偏振片”中间,让光垂直通过,并对工件施加外力;由于材料内部有应力变化,应力变化会改变材料的折射率;所以当光经过“平面偏振片”和“圆1/4偏振片”后,2个方向的偏振光在应力的影响下会产生不同的折射率;于是再把这2束光叠加到屏膜上,就会发生干涉现象,就会看到彩色花纹(类似于三棱镜分光的原理);花纹之间的间隔与应力的大小成正比关系;应力越集中的地方,应力花纹越细密。这就是光弹性应力检测的方法,参见下图。 在光弹性应力实验中,可以计算出工件内部应力的分布和强度。
光弹性应力检测的方法应用很广。
例如,为了设计一个复杂的机械工件、桥梁或水坝,都可以用透明塑料模拟它们的形状,并根据实际工作状况按比例地加上外力,然后用光测弹性仪显示出其中的应力分布来,一定可以看出那些地方应力是否过分集中,是否会影响结构的强度,也可以看出结构内部是否存在缺陷。光弹性分析可以利用白光,也可以利用单色光,光的干涉现象是与材料内部应力、折射率相关的。下面介绍的激光全息图像,其干涉现象是与由材料的表面应力相关的。
2)激光全息光弹性无损检测。
因为物体在受到外界载荷时会产生变形,这种变形一定会在物体的表面变形中表现出来,如果物体内部有缺陷,则有、无缺陷的表面变形也是不一样的,这些微弱的表面变形是用肉眼无法观察的,但是用激光的干涉现象可以明显地看出来。
于是,人们对受力物体拍摄激光全息图像,干涉条纹一定会明显地记录物体表面的应力大小,把不同受力的全息图比对,分析其干涉条纹的反差、形状和间距变化,就可以分析由于加载所造成的表面应变、应力,可以分析物体内部有无缺陷等内容。这就是激光全息无损检测方法。
3)其它激光全息无损检测方法。
激光的频率范围在红外到紫外之间,读者应该明白,有多种频率的激光,而且不同频率的激光有不同的性质,以此可知,不同类型的无损检测需要使用不同类型的激光。
例如,红外线看不见,红外线对热源敏感,于是人们可以用红外激光照射物体,人眼看不见,但摄像机能捕捉到被红外光“照明”的景物和环境。
红外照相、摄像已经普及了,同样的人们可以做红外全息图,以此去侦察夜间物体,可以检测物体表面的热分布,从而达到无损检测的目的。
同样的道理,紫外线也是一种激光,也可以用紫外线照射物体,得到图像或全息图。
四.总结
激光全息技术的发明,获得了1971年的诺贝尔物理学奖。
激光全息技术可望在立体电影、电视、展览、显微术、干涉度量学、投影光刻、军事侦察监视、水下探测、金属内部探测、保存珍贵的历史文物、艺术品、信息存储、遥感,研究和记录物理状态变化极快的瞬时现象、瞬时过程(如流体表现、风洞试验、爆炸过程、燃烧过程等)等各个方面获得广泛应用。
激光干涉方法,激光全息图像方法,都是利用了光波特性设计出来的。其实,干涉现象和全息原理适用于各种形式的波动,如X射线、微波、声波、电子波等。只要这些波动在形成干涉花纹时具有足够的相干性即可。现在就要科学工作者研究超声全息、红外全息、微波全息、电子波全息、地震波全息、X射线全息。这些全息技术在军事侦察等领域中具有重要意义,当然在民用领域也大有天地。