[科普中国]-全息摄影测量

基本概念

全息摄影测量是利用一定方向的激光光束投射到全息图上，获取原物体三维结构图像的摄影测量，是一种不用透镜而能记录和再现物体的三维(立体)图象的摄影方法。它是能够把来自物体的光波波阵面的振幅和相位的信息记录下来，又能在需要时再现出这种光波的一种技术1。

原理及步骤光波是一种电磁波，它在传插中带有振幅和相位的信息。普通照相是用感光材料(如照相底片)作记录介质，用透镜成象系统（如照相机）使物体在感光材料上成象。它所记录的只是来自物体的光波的强度分布图象，即振幅的信息，而不包括相位的信息。因此普通照相只能摄取二维(平面)图象。为要同时记录光波的振幅和相位的信息，可借助于一束相干的参考光，利用物光和参考光的光程差，以确定两束光波之间的相位差。因此借助参考光,便可记录来自物体的光波的振幅和相位的信息2。

照明物体的反射光波承载着物体形态的信息传播。用记录介质把携带信息的光波波前记录下来，将可在另一时间和场所，采用适当方法把波前再现出来。它继续传播仍可产生可观察的物体的三维像。光波传递信息，构成物体的像的过程被分为：波前记录和波前再现两步。它是一种两步无透镜成像方法。以离轴全息图为例说明波前记录和再现的过程。

波前记录所有的记录介质都只对光强有响应，不能记录波前携带的位相信息。利用干涉原理才能把波前的振幅和位相，即全部信息都储存在记录介质中。暗室中高度相干的激光光束被分成两部分：一束光照明物体，经物体反射、散射或衍射，作为物光（红线）投射到照相干板上；另一束光作为参考光（绿线）照明照相干板。两束光相互干涉。照相干板经曝光、显影处理就得到全息图。干涉条纹的衬度和形状（或位置）信息中分别包含有物光波前振幅和位相的信息。

波前再现波前记录的结果是得到一张记有物光振幅和位相信息的全息图。全息图上细密的干涉条纹图样，如同复杂的衍射光栅，只是光栅条纹的方向和间距可能随位置变化。用均匀的激光光束照明全息图，一部分光直接透过。对于离轴全息图，有另外两束衍射光波向不同方向传播，可看作±1级衍射光。其中一束衍射光波传播到观察者眼睛里，和真实物体发出的光波作用完全相同，实现了波前再现。尽管物体已经移开，仍可看到原始物体的虚像（原始像）。另一束衍射光波可看作原始物光波前的共轭波，传播形成物体的实像（共轭像），看到的像和原物体凸凹相反。由于再现的光波前携带有物波的振幅和位相信息，再现的像显示出物体的三维特性，具有视差效应。适当选择记录时参考光的倾斜角度，可使直接透射光以及产生孪生像的两束衍射光传播时分离开，互不干扰。

全息摄影测量要求拍摄系统必须具备以下要求：

（1）光源必须是相干光源：通过前面分析知道，全息照相是根据光的干涉原理，所以要求光源必须具有很好的相干性。激光的出现，为全息照相提供了一个理想的光源。这是因为激光具有很好的空间相干性和时间相干性，实验中采用He-Ne激光器，用其拍摄较小的漫散物体，可获得良好的全息图。

（2）全息照相系统要具有稳定性：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，所以在照相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，则条纹就分辨不清，为此，要求全息实验台是防震的。全息台上的所有光学器件都用磁性材料牢固地吸在工作台面钢板上。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。因此，在曝光时应该禁止大声喧哗，不能随意走动，保证整个实验室绝对安静。我们的经验是，各组都调好光路后，同学们离开实验台，稳定一分钟后，再在同一时间内曝光，得到较好的效果。

（3）物光与参考光应满足：物光和参考光的光程差应尽量小，两束光的光程相等最好，最多不能超过2cm，调光路时用细绳量好；两束光之间的夹角要在30°～60°之间，最好在45°左右，因为夹角小，干涉条纹就稀，这样对系统的稳定性和感光材料分辨率的要求较低；两束光的光强比要适当，一般要求在1：1~1：10之间都可以，光强比用硅光电池测出。

（4）使用高分辨率的全息底片：因为全息照相底片上记录的是又细又密的干涉条纹，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银化物的颗粒较粗，每毫米只能记录50~100个条纹，天津感光胶片厂生产的I型全息干板，其分辨率可达每毫米3000条，能满足全息照相的要求。

（5）全息照片的冲洗过程：冲洗过程也是很关键的。我们按照配方要求配药，配出显影液、停影液、定影液和漂白液。上述几种药方都要求用蒸馏水配制，但实验证明，用纯净的自来水配制，也获得成功。冲洗过程要在暗室进行，药液千万不能见光，保持在室温20℃在右进行冲洗，配制一次药液保管得当可使用一个月左右。

应用全息摄影测量可通过变焦，测量焦距计算物体实际尺寸；根据三维背影将物体立体化，取物体全息数据；用探测器，如金属探测，远红外探测，分析物体材质属性，再收集物体表面紫外线反射波，判断物体色彩；将收集数据进行分析，即模拟人脑探测原理；通过体积测量、外形测量、组件材质探测、特征识别、生物信息收集等进行数据分析3。