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1、南京航空航天大学 理学院 梁玲 0508146111综综述述实时实时全息全息测测量技量技术术1、全息、全息术发术发展展简简介介全息技术的思想最早是由英国科学家 DennisGabor1 于 1948 年提出的,由于受到光源等条件的限制, 直到 20 世纪 60 年代第一台激光器问世以来,全息技术才获得了空前的发展. 全息技术的主要特点是它不仅记录了物体的振幅信息,而且记录了物体的位相信息,从而更加真实地反映了原物体. 其中数字全息技术是利用 CCD 等电荷耦合器件取代传统光学全息中的记录介质来记录全息图,重建的过程在计算机中完成,因此数字全息不仅继承了传统全息的特点,而且还具有其自身的优点:
2、(1) 没有湿处理过程,可以实时进行图像的获取和处理. (2)数值重建既能得到重建光波场的强度分布,也能获取相位信息. (3) 采用脉冲激光作为光源时, 曝光时间短. (4) 数值重建还可以方便地进行数字聚焦,容易实现三维观测. 数字全息已经被应用于干涉计量、微小粒子检测、器件形貌分析、微小形变与缺陷探测、显微成像和记录运动物体状态等诸多领域. 全息术的发展大约可分为 4 个阶段 (1) 同轴全息术(2)离轴全息术(3)白光再现全息术(4)白光全息术。全息术具有三维、不可撕毁、再现像的缩放、信息容量大等特点。2、全息、全息术术工作原理工作原理全息技术的基本原理是:物体反射的光波与参考光波相干叠
3、加产生干涉条纹,被记录的这些干涉条纹称为全息图。 全息图在一定的条件下再现,便可重现原物体逼真的图像。自激光全息术发明以来,激光全息技术的应用领域和范围不断拓展,对相关技术和行业的影响越来越大,尤其是近年来随着激光全息技术与其它学科技术的综合运用,激光全息技术更展现了它的巨大应用前景。基于这一点,对激光全息技术的应用概况和发展趋势进行较全面的研究和探讨,以促进激光全息技术应用范围的不断扩大和应用水平的不断提高,这对于推动激光全息理论和技术的发展是有意义的。根据全息技术的基本原理,我们知道全息图只是记录了物光波和参考光波相干叠加时产生的一系列干涉条纹,要得到物体的再现像,必须对全息图进行重建处理
4、. 就光学全息和计算全息而言,其重建过程属于光学再现过程,即将记录物体全部信息的全息图经过一系列处理以后,用适当的光照明全息图,光通过全息图时的衍射光和衍射光之间的干涉形成了与原物光波相似的光波,构成物体的再现像. 对于数字全息来说,是先将CCD 记录的全息图数字化,然后在计算机中重建物体的再现像。3、 、实时实时全息全息测测量技量技术术南京航空航天大学 理学院 梁玲 0508146222随着全息术的迅速发展, 全息技术的应用领域已越来越广泛。在这方面的技术也逐渐成熟了，但就全息测量技术方面，有很多测量技术，比如：双曝光技术，实时全息干涉测量技术，时间平均干涉法等技术。现单就实时全息测量技术做
5、一下综述。用实时全息干涉计量术配合高速摄影机进行记录是研究高速变化过程的一个重要方法。当前人们关注的热点是如何进一步提高它的速度和分辨率以便进一步记录超高速的变化过程。这种装置需要高速相机(幅频每秒数千帧至数万帧乃至每秒一, 二十万帧) 和较强功率的激光光源实时全息干涉法的基本光学原理。实时全息干涉法是基于光的波动性质，利用光线通过流体的相位变化来定量研究流体折射率空间分布的计量技术。由流体的光相位变化可以得到流体密度场、温度场和浓度场的清晰干涉图像，从而可以正确地推算出对应的测量值。实时全息干涉法：就是使全息图的再现相与实际物体相重叠，如果两个状态相比发生变化，在重叠区就会出现干涉条纹。随着
6、时间的推移，实际物体的状态发生变化，干涉条纹就会随之变化，反映出实际物体的变化。因此，称之为实时全息干涉法。 激光实时全息术是一种非常有用的检测方法,它具有全场、实时、无接触、高精度、高灵敏度等特点,已用于质量控制、无损检测、应力分析、振动分析等方面。光学全息干涉计量是现代分析测试技术中的一种有力手段，它对被测对象不产生干扰，可做到全场、定量、实时、快速直观的无损检测，在科研生产等领域具有广泛的应用前景。小型半导体激光器的出现，使其走出实验室作为实用的现场测试方法成为可能。但由于传统全息干涉记录材料的限制，使其不能实现现场实时处理，因而不能实现实时观测。在光学全息干涉技术中采用光折变晶体代替感
7、光胶片或干板作为记录介质，是近期国际上非常活跃的一个研究领域，称为光折变全息干涉计量术。采用光折变晶体作为全息干涉的记录介质有以下优点：(1)可实时记录、再现和擦除，不需要任何化学处理过程，可重复使用，可实现现场实时检测；(2)全息图在晶体内的存贮时间可在一个很大范围内选择；通过选用不同的光折变晶体或给晶体以不同的掺杂元素和浓度，可以改变全息图的存贮时间；需要时还可以用电、光、热等方法在一些晶体中对全息图进行定影；（3）存贮信息量大4）具有足够的灵敏度和很好的分辨率，并且由于它主要是对激光敏感，所以可适应外界各种光照的环境。用玻璃或其他透明材料制作的光楔在光学实验和仪器中应用非常广泛。它的两个
8、基本参数是折射率和楔角。当光楔的折射率和楔角有一个是已知量时，可以用很多种方法来测量另一个未知的量，但还没发现有别的方法能同时测量光楔的折射率和楔角。本文旨在探索光折变实时干涉法在光学检测中的应用，提出一种能同时测量光楔的楔角和折射率的新方法。4 实时实时全息干涉法的基本原理全息干涉法的基本原理全息干涉计量技术的应用一般分两类。第一类是全息干涉计量技术用于测量漫反射南京航空航天大学 理学院 梁玲 0508146333不透明物体的力学参数。第二类是全息干涉计量技术用于测量透射物体的力学和光学参数。当光束通过一个透射物体，如光栅、感光胶片、全息照片、流场等时，它的复振幅将发生改变。光波的复振幅包含
9、光波的两个特征参量：实振幅与位相。因此透射物体对光波的作用又可分为两种情况。如果透射物体仅影响透射光的实振幅，这种物体被称为振幅物体，它的振幅透过率是实数，例如吸收型的感光胶片。如果透射物体仅影响透射光的位相，则称之为位相物体，它的振幅透过率是复数。在热物理的参数测试中，大多数的实验对象是对光波透明的流场。它们对光波的吸收作用甚微，即对光波振幅的影响常常可以忽略。它们主要改变透射光波的位相，因而常称之为位相物体，如气流、火焰、等离子体等。由于本文是应用全息干涉计量术来测量位相物体的物理量，因此下面仅介绍位相物体的全息干涉计量术。传统实时全息干涉法的基本原理是：首先记录一张位相物体未变化时物光波
10、标准波面的全息图。经显影、定影、处理后，将该全息图准确复位于光路中的原来位置。然后用位相物体变化后的被测试物光与参考光同时照射该全息图，使直接透过全息图的测试物光波与全息图所再现的原始物光波相互干涉，从而获得实时全息干涉图。依据该干涉图上条纹的变化情况确定被测定物理量。但传统记录材料不容易做到准确复位，而用光折变晶体则可免去复位所带来的操作复杂和不能准确复位所产生的误差。用光折变晶体作记录材料的光折变实时全息干涉法和传统方法的原理类似，只是免去了显影、定影和复位的麻烦。其基本光路如图3所示。激光全息干涉计量技术是对同一物体在两个不同时刻用干涉计量法进行比较,因而可以探测物体在这段时间间隔内所发
11、生的任何微小变化,其准确度可以达到光波的波长量级. 实时全息干涉法的基本原理是:首先记录一张位相物体未变化时的物光波的标准波面的全息图. 经显影和定影后, 将该全息图准确复位于光路的原来位置. 然后,用位相变化后的被测试物光与原参考光同时照射该全息图,使直接透过全息图的测试物光波与全息图所再现的原始物光波互相干涉,从而获得实时全息干涉图. 依靠该全息图上的干涉条纹的变化情况确定被测物理量. 在这一过程中,仅须一次曝光记录南京航空航天大学 理学院 梁玲 0508146444位相物体未变化时的波面. 然后就可以实时观察位相物体变化后的波面变化情况. 因此,这种方式也称为单次曝光全息干涉法. 实时全
12、息干涉法可以直接采用如图1 所示的光路图,图中O , R 分别表示物光和参考光, UR0, UR1, UR - 1分别为参考光通过全息图后的零级、一级和负一级衍射像, O表示变化了的物光波UO0, UO1, UO - 1分别为变化后的物光波通过全息图后的零级、一级和负一级衍射像.5、展望、展望目前, 全息技术的产品正越来越多地走向市场, 而且这种新技术正以极大的魅力吸引着众多的科技人员致力研究, 其发展前景无限美好。下述课题的研究有可能成为全息术研究的热点。1) 白光记录和白光再现的全息图将使全息术最终走出实验室, 进入更广泛的实用领域。2) 干涉计量用全息彩虹相机的研究, 研制出结构简单且实
13、用的全息照相机; 数字全息图的研究。3) 模压光栅全息图的研究。这是将飞速发展的计算机技术引进模压全息工业的杰作, 制作三维物体以及二维、三维物体混合的模压光栅全息图,将成为全息工作者要解决的问题。4) 纳米级精度光学全息元件的研究。这是个学科交叉的课题, 需要有相关技术与全息技术相结合才能完成。5) 寻找制作全息电影和全息电视的简捷。6) 全息显微术：全息显微术广泛应用于医学、生物学、科研等方面。7) 全息显示：全息显示是指利用全息照片来重现十分逼真的物体的三维图像。南京航空航天大学 理学院 梁玲 05081465558) 全息干涉计量：目前, 全息干涉计量分析在无损检验、尺寸形状和等高线的
14、检测、振动分析等领域中已得到广泛的应用。全息干涉计量是全息应用的一个重要领域。9) 全息信息存储：光全息存储是依据全息学的原理, 将信息以全息照相的方式存储起来,光全息存储不仅容量大, 而且数据传输速率高, 寻址时间短, 比其它任何一种同时具有这些优点的信息存储技术更接近实用化阶段。10) 计算全息：计算全息图的物波不是来自真实物体的光波,而是人们利用计算机算出的假想物体的物波函数物波的光场分布。通过计算机制成的全息图, 可将数量巨大的组合图像进行记录, 并能很好地平衡其颜色, 为电子文档和图像处理系统开辟了崭新的前景。11) 模压全息：目前, 很多国家的护照、身份证、信用卡、商标、商品包装上
15、都用模压全息作为防伪标识,并不断推出新技术打击伪造者。12) 在医学中的应用：全息以它独特的优点解决了许多其他技术难以解决的问题, 为疾的诊治做出了贡献。激光全息技术首先在眼科疾病诊治的应用中获得了成功, 一张全息照片所提供的信息相当于480 张普通眼底照片所提供的信息。超声全息可用于医疗上的透视等。13) 军事领域的应用：全息技术可以弥补一般的空中、水下监视系统的不足。例如, 一般雷达系统只能探测到目标的远近、方位和运动速度等, 而全息监视系统能提供目标的三维图像。这在国防军事上具有重要意义, 因为及时识别目标是飞机还是导弹, 是潜艇还是鱼雷, 对采取对策极为重要。全息术应用于军事将使通讯、导航、定位检测等技术发生实质性的变化。全息术是正在蓬勃发展的光学分支, 其应用正向纵深方向发展, 已渗透到多个领域, 成为近代科学研究、工业生产及经济建设中有效的测试工具。全息术是一门正在蓬勃发展的光学分支, 近年来已渗透到社会生活的各个领域并被广泛地应用于近代科学研究和工业生产中, 特别是在现代测试、生物工程、医学、艺术、商业、保安及现代存储技术等方面已显示出特殊的优势。随着全息技术的快速发展, 全息技术的产品正越来越多地走向市场、应用于现代生活中。
