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菲涅尔非相干全息系统的实验研究
菲涅尔非相干全息系统的实验研究
全息术是一种可以记录和再现三维物体形态和光学特性的技术，具有广泛的应用领域；而非相干全息术具有成像简单、成本低廉等优点，是一种常用的全息术形式。本文旨在介绍菲涅尔非相干全息系统的实验研究。
一、基本原理
非相干全息术是指全息图记录时，使用非相干光源进行曝光。非相干光源产生的光波相位是无序的，采用此类光源进行全息图记录，相当于记录了光强度分布规律。这种技术虽然存在较多的相位失真问题，但由于中间的记录过程相对简单，因此非相干全息术成为了一种容易使用、高效率的全息术形式。
菲涅尔全息术是全息术的一种，它是利用物镜后的透镜将物体衍射所产生光波转换为复振幅分布，然后使波透过或落在菲涅尔衍射区域做衍射、干涉、叠加和吸收等作用，最后再通过感光材料记录在全息平面上，形成全息图的过程。菲涅尔全息术处理起来简单，可以直接使用平面感光材料记录衍射场的幅度和相位分布，而且也可以配合计算机辅助重建物体的三维图象。
根据非相干全息术和菲涅尔全息术的原理，将两者结合起来就可以得到菲涅尔非相干全息系统。该系统最初是被用于光束形状的测量，近年来，随着技术的不断发展，菲涅尔非相干全息系统的应用领域也在不断拓展，如光图像信息存储、无人机空拍测量等。
二、实验过程
1.准备材料
制作一个菲涅尔非相干全息系统所需要的材料包括平面感光材料、非相干光源、透镜、物体及其他辅助材料。常见的平面感光材料有光致变色涂料和重铬酸盐乳胶，其主要特点是记录较精细、光波叠加效果良好，但灵敏度较低，对光源的亮度、曝光时间和光源分布均较为敏感。为了保持光源的相干性，可以使用Lasersoft公司生产的激光器；非相干光源可以使用白光LED。
2.制作物镜透镜
利用不同的物镜透镜建立起不同的系统，一般采用的是Fresnel透镜作为物镜透镜。在光路中加入一个透镜，将非相干光发生的自由空间衍射转化为近似乘性干涉，即将相干光转化为了非相干光。采用该透镜，我们可以将平面波转化为球面波，即可以改变透镜前的几何光功率分布图，使光源成为球面光源。
3.制作非相干全息图
使待测物体位于非相干光源和透镜的间距以及平面感光材料的距离的中心位置以便测量非相干全息图像。光源通过透镜后，光滑地照到感光材料上，从而记录下待测物体的透过、反射和暗场等光学特征。曝光时间一般是几十秒至数分钟。然后将感光材料放到药液中浸泡，再经过快速冲洗、干燥和反转等步骤，使记录下的信息定影于感光材料表面。
4.重建物体
在显微镜下观察干涉图像，测量干涉环的半径，通过算法重建出待测物体的三维像，便可以得到待测物体的三维重构图。
三、实验结果和分析
实验结果表明，本文所搭建的菲涅尔非相干全息系统能够用于记录物体的光学形态，并且重建出物体的三维形态。在实验过程中，我们发现光源亮度、曝光时间和物体的距离对系统的重建效果都有一定的影响。光源亮度越高，重建图像的清晰度也越高；同时，曝光时间越长，重建图像的信噪比也越好。当物体与感光材料的距离过大时，所记录下的信息被称为“远场衍射条带”，重建图片会失真。因此，在实际应用中，应尽量将物体与感光材料的距离控制在最佳范围内。
四、总结
本文主要介绍了菲涅尔非相干全息系统的基本原理和实验过程，并给出了实验结果和分析。从实验结果中可以看出，搭建此系统可用于记录物体的光学形态，并进行三维物体重构。同时，本系统具有成像简单、成本低廉等优点，使其成为近年来应用比较广泛的全息术形式。但该技术也存在一些问题，如中间记录过程会出现相位失真等问题，这需要在实际应用中加以注意。