2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——物理學(xué)中的全息成像技術(shù)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題3分，共30分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)。）1.全息成像技術(shù)能夠記錄和再現(xiàn)物體三維信息的關(guān)鍵在于利用了光的：(A)直進(jìn)性(B)反射性(C)干涉和衍射現(xiàn)象(D)偏振現(xiàn)象2.在全息記錄過程中，全息底片上形成的干涉條紋的疏密程度主要取決于：(A)物光和參考光的總光強(B)物光和參考光的強度比值(C)物光和參考光之間的光程差(D)物體的幾何形狀3.對于離軸全息圖，其再現(xiàn)時能夠同時觀察到：(A)只有原始虛像(B)只有共軛實像(C)原始虛像和共軛實像(D)不形成任何像4.與銀鹽全息相比，數(shù)字全息技術(shù)的主要優(yōu)勢之一是：(A)再現(xiàn)像質(zhì)更高(B)記錄過程更簡單(C)可采用白光進(jìn)行記錄(D)易于進(jìn)行后期的數(shù)字處理和計算分析5.能夠在全息圖記錄時使用白光，并能在白光下再現(xiàn)出彩色像的是：(A)同軸全息(B)反射全息(C)傅里葉變換全息(D)白光全息6.全息成像技術(shù)中，通常使用激光作為光源的主要原因是其具有：(A)高功率(B)高亮度(C)良好的相干性(D)紫外特性7.在全息干涉計量技術(shù)中，通過比較物體不同狀態(tài)下的全息圖再現(xiàn)像，可以實現(xiàn)：(A)物體表面形貌的測量(B)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀察(C)光學(xué)系統(tǒng)像差的校正(D)物體運動軌跡的追蹤8.以下哪種全息圖的記錄不需要滿足嚴(yán)格的離軸條件？(A)反射全息(B)透射全息(C)同軸全息(D)傅里葉變換全息9.全息成像的景深相對較淺，其主要物理原因是：(A)全息記錄的光強動態(tài)范圍有限(B)再現(xiàn)光波波長較長(C)物光和參考光之間的夾角較大(D)全息圖的衍射效率不高10.計算全息（Computer-GeneratedHolography,CGH）與記錄全息（RecordingHolography）的根本區(qū)別在于：(A)使用的是不同類型的記錄介質(zhì)(B)再現(xiàn)時需要不同的光學(xué)系統(tǒng)(C)物光波前是實際記錄的還是通過計算生成的(D)所能記錄的物體信息量不同二、填空題（每空3分，共30分。請將答案填在題中的橫線上。）1.全息成像技術(shù)記錄的是物體的__________光波前信息，通過衍射再現(xiàn)該光波前，從而重構(gòu)物體的三維圖像。2.為了獲得高質(zhì)量的全息圖，物光和參考光必須滿足相干條件，即它們必須具有相同的__________和穩(wěn)定的__________。3.全息圖的記錄過程本質(zhì)上是一種__________記錄，它將物光波前的振幅和相位信息都編碼在干涉條紋的強度分布中。4.全息圖的衍射現(xiàn)象遵循惠更斯-菲涅耳原理，其中__________原理指出，衍射場在遠(yuǎn)場區(qū)域內(nèi)可以看作是無窮多次級波疊加的結(jié)果。5.數(shù)字全息技術(shù)使用CCD或CMOS相機直接記錄物光和參考光的__________圖像，然后通過計算機進(jìn)行__________處理以恢復(fù)物光波前信息。6.傅里葉變換全息圖（FTH）的記錄通常采用物光和參考光夾角較小的幾何布置，其再現(xiàn)像通常位于__________像平面上，并且像的復(fù)現(xiàn)與物平面坐標(biāo)存在__________關(guān)系。7.全息干涉計量技術(shù)中，通過分析物體變形前后兩次記錄的全息圖再現(xiàn)的干涉條紋，可以獲取物體表面__________或__________的信息。8.白光全息圖雖然記錄困難，但其在信息存儲容量和__________顯示方面具有獨特的優(yōu)勢。9.全息成像技術(shù)能夠提供真實的__________感和__________感，使觀察者可以獲得類似真實場景的三維視覺體驗。10.計算全息技術(shù)可以通過計算機模擬生成任意復(fù)雜的物體光波前，并輸出相應(yīng)的__________數(shù)據(jù)，用于驅(qū)動空間光調(diào)制器（SLM）等設(shè)備進(jìn)行動態(tài)全息顯示。三、簡答題（每小題8分，共32分。）1.簡述全息成像與普通照相成像在記錄信息方式上的主要區(qū)別。2.解釋什么是全息圖的景深，并簡述影響全息圖景深的主要因素。3.簡述數(shù)字全息記錄和再現(xiàn)的基本過程，并與傳統(tǒng)銀鹽全息的記錄和再現(xiàn)進(jìn)行比較。4.簡述全息干涉計量技術(shù)的基本原理，并說明其在光學(xué)元件檢測或材料應(yīng)力分析中的應(yīng)用思路。四、論述題（每小題10分，共20分。）1.結(jié)合光的衍射理論，論述為什么全息成像能夠記錄和再現(xiàn)物體的三維信息。2.討論全息成像技術(shù)目前存在的局限性，并展望其未來可能的發(fā)展方向或與其他技術(shù)的結(jié)合點。試卷答案一、選擇題1.(C)2.(C)3.(C)4.(D)5.(D)6.(C)7.(A)8.(C)9.(C)10.(C)二、填空題1.復(fù)雜2.頻率（或波長）、相位3.干涉4.惠更斯-菲涅耳5.復(fù)數(shù)（或強度）、數(shù)字6.視場、傅里葉變換7.形變、光學(xué)路徑差8.三維9.空間、深度10.全息圖（或衍射圖案）三、簡答題1.解析思路：普通照相基于幾何光學(xué)成像原理，通過透鏡聚焦物體發(fā)出或反射的光，在感光元件上記錄物體各點的光強分布（二維圖像），丟失了光波的相位信息。全息成像則利用光的干涉原理，將物體光波前與參考光波前疊加記錄在全息底片上，干涉條紋的強度同時包含了物光波前的振幅和相位信息，因此記錄了物體的完整光波前。再現(xiàn)時通過衍射，能夠重構(gòu)出原始的三維物光波前，從而觀察到一個逼真的三維虛像。2.解析思路：全息圖的景深是指在全息圖記錄或再現(xiàn)時，能夠保持清晰像的物體（或觀察者）距離范圍。其物理本質(zhì)源于全息成像基于光的衍射。當(dāng)物體距離偏離最佳記錄/觀察位置時，物光波前相對于參考光波前的傾斜發(fā)生變化，導(dǎo)致再現(xiàn)時干涉條紋的間距和取向發(fā)生改變，使得衍射成像模糊。影響景深的主要因素包括物光和參考光之間的夾角：夾角越小，景深越深；夾角越大，景深越淺。此外，記錄光波波長越長，景深也越深。3.解析思路：數(shù)字全息記錄：使用CCD或CMOS相機作為記錄介質(zhì)，同時記錄下物光波前和參考光波前形成的干涉圖樣（通常是復(fù)數(shù)圖像，包含振幅和相位信息），將其數(shù)字化存儲。數(shù)字全息再現(xiàn)：將數(shù)字化后的全息圖數(shù)據(jù)輸入計算機，通過執(zhí)行逆傅里葉變換（或其他相關(guān)算法）處理該數(shù)據(jù)，得到物光波前的復(fù)數(shù)信息，再通過計算生成其強度分布，模擬出原始物光波前的衍射場，從而在屏幕上觀察再現(xiàn)像。與銀鹽全息相比，數(shù)字全息省去了復(fù)雜的化學(xué)沖洗過程，記錄和再現(xiàn)過程數(shù)字化，便于后期處理、存儲和顯示，且易于實現(xiàn)多通道、動態(tài)記錄和計算全息等功能。4.解析思路：全息干涉計量技術(shù)的基本原理是利用全息記錄來精確測量光波的光程差變化。通過記錄物體初始狀態(tài)的全息圖，然后改變物體的狀態(tài)（如施加應(yīng)力、發(fā)生形變、移動等），再次記錄新的全息圖。將兩次記錄的全息圖進(jìn)行干涉（通常是數(shù)字干涉，通過計算疊加），再現(xiàn)時會出現(xiàn)干涉條紋。這些條紋的形狀、位置和密度直接反映了物體狀態(tài)變化引起的光程差變化分布。通過分析這些干涉條紋，可以反演出物體表面的形貌信息（如表面起伏）或光學(xué)路徑差信息（如折射率變化、應(yīng)力分布等）。在光學(xué)元件檢測中，可檢測元件的表面缺陷或像差；在材料科學(xué)中，可測量材料的應(yīng)力分布或微小變形。四、論述題1.解析思路：全息成像記錄三維信息的關(guān)鍵在于記錄了物光波前的完整信息（振幅和相位）。根據(jù)惠更斯-菲涅耳原理，光波在傳播過程中，任意空間點的光場可以看作是波前上無窮多面元發(fā)出的次級球面子波的相干疊加。全息記錄過程，實際上是記錄了物光波前上各點相對于參考光的次級波與參考波的干涉圖樣。這個干涉圖樣（條紋的形狀、疏密、取向）包含了物光波在到達(dá)記錄平面時相位分布的信息，同時也隱含了振幅信息（通過條紋對比度）。再現(xiàn)過程，相當(dāng)于用原始的參考光波去照射這個記錄了物光波前信息的全息圖。根據(jù)衍射理論，全息圖如同一個復(fù)雜的衍射光柵，它將照射在其上的參考光衍射成兩部分：一部分是原始像（零級衍射光，近似沿原物光方向傳播），其振幅和相位分布與原始物光波前相同；另一部分是共軛像（高級衍射光），其振幅和相位分布也與原始物光波前相同，但傳播方向不同。由于再現(xiàn)時參考光與記錄時物光/參考光的幾何關(guān)系得以重現(xiàn)，因此原始物光波前的空間相位信息被精確地重現(xiàn)出來。正是這個被重現(xiàn)的、包含空間相位信息的物光波前，當(dāng)它到達(dá)觀察者眼睛時，能夠模擬出物體在原始位置時發(fā)出的光波效果，從而使得觀察者能夠看到一個具有真實深度和視差的三維圖像。普通照相只記錄了光強（振幅的平方），丟失了相位信息，因此無法提供三維感。2.解析思路：全息成像技術(shù)目前存在的局限性主要包括：1）對光源相干性要求高，通常需要使用激光，限制了其在某些場景下的應(yīng)用和成本；2）景深相對較淺，難以同時清晰地記錄大范圍深度的物體；3）記錄介質(zhì)或探測器動態(tài)范圍有限，難以同時記錄強光和弱光信息；4）全息圖的衍射效率通常不高，尤其是在白光再現(xiàn)時；5）全息記錄系統(tǒng)的搭建相對復(fù)雜，對環(huán)境穩(wěn)定性要求較高。未來發(fā)展可能的方向或與其他技術(shù)的結(jié)合點：1）超構(gòu)材料（Metamaterials）的應(yīng)用，可以設(shè)計具有特殊光學(xué)響應(yīng)的超構(gòu)全息元件，實現(xiàn)超分辨