運(yùn)用數(shù)字全息顯示物體-免費(fèi)閱讀
【正文】 致謝在本論文完成之際，首先要衷心地感謝我的指導(dǎo)老師顧濟(jì)華教授。數(shù)字全息理論及應(yīng)用研究。蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，中國(guó) 蘇州 215006。光學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22（4）：427431。信息光學(xué)[M]，四川大學(xué)出版社，1995。從實(shí)現(xiàn)上看，近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)的改進(jìn)，計(jì)算機(jī)的軟件功能已經(jīng)很強(qiáng)大了，再加上計(jì)算機(jī)的硬件配置的優(yōu)化。在本章中，我們對(duì)數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)光路做了基本分析，并分別對(duì)平面透明物體與三維立體物體進(jìn)行了數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)，并用菲涅耳衍射算法重現(xiàn)了圖像。綜上，在數(shù)字全息中要想獲得較好的重現(xiàn)效果，需要綜合考慮實(shí)驗(yàn)參數(shù)，合理地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)光路。設(shè)物光和參考光在全息圖表面上的最大夾角為，則CCD平面上形成的最小條紋間距為： （31）所以，全息圖表面上光波最大空間頻率為： （32）一個(gè)給定CCD象素大小為，根據(jù)采樣定理，一個(gè)條紋周期要至少等于兩個(gè)象素周期，即，記錄的信息才不會(huì)失真。對(duì)于這個(gè)成像系統(tǒng)，只要在物場(chǎng)給定一個(gè)輸入函數(shù)，就能在像場(chǎng)得到一個(gè)輸出函數(shù)。 全息的記錄是一個(gè)干涉過(guò)程，再現(xiàn)是一個(gè)衍射過(guò)程，在第三章中的實(shí)驗(yàn)中，我們將用此算法重現(xiàn)圖像。 CCD的像素結(jié)構(gòu)設(shè)為像素的積分孔徑，通常CCD的孔徑為矩形形狀，CCD的孔徑表示為，則像素的積分孔徑為： (216)則數(shù)字全息記錄平面(即CCD靶面)上干涉條紋的強(qiáng)度分布為： (217)式中*表示卷積。像素的數(shù)目越高，圖像分辨率就越高，圖片/影像質(zhì)量也越好。并且便于圖像的數(shù)字化儲(chǔ)存和實(shí)時(shí)處理，有利于全息術(shù)更廣泛的應(yīng)用。離軸全息圖不僅可以消除同軸全息圖中共軛像的干擾，還能使成像光波不與零級(jí)衍射光波重疊。第三項(xiàng)正比于物光波復(fù)振幅，再現(xiàn)了原始物光波前，產(chǎn)生原始物體的一個(gè)虛像。而再現(xiàn)了物光波前的共軛波，給出了原始物體的一個(gè)實(shí)像，但是出現(xiàn)了景深反演，即原來(lái)近的部位變遠(yuǎn)了，原來(lái)遠(yuǎn)的部位變近了，通常稱之為贗實(shí)像。另外，中系數(shù)也只能調(diào)制再現(xiàn)光波的振幅信息，這實(shí)際上是再現(xiàn)光波經(jīng)歷分布的一張底片的衍射，使再現(xiàn)光波多少有些離散而出現(xiàn)雜光，這是一種“噪聲”，實(shí)驗(yàn)上可以采取一定的手段來(lái)減小這種噪聲。它的作用相當(dāng)于一個(gè)線性變換器，它把曝光期間內(nèi)的入射光強(qiáng)線性地變換為顯影后負(fù)片的振幅透過(guò)率。 光源S在空間某點(diǎn)P的光振動(dòng)為： （21） 其中r為P點(diǎn)到光源S的距離，為光波自光源S傳到P點(diǎn)引起的相位。該方法同軸全息與離軸全息均適用，去除零級(jí)像與共軛像的效果也好，只是記錄的時(shí)候必須記錄多幅全息圖。如將數(shù)字全息應(yīng)用于力學(xué)變形測(cè)量。數(shù)字重建還可以方便地進(jìn)行數(shù)字聚焦，容易實(shí)現(xiàn)三維觀測(cè)。另外，數(shù)字全息分為記錄和再現(xiàn)。第二代全息術(shù)解決了光源的問(wèn)題，并且在立體成像、干涉計(jì)量檢測(cè)、信息存貯等應(yīng)用領(lǐng)域中獲得巨大進(jìn)展。因此在這十多年中，全息術(shù)進(jìn)展緩慢。這是一種將全息術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和光電成像技術(shù)結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)光學(xué)全息圖的記錄與再現(xiàn)的新型成像技術(shù)。當(dāng)時(shí)，人們以汞燈作為光源，制作出了同軸全息圖（物光與參考光在同一光路上）。即為光柵的兩個(gè)一級(jí)衍射波。直到二十世紀(jì)九十年代中期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和電荷耦合器（charge coupled device, 簡(jiǎn)稱CCD）等高質(zhì)量數(shù)字光敏元件的出現(xiàn)，數(shù)字全息才有一些突破。數(shù)字全息最大的特點(diǎn)就是利用CCD等數(shù)字光敏電子元件作為記錄介質(zhì)，代替了傳統(tǒng)光學(xué)全息中利用銀鹽干板作為記錄介質(zhì)，省去了定影、顯影、漂白等一系列化學(xué)濕處理過(guò)程，使整個(gè)記錄過(guò)程變得數(shù)字化，因此，可以很方便的加入數(shù)學(xué)處理方法，消除相差、噪聲以及干板特性曲線的非線性等因素帶來(lái)的影響，提高全息圖的質(zhì)量?，F(xiàn)有CCD的像素遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)光學(xué)全息用到的干板的像素，因而在全息記錄過(guò)程中必須嚴(yán)格控制物光波與參考光波的夾角。傳統(tǒng)的方法大多是利用光學(xué)全息方法記錄和再現(xiàn)粒子場(chǎng)，然后采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行逐層掃描分析。 全息圖的全息記錄將激光器輸出的光束分為兩束，一束投射到物體上，經(jīng)物體反射或透射，產(chǎn)生物光波，到達(dá)感光板；另外一束投射到感光板上，稱為參考光波。參考光波作為一種高頻載波，它的振幅和位相都受到物光波的調(diào)制，干涉條紋則是參考光波的振幅和相位受到物光波調(diào)制的結(jié)果。全息圖猶如一個(gè)窗口，當(dāng)人們移動(dòng)眼睛從不同角度觀察時(shí)，就好樣面對(duì)原物一樣看到它不同側(cè)面的形象。由于的位相因子一般無(wú)法消除，會(huì)成為并不嚴(yán)格與原物鏡像對(duì)稱的匯聚波，觀察到的是實(shí)像，由于受到的調(diào)制，實(shí)像會(huì)變形，這一項(xiàng)是全息衍射光場(chǎng)的級(jí)光波。(a)所示。另外，因?yàn)橥S全息圖是由透射光場(chǎng)相干而成，其最大的局限還在于我們必須假定物體是高度透明的，否則第二項(xiàng)場(chǎng)分量將嚴(yán)重影響響的質(zhì)量。這也正是離軸全息的最主要的優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)CCD攝像機(jī)拍攝圖像質(zhì)量的好壞取決于像素密度、像素的大小以及像素的深度等因素。比特深度越大，就可以使圖像表現(xiàn)出更多的細(xì)節(jié)和層次。前兩項(xiàng)是全息圖衍射場(chǎng)中的零級(jí)光波。當(dāng)一束光波傳播經(jīng)過(guò)一個(gè)孔徑平面，在孔徑后的衍射光場(chǎng)中，不同平面上會(huì)出現(xiàn)不同的光波圖樣:在緊靠孔徑后的平面上，光場(chǎng)分布基本與孔徑的形狀相同，這個(gè)區(qū)域稱為幾何投影區(qū)。由于數(shù)字全息是使用CCD代替全息干板來(lái)記錄全息圖，因此想要獲得高質(zhì)量的數(shù)字全息圖，并完好地重現(xiàn)出物光波，必須保證全息圖表面上的光波的空間頻率與記錄介質(zhì)的空間頻率之間的關(guān)系滿足奈奎斯特采樣定理，即記錄介質(zhì)的空間頻率必須是全息圖表面上光波的空間頻率的兩倍以上。（3）被大物體折射的光波場(chǎng)通過(guò)一個(gè)透鏡被光學(xué)壓縮。，、為全反鏡，
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