CGH计算全息

信息光学课程设计报告题目：基于迂回相位编码的CGH及其实现专业班级：时间：组员：指导教师：完成日期：基于迂回相位编码的CGH及其实现摘要计算全息作为一种灵活的、全新的全息方式已经得到了极为广泛的研究和发展，在诸多的领域中都有广泛的应用。计算全息是将通信编码技术引入到光学全息中，利用计算的方法对物光的复振幅进行编码，实现全息的制作。光学全息采用干涉的方法，将复振幅的相位信息编码为干涉光场光强的分布，实现复函数到实函数的转换。计算全息则采用编码的方式将复函数转换为实函数。编码的方法有两种，一种是利用二维脉冲编码方式分别对振幅和相位进行编码，得到两个实函数；另一种则是仿照光学全息，引入离轴参考光，计算干涉光场的强度分布，再记录该光场达到转换的目的。我们这里采用的第一种方式。首先对待记录的图像进行傅立叶变换，再利用迂回相位编码法分别对振幅和相位进行编码，得到二元的二维全息图。模拟再现时则仿照光学全息再现，对全息图进行傅立叶逆变换，得到再现图像。关键词：计算全息光学全息编码DetourphaseencodinganditsimplementationbasedCGHAbstract:newholographicapproachhasbeenveryextensiveresearchanddevelopmentinmanyfieldshaveawiderangeofapplications.CGHisacommunicationcodingtechnologyintoopticalholography,usingthemethodofcalculationofthecomplexamplitudeoftheobjectbeamisencodedachieveholographicproduction.Opticalholographicinterferometrymethodusingthephaseinformationcodingforthecomplexamplitudeoftheinterferencefieldintensitydistributionoflighttoachieveacomplexfunctiontoconvertrealfunction.CGHcodingmethodisusedtoconvertthecomplexfunctionofarealfunction.Codingmethodsaretwo,oneistheuseoftwo-dimensionalcodingschemepulseamplitudeandphaserespectivelyencodegettworealfunctions;anotherismodeledopticalholography,off-axisreferencebeamisintroducedtocalculatetheinterferencelightfieldintensitydistribution,andthenrecordthelightfieldtoachieveconversionpurposes.Thefirstwayweusedhere.TreatmentoftheimagerecordingofthefirstFouriertransform,andthenusethedetourphasecodingmethod,respectively,theamplitudeandphaseencodingtoobtainabinarytwo-dimensionalhologram.ThemodeledanalogreproducingopticalholographicreproductionofholograminverseFouriertransformtoobtainareproducedimage.Keyword:solographyComputer-GeneratedHologramcoding1引言本设计目的在于帮助掌握光学全息记录及再现原理，掌握CGH的编码方法和实现过程。通过对黑白图像傅立叶变换全息的CGH制作，掌握数字图像的数据结构、处理方法、读写和存储、显示。2原理描述2.1光学全息2.1.1研究背景全息术[1]最初是英国籍匈牙利科学家丹尼斯。盖博（DennisGabor）于1948年提出来的，他的目的是想利用全息术提高电子显微镜的分辨率，在布拉格（Bragg）和策尼克（Zernike）的研究基础上，盖博找到了一种避免相位信息丢失的技巧。但是由于这种技术要求高度相干性及高强度的光源而一度发展缓慢。整个20世纪50年代，一些科学家大大扩展了盖博的理论并加深了对这一新的成像技术的理解。知道1960年第一台激光器的诞生，解决了相干光源的问题，继而在1962年美国科学家利思（Leith）和乌帕特尼克斯（Upathniekes）提出来离轴全息图以后，全息技术的研究日趋广泛深入，逐渐开辟了全息应用的新领域，成为近代光学的一个重要分支。纵观历史，全息技术的发展了氛围四个阶段：第一阶段是萌芽时期，使用汞灯做光源，摄制同轴全息图，称为第一代全息；第二阶段是用激光记录、激光再现的离轴全息图，称为第二代全息；第三阶段是激光记录，白光再现的全息图，称为第三代全息，主要包括白光反射全息、像全息、彩虹全息、真彩色全息及合成全息等，使光全息术在现实里与充分展现其优越性；第四阶段是白光记录、白光再现的全息图，称为第四代全息，这是一个极具诱惑力的方向，正在吸引着人们去研究、去探索。2.1.2光学全息的应用随着光学全息术的发展，全息照相技术的应用领域已经越来越广泛，如今它已经被应用在以下领域中。全息显微术、全息显示、模压全息、全息干涉计量、全息信息存储，以及在医学和军事领域的应用。现在主要介绍一下以下应用：全息显微术是全息与显微相结合的技术[4]。与一般显微术相比,其优点是能存储标本物整体,无须制备标本物的切片。尤其是对一些活的标本物,它可以用高功率的连续光或脉冲激光拍照全息图,长期保存,再现像具有立体性,能显示样品的细节。全息显微术主要有2种形式:一种是将全息术和显微镜结合,称为“全息显微镜”,解决了一般显微镜中分辨本领与景深的矛盾,避免了像差影响而达到很小衍射极限,可以获得更大的视野;一种是利用全息图本身的特性来进行放大,称为“全息放大”。如果在拍摄和显示时,采用不同波长,衍射角不同,这等于将全息图作了相应的调整,可以实现图像放大。全息显微术广泛应用于医学、生物学、科研等方面。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。这个领域是商业价值较高的领域,尤其是白光再现全息术,它是走出实验室的最实用的全息术。现在民品开发主要集中在全息显示领域,把一些珍贵的文物用这项技术拍摄下来,展出时可以真实地立体再现文物,供参观者欣赏,而使原物妥善保存,防止失窃。大型全息图既可展示轿车、卫星以及各种三维广告,亦可再现人物肖像、结婚纪念照。小型全息图可以戴在颈项上形成美丽装饰,它可再现人们喜爱的动植物,如多彩的花朵与蝴蝶等。用于全息显示的全息图主要有菲涅耳全息图、像全息图、反射全息图、彩虹全息图、合成全息图等。这些图片可用于投影、室内装潢、舞台布景、建筑等;层面X射线照相术、3DCA技术、3D动画片等充分展示了全息术的创造性魅力和艺术美。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,利用2个光波之间的耦合和解耦合把信息存储和信息之间的比较(相关)、识别,甚至联想的功能结合起来,也就是可以把信息存储和信息处理结合起来。全息信息存储是20世纪60年代随着激光全息发展而出现的一种全新的存储方式。其特点是大容量、高密度、高衍射效率、低噪声、高分辨率和高保真度。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。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。可以先由计算机算出假想物体的物波与参考波相干叠加的光强分布,再由计算机绘图仪把算出的干涉图形画出来,将模拟的干涉图样绘制和复制在透明胶片上。这种计算机合成的全息图称为计算全息图。目前,计算全息的主要应用范围是:产生特定波面用于全息干涉计量、二维和三维物体像的显示、激光扫描器、数据存贮及在光学信息处理中用计算全息制作各种空间滤波器等。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。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。2.2计算全息2.2.1物光信息的采集由于要采用计算机进行处理，因而物光信息的采集是指确定物光信息的函数形式，一般表现为复振幅透过率函数（或反射率函数）。对于实际存在的物体，可利用扫描仪或数字摄像机进行数据采集。而对于那些不存在的物体，可将函数形式直接从键盘输入计算机。一般情况下，物函数多为空间连续分布函数。为适应计算机处理，必须利用抽样定理将其离散化。这里考虑抽样点的选取问题。满足关系式如下ＭＮ＜＝∆Ｘ∆Ｙ∆ƒｘ∆ƒｙ．式中，M、N分别为xy、方向上的抽样单元数；∆Ｘ和∆Ｙ为物体的空间宽度；∆ƒｘ和∆ƒｙ是其频带宽度。2.2.2物光信息的处理算机完成这种变换。对于不同的全一般采用快速傅里叶变换。由于傅里叶变换全息图图平面上的函数的抽样数不少于物函数的抽样数。2.2.3信息的编码就是借Ht图叫干涉型计算全息图。另一种编码方式是迂回相位法。它利用全息图上两个独立的独特在一个抽样单元内用一个长方形透明孔来反映物函数在这一点的值。2.2.4计算全息的应用计算全息[2]的应用主要有以下几种：三维图像显示，计算全息元件，光学检测。三维显示。制作全息元件主要是具有制作特殊功能的元件。如用于校正普通全息元件像差用的像差校正器用于搜索和捕捉小目标的激光扫描器用于数据储存中进行编码的相移器制作特殊的全息透镜各种要求在透镜焦面上的聚焦线如分划板上的十字叉丝。与以光学方法制作的全息光学元件相比，计算全息光学元件有很多优点。首先很容易被集成为以计算机为基础的光学设计程序。因此，可以使用光线追迹确定成像质量。其次，记录光束和成像光束的性质几乎不需要有什么假设条件第三即使记录波长和再现波长之录过程比较简单并且可以提供一个有效地、几乎无像差的像。使用计算全息元件的重要的优点之一是设计时记录光束可以通过解析的方法确定。因为其不存在对记录波长的限制。评价计算全息元件性能的准则有三个空间带宽积、波前质量及其效率。在光学检测中常常使用干涉计量法。如对非球面透镜或非球面反射镜的质量助标准波面。计算全息术可以很轻松地解决这类问题并且精度很高。3制作流程由于傅立叶谱的能量主要集中在0频周围，且其动态范围很大，如果直接对图像做傅立叶变换，并对频谱编码会导致大部分频谱丢失，所以利用傅立叶变换的位移性质，对图像乘上一个随机相位，即可改变频谱能量分布，但该随机相位不会影响图像的强度分布。4制作过程4.1.1制作方法由于计算全息图通常都用光学方法实现拨钱再现，因而存储手段必须与此相适应。信息存储的方法很多，最普通的一种是用计算机绘图仪将计算机处理的结果直接画在纸上，然后用精密照相机拍摄在照相机底版上，适当放大或者缩小到核实尺寸，制成使用的光学全息图[3]。对于迂回编码法行程的政府性全息图，可以用此法。此外，还可用图形发生器，光绘图仪，显微密度仪，激光光束扫描记录装置等来制作。4.1.2CGH的编码PI=3.14159;Image=imread('E:\123.jpg');输