实验25 数字全息及实时光学再现实验

实验二十五数字全息及实时光学再现实验近代物理实验郑州大学物理实验中心Dr.DennisGaborsignsacopyoftheMuseumofHolography'sinauguralexhibitioncatalogue,ThroughTheLookingGlass,duringhishistoricvisittothemuseumonMarch17,1977.(PhotobyPaulD.Barefoot)实验背景1948，D.Gabor,提出了“波前重现”（Anewmicroscopyprinciple,Nature）(Nobelprize)1962,LeithENandUpatnieksJ.,离轴全息术（Reconstructedwavefrontsandcommunicationtheory.JOSA）1967,J.W.GoodmanandR.W.Lawrence,数字全息术（DigitalImageFormationfromElectronicallyDetectedHolograms“,Appl.Phys.Lett.）1994,U.Schnars,W.Juptner,第一张数字全息图（DirectrecordingofhologramsbyaCCDtargetandnumericalreconstructionFormationfromElectronicallyDetectedHolograms“,Appl.Phys.Lett.）(a)ConventionalopticalholographyobjectbeamBeamsplitterLaserPhaseshifterobjectbeamBeamsplitterCCDLaserPhotographicplate(b)DigitalholographyPhaseshiftingtechniqueismoreeasilyimplementedinDH.referencebeamDIGITALHOLOGRAPHY:RECORDING(a)ConventionalopticalholographyVirtualimageBeamsplitterLaser(b)NumericalreconstructionwithcomputerProcessedphotographicplateDIGITALHOLOGRAPHY:RECONSTRUCTION数字全息技术是光学与光电技术、数字计算机技术的结合，用CCD记录全息图，并通过计算机数值模拟光学衍射过程再现物光波前，可实时再现逼真的三维物体。数字全息技术实现了全息图的记录、存储、传输和再现的完全数字化，可通过网络实时传输和异地显示，而且可以方便低消除像差、噪声等影响。在生物细胞成像、工业无损检测等方面具有广泛的应用前景。数字全息术的应用（瑞士）E.Cuche2002-2004神经细胞菲涅耳重建0.5xm人体活细胞（德）B.Kemper2004肝癌细胞（活）0.85xm（美）M.K.KimSPIE2006d=7角谱再现2.2μmx卵巢癌细胞μm（意）P.FerraroOpt.Exp.2006菲涅耳重建0.5xmMEMS(双压电晶片悬臂）西北工大天津大学北京工大实验目的1、理解数字记录、光学记录、数字再现、光学实时再现2、理解计算模拟全息原理，实现数字记录，数字再现3、理解可视数字全息原理，在空间光调制器上加载计算模拟全息图，利用再现光路恢复物信息，实现数字记录，光学再现4、理解实时传统全息实验原理，了解与传统全息之间的异同，通过空间光调制器再现全息图，完成光学记录，光学再现5、探究数字全息在测量方面的应用实验原理2*2**0(,)(,)(,)hxyuxyrxyuuRurur1.全息图记录：(,)uxyCCD平面物光波(,)rxyCCD平面参考光波要求：①满足Nyquist抽样定理，即一个条纹周期的抽样数至少为2对记录距离、参考光偏置、物场大小提出了要求全息图分类：同轴、离轴菲涅耳全息；同轴、离轴无透镜傅里叶变换全息；像全息(+MO无透镜傅里叶变换全息情况）零级项+1级项-1级项②对离轴全息需同时满足分离条件2.物光波重建：*(,)(,)uxyrxy200(,)oxy(,)uxy逆向传播得到聚焦像：(,)uxy畸变矫正00(,)oxy(,)rxy原始物光场位相恢复：原始物光场强度分布0000Im((,))argtanRe((,))oxyoxy原始物光场位相分布（包裹位相）ℱ①记录图1无透镜傅里叶变换全息图记录示意图离轴无透镜傅里叶变换全息：离轴无透镜傅里叶变换全息：220(,)exp()(,)2xyjkuxyxyOffz2200000(,)(,)exp()2jkOxyFoxyxyzF00,xyxyffzz二维傅里叶变换2200(,)exp2rrjkrxyRxxyyz2220(,)hxyurRuurru22000(,)exp()()2xyrrrrjkjkOffRxyxxyyzzCCD平面物光场：CCD平面参考光场：全息图：基于菲涅耳衍射22220000(,)exp()()2xyrrrrjkjkRuOffRxyxxyyzz离轴无透镜傅里叶变换全息：②再现：会聚球面波照明再现光路图2无透镜傅里叶变换全息图再现示意图实共轭像实原始像离轴无透镜傅里叶变换全息：220(,)exp()2jkCxyxyz220(,)exp()(,)2iiiijkUxyxyFhxyz像光场复振幅分布011(,)(,)(,)iiiiiiUxyUxyUxy1(,)iiuxy实原始像复振幅222010exp()()4(,)2iririijkxxyyzJxyz2200(,)exp()2xyrrjkOffRxyz1(,)iiJxy0000exp()exp()rriijkjkxxyyxxyydxdyzz200()(,)ririzRoxxyy220exp(22)2iiirirjkxyxxyyz再现参考光像光场强度分布(,),iiIxyFhxy基于菲涅耳衍射1(,)iiJxyFur离轴无透镜傅里叶变换全息：实共轭像复振幅22110(,)exp()()(,)2iiiririijkuxyxxyyJxyz22100(,)(,)exp()2iixyrrjkJxyOffRxyz0000exp()exp()rriijkjkxxyyxxyydxdyzz222000()(,)exp()()2iriririrjkzRoxxyyxxyyz基于菲涅耳衍射注：也可以利用准直光再现即(,)1Cxy记录光路结构简单；能够充分利用CCD的有限带宽；允许的最小记录距离与被测量物体的大小成正比；强度再现像准确、重建速度快；无透镜傅里叶变换全息的优点实验内容与步骤本实验系统对全息技术做出了全面地展示，具体有一定前沿性和综合性。如果从全息角度区分，实验内容包括计算机模拟全息、数字全息、可视数字全息、实时传统全息。如果从记录方式和光学再现方式的角度区分，实验内容可分为数字记录，数字再现；光学记录，数字再现；数字记录，光学再现；光学记录、光学再现。图—给出了实验内容的整体规划示意图。图6数字全息整体实验方案数字再现光学记录数字记录光学再现全息图数字摄像机计算机计算机空间光调制器1、计算机模拟全息（数字记录，数字再现）计算模拟全息分为两个过程，第一是通过计算机计算出一副图片的全息图，第二个过程仍然是通过计算机将全息图重建，重建之后就能得到初始的图片。根据实验原理编写程序，下面给出程序演示结果，打开“VCIP.exe”1）读取文件，在菜单栏点击“文件—打开”，如图7所示，物信息图片尺寸为1024*1024，一般的物信息尺寸在整尺寸的四分之一或者五分之一，点击图片，“打开”有会有下图。2）点击菜单栏中的“全息系统—计算全息模拟”会有下图的参数设置。在模拟时可以不更改默认参数。放大率一栏一般为1。也可更改现有参数比如记录距离调整为500mm，物体大小20mm，放大率为1.3）点击“OK”，程序会自动运行，随后输出下图全息图4）点击菜单栏中的“全息系统—菲涅尔全息数字重建”会弹出参数对话框，再现参数要和模拟参数相同，点击“OK”，软件计算之后会将重建结果输出到屏幕上，有下图结果。如果再现参数（再现距离和记录波长）与记录参数不用得到的图像会变模糊。图中左上角白框中圈出的“大恒”字便是重建结果。2、可视数字全息（数字记录，光学再现）可视数字全息分为两个过程，一是将一副图片通过计算软件得到其全息图，二是将得到的全息图加载到空间光调制器上，在光路中将物信息再现出来。1）仍以图“大恒”为例讲述本实验过程，图片为1024*1024，打开操作软件，在软件中加载此图片：2）参考实验1中获得全息图的方法，可得到下面得到“大恒”的计算全息图，如下图，将图像存储到指定文件夹中，图片大小为1024*1024，格式为bmp，记录距离为100mm，物体大小20mm条件下的全息图。3）搭建下图所给光路，依次调整激光器、扩束系统、准直系统、空间光调制器、凸透镜和摄像机，保证各器件同轴等高，凸透镜可紧挨空间光调制器。4）调整电脑分辨率为1024*768使其与空间光调制器匹配，将采集的全息图通过电脑加载到空间光调制器上。5）当再现光源入射到空间光调制器上，调整圆形可调衰减器和摄像机的采集时间，在摄像机上可以看到再现像，如下图所示，调整凸透镜与空间光调制器的距离能改变再现像的大小。3、数字全息（光学记录、数字再现）数字全息整个分为两个过程也分为两个过程，第一个过程是通过光路获得全息图光路，第二个过程是数字再现。1）透射数字全息获得可以通过搭建马赫曾德干涉光路获得全息图。调节光路，根据下图透射光路示意图将激光器、扩束准直系统、分束镜、反射镜以及合束镜，使各元件等高同轴。2）通过调整合束镜。可以改变条纹疏密，待条纹较密但人眼仍可分辨时即可。3）摄像机与待测物的距离可有公式确定,，式中为物体尺寸的4倍，是光波长，d为记录距离，p为CCD的像元尺寸。其中再现距离长短一是影响再现物的大小，一是影响±1级像与0级分开程度；条纹疏密主要影响±1级像与0级分开程度，条纹越密分开角度越大，条纹越疏分开角度越小。例如：物体尺寸选27mm，CCD像素选5.2um，光波长用632.8nm,则记录距离应该选大于854mm。实验过程中如使用的激光波长是532nm，待测物大小是3mm，记录距离可选择150mm——250mm。4）调整摄像机的快门速度和增益获得一定灰度的全息，一般来讲，物光和参考光光强相近，单独一束光的灰度大于25即可。例如，确定快门速度为100微秒，增益为1.调整可调圆形衰减器即可获得合适灰度。5）经摄像机采集后可获得大小为1024*1024的全息图，如下图，将全息图通过数字全息软件便可恢复原物信息。6）再现过程可参考实验1中信息再现部分，首先运行软件之后打开全息图，然后点击菜单栏中的“全息系统—菲涅尔全息数字重建”会弹出参数对话框，再现参数要和光路采集的实际参数相同（记录距离、摄像机参数、记录波长、物体大小），点击“OK”，软件计算之后会将重建结果输出到屏幕上，经软件再现可得如下图的原物信息。4、实时传统全息（光学记录、光学再现）实时传统全息虽然是通过光路记录全息图和通过光路再现物信息，但是整个实验系统已经彻底放弃了干板这种记录介质，实验中利用高分辨CMOS摄像机和空间光调制器实时采