数字全息术及其应用

1数字全息术及其应用王应健1472354723目录一全息技术概述及其原理二数字全息技术三研究现状分析与总结4第一部分全息技术(Holography)概述及其原理1全息技术的起源2全息技术的原理3全息图的分类及特点4全息过程的相关理论5全息图的实际应用6全息技术的发展趋势51全息技术(holography)的起源最初由英国科学家丹尼斯·伽柏（DennisGabor）于1948年提出来。目的：利用全息术提高电子显微镜的分辨率。但全息照相理论创建之后经过了漫长的发展过程。主要原因之一：缺少适用的具有足够相干性和高度单色性的照明光源。1960年，激光器的问世克服了这个障碍。且激光器的迅速实用化以及离轴全息照相术的发展，消除了在观察同轴全息图再现像时，因虚像和实像相互干扰而降低像质的影响，使拍摄反射物体的全息像成为可能，从而能实现对漫反射物体的全息干涉计量。DennisGabor61960年梅曼研制成功了红宝石激光器。1961年贾范等制成了氦氖激光器，产生了一种全所未有的优质相干光源。1962年美国科学家E.N.利思和J.乌帕特尼克斯用激光器对伽柏的技术做了划时代的改进，全息术的研究从此获得了突飞猛进的发展。近40年来，全息技术的研究日趋广泛深入，开辟了全息应用的新领域，成为近代光学的一个重要分支。72全息技术的原理第一步：利用干涉原理记录物体光波信息。即拍摄过程：被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束；另一部分激光作为参考光束射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度。从而利用干涉条纹间的反差和间隔，将物体光波的全部信息记录下来。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后，便成为一张全息图或称全息照片。82全息技术的原理92全息技术的原理第二步：利用衍射原理再现物体光波信息。即成象过程：全息图犹如一个复杂的光栅，在相干激光照射下，一张线性记录的正弦型全息图的衍射光波一般可给出两个象，即原始象和共轭象。再现的图像立体感强，具有真实的视觉效应。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像。通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像，而且能互不干扰地分别显示出来。102全息技术的原理113全息图的分类及特点1、按着制作方法2、按着光路结构3、按着再现方式4、按着实际用途光学记录全息图计算机像素全息图同轴全息图离轴全息图单色光全息图复色光全息图反射全息图相面全息图彩虹全息图假彩色编码全息图真彩色编码全息图角度多路合成全息图多通道全息图普通：检测,存储等特殊：加密，防伪等12同轴全息和离轴全息比较：同轴：记录再现13离轴：记录再现141、图像是三维立体图。2、得到的是彩色图片，永不变颜色。3、不可撕毁性（冗余度大）：每一部分都能再现原物的整个图像。4、一次拍摄，可以得到两个图像：原始像和共轭象。全息图的基本特点：15全息照相普通照相全息照相过程分记录、再现两步，它是以干涉、衍射等波动光学的规律为基础的。普通照相过程是以几何光学的规律为基础的。全息图所记录的是物体各点的全部光信息，包括振幅和相位。普通照相底片记录的仅是物体各点的光强（或振幅）全息照相过程中物体与底片之间是点面对应的关系，即每个物点所发射的光束直接落在记录介质整个平面上。反过来说，全息图中每一个局部都包含了物体各点的光信息。普通照相过程中物像之间是点点对应的关系，即一个物点对应像平面中的一个像点。16全息图能完全再现原物的波前，因而能观察到一幅非常逼真的立体图像。普通照相得到的只能是二维的平面图像。全息照相是干涉,因此要求光源有很高的相干性。光源的相干长度越大、波前上相干区越大，就能越有效地实现全息照相。普通照相只是像的强度记录，并不要求光源的相干性，用普通光源就可以了。全息照相普通照相17全息图片18全息图片19全息过程的数学描述：（1）记录过程：)],(exp[R),R()],(exp[),O(R00yxiyxyxiOyxo参考光的复振幅：物光波的复振幅：在记录平面上接收到的光波复振幅为：),(),(yxOyxRA所以，求得合光强为：）（1),(cos2)],(),(cos[2)],(),()][,(),([**2yxIIIIyxyxIIIIyxOyxRyxOyxRAIoRoRoRoRoR。。。。（1）),(cos2yxIIIIoRoR4全息过程的相关理论：20等式（1）又可化为：）（2)],(cos1[),(00yxVIII。。。（2）这里,（2）式中的表示物光和参考光的强度之和，表示干涉条纹的反衬度。oRIII0oRoRIIIIV2另外，根据光路结构参数，通过求解，可以得到干涉条纹的空间频率：),(yx）（32/sin2。。。（3）例，λ=632.8nm,θ=4001100条/mm21◆由等式（1）可推得全息图永不变色。◆由等式（2）可推得全息图的再现像是三维立体的。◆由等式（3）可推得全息图不可撕毁。设再现光波为：，再现出来的全息像的复振幅分布为：)],(exp[),(yxiCyxCco共轭象原始像再现光波),(),(~),(yxIyxCyxi这样，就解释了全息图的第四个特点(两个像)。225全息图的实际应用：1、全息图像显示：照片；图片；邮票；书籍、杂志的封皮与插页等。2、包装和防伪：产品的包装、标牌和商标；饰品；广告；人民币；银行卡；居民身份证等。3、全息计量技术：（两次曝光法；时间平均法）面内和离面位移测量；残余应力测量；振动模式测量；气流分布测量；粒子大小和分布测量等。4、全息元件：光栅；透镜；波带片等。5、光学信息处理技术：图像识别；图像的消模糊和边缘增强；图像的假彩色编码。23全息无损检测：一般是在被检测的元件上轻微激励，并在加力前后记录二次曝光全息图（或时间平均全息图），如元件存在缺陷，就会使其表面产生不规则的形变，从而使在该处的干涉条纹图样也发生不规则的变形。通常采用下列四种加力或激励形式：1)直接机械加力；2)加压或抽真空；3)加热或冷却；4)振动激励。目的是要确定裂缝、空隙、脱胶、脱层、残余应力、配合不良或尺寸不准以及材料的非均匀性等缺陷的位置和尺寸246全息技术的发展方向：1、全息元件：一些特殊作用的全息元件研制等。2、全息加密技术：如何进一步提高全息图的技术含量。3、全息计量技术：（非线性曝光；增加光程差）如何进一步提高测量的精度；干涉条纹的自动识别和判读的问题。4、白光全息技术：克服相干光的缺点（相干噪声大、能量损失大4%0）提高全息图质量。255、全息技术的新方法：随着计算机、光机电一体化等技术的发展，又产生了新的全息技术。（1）计算全息术(CGH-ComputerGeneratedHolography):光学全息技术中引入计算机技术，利用计算机的数值计算来模拟物波模型函数和光学干涉函数.（2）数字全息技术(DH-DigitalHolography)26第二部分数字全息术（DH-DigitalHolography）1数字全息技术的原理2数字全息技术的应用3数字全息技术的研究现状271数字全息技术的原理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/CMOS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，而且可以方便消除像差、噪声等影响。在生物医学成像、工业无损检测等方面具有广泛的应用前景。28(a)ConventionalopticalholographyobjectbeamBeamsplitterLaserPhaseshifterobjectbeamBeamsplitterCCDLaserPhotographicplate(b)Digitalholographyreferencebeam1.1数字全息技术与传统光学全息技术的比较：图像记录29(a)ConventionalopticalholographyVirtualimageBeamsplitterLaser(b)NumericalreconstructionwithcomputerProcessedphotographicplate图像再现301.2数字全息术的优点用光电图像传感器记录全息图，灵敏度高，响应速度快，因此能够记录运动物体的各个瞬时状态，且对稳定性的要求大大降低，扩展了全息术的应用范围。省去了繁琐的化学湿处理过程，所记录的数据直接由数据采集卡经A/D转换和量化后送到计算机进行处理，提高了效率，可用于需要实时处理的场合;可以直接得到记录物体再现像的复振幅分布，物体的表面亮度和轮廓分布都可通过复振幅得到，因而可方便地用于实现多种定量测量;采用计算机数字再现，可方便地对所记录的数字全息图进行图像处理，减少或消除在全息图记录过程中的噪声等因素的影响。311.3数字全息术的分类目前最基本的数字全息类型分别为:菲涅耳数字全息,傅里叶变换数字全息无透镜傅里叶变换数字全息,像面显微放大数字全息。321.3.1菲涅耳数字全息记录的是研究对象的衍射光波与参考光波的干涉图,物体不需要经过变换和成像透镜,只要物体到记录CCD的距离满足菲涅耳衍射距离要求,实验光路简单易调节,在数字全息研宄中被广泛应用和研究。331.3.2傅里叶变换数字全息主要特点：它记录的不是物光波本身，而是物光波变换的傅里叶频谱，光波通过透镜后焦面的光场分布是其前焦面光场分布的傅里叶变换，利用此原理，可以推出傅里叶变换全息图的强度分布。341.3.3无透镜傅里叶变换数字全息记录的干涉光强是位置的有关函数，只是在推导中方便应用了傅里叶变换，在记录过程中没有经过透镜。相对平面波参考光而言,利用球面参考光波记录的干涉图空间频率降低,易满足CCD采样条件,因而可以记录相对大些尺寸物体的数字全息图。351.3.4数字显微像面全息把光学显微术和数字全息术结合一起的技术,它无损检测、高分辨率成像、快速探测等优点,被研宄人员广泛应用于诸如生物细胞测量、微观粒子测量与跟踪等不同领域的微观结构测量,同时实用化数字全息显微仪也己问世。数字显微像面全息记录坐标系统变换示意图361.3.2数字显微像面全息372数字全息术的应用1工程问题的无损检测。2生物医学中的无损检测。3固体力学中的无损检测。4粒子场测量5定量处理6其他38（瑞士）E.Cuche三维生物医学显微镜神经细胞菲涅耳重建人体活细胞2.1数字全息术的应用举例：392.1数字全息术的应用举例（德）B.Kemper肝癌细胞检测402.1数字全息术的应用举例（美）M.K.KimSPIE卵巢癌细胞412.1数字全息术的应用举例菲涅耳重建（意）P.FerraroOpt.Exp.MEMS(双压电晶片悬臂）422.2数字全息术的实例分析2.2.1数字全息技术在生物医学成像和分析中的应用要求：在生物医学研究中，对生物细胞在玻璃器皿培养液内和在自然条件下进行可视化观测，期望获得细胞的结构形态、动态特性、生理学参数、细胞间的相互作用、细胞对药物的反应和药物输运等信息，对于早期医学诊断和药物设计开发等具有重要意义。限制：但当前的定性、二维和较慢成像速度的显微成像方法已经不能满足生物医学研究和发展的需求，迫切需要可实现定量、三维和快速跟踪的成像方法。数字全息技术的优势：１)实时性；２)信息丰富；３)结构简单；４)灵活性；５)无损性432.2.1.1生物细胞相衬成像原理:数字全息是一种定量的相衬成像方法，本质是测量待测样品的透射光束或反射光束的相位变化的光学相干成像方法。生物样品的相衬成像原理（ａ）入射生物细胞的相位延迟；（ｂ）年轮细胞的相衬像44光在活体细胞和细胞周围物质中的传播速度不同，会产生相应的相位变化。相位的超前还是滞后取决于细胞与周围物质的折射率分布。透射生物样品的光波相位延迟为：式中λ波长，ｚ轴向坐标