第6章-计算全息

第六章计算全息第六章计算全息什么叫计算全息借助参考光，利用光的干涉原理，可以将物光的复振幅（振幅和相位）以干涉条纹的形式记录下来。我们可以称之为光学编码的方法。如果不用光学的方法而是用人工的方法进行编码制作全息图，这就是计算全息图（Computer-generatedHologram)。概述计算全息图不仅可以全面地记录光波的振幅和相位，而且能综合出复杂的，或者世间根本不存在的物体的全息图，因而具有独特的优点和极大的灵活性。从光学发展的历史来看，计算全息首次将计算机引入光学处理领域，计算全息图成为数字信息和光学信息之间有效的联系环节，为光学和计算机科学的全面结合拉开了序幕。计算全息的主要应用范围：①二维和三维物体像的显示②在光学信息处理中用计算全息制作各种空间滤波器③产生特定波面用于全息干涉计量④激光扫描器⑤数据存贮计算全息图的制作和再现过程的主要步骤：①抽样：得到物体或波面在离散样点上的值②计算：计算物光波在全息平面上的光场分布③编码：把全息平面上光波的复振幅分布编码成全息图的透过率变化④成图：在计算机控制下，将全息图的透过率变化在成图设备上成图。如果成图设备分辨率不够，再经光学缩版得到实用的全息图⑤再现一般计算全息的制作过程分为五步（1）抽样（2）计算（3）编码（4）绘制和缩小（5）再现以下是傅里叶变换全息图的制作流程物的数学函数抽样得离散样点分布离散傅里叶变换离散傅里叶变换谱编码全息透过率函数绘图照相缩版计算全息图再现像计算全息的优点：•记录物理上不存在的实物，只要知道该物体的数学表达式就可能有计算全息记录下这个物体的光波，并再现该物体的像。这种性质非常适宜于信息处理中空间滤波的合成，干涉计量中产生特殊的参考波面，三维虚构物理的显示等。•计算全息制作过程采用数字定量计算，精度高，特别是二元全息图，透过率函数只有二个取值，抗干扰能力强，噪声小，易于复制。§6-1计算全息原理（抽样定理）光学图象信息往往具有连续分布的特点，但是在实现信息记录、存贮、发送和处理时，由于物理器件有限的信息容量，一个连续函数常常用它在一个离散点集上的函数值，即抽样值来表示。已知一个函数为f(x)，则其抽样值为)()(0xntfnf1,,1,0Nn式中：0t为抽样起始点，n为抽样点序号，x是抽样间隔)(nf是抽样值或抽样值序列。直观上，抽样间隔越小，则抽样序列越准确反映原来的连续函数。但是抽样间隔越小，对于信息检测、传送、存贮和处理都提出了更高的要求。如何选择一个合理的抽样间隔，以便做到既不丢失信息，又不对检测、处理等过程提出过分的要求，并由这样的值恢复一个连续函数呢？这些正是抽样定理所要回答的问题。§6-1计算全息原理§6-1计算全息原理•但是抽样间隔越小，对于信息检测、传送、存贮和处理都提出了更高的要求。•如何选择一个合理的抽样间隔，以便做到既不丢失信息，又不对检测、处理等过程提出过分的要求，并由这样的值恢复一个连续函数？这些正是抽样定理所要回答的问题。抽样是制作计算全息图的一个重要的不可少的步骤，而抽样定理是计算全息技术中的重要理论基础之一。1、函数的抽样先看函数的抽样和复原的图解分析过程x)(xf函数频谱_)(F)(xxcombxxx2xx2xx1x2x1x2x)2(sin2xBcBxx)2/(xBrectx抽样函数_)(xfsxx2xx2抽样函数的频谱_)(sFxBxBx)(xxcombx)(xfsxx2xx2xx1x21x1x21)(sFx)2(sin2xBcBxx)2/(xBrect)(Fx)(xf)()(mxxcomb梳状函数的一些性质)()(xmxxxxcomb)()(combxcomb)()(xxcombxxcomb利用梳状函数对连续函数f(x,y)抽样，得抽样函数)(xfs它是由函数的阵列构成),()()(),(yxfyycombxxcombyxfsnmymyxnxymxnfyx),(),(利用卷积定理得抽样函数的频谱),()()(Fycombxycombx),(),(FymxnnmnmymxnF),(结论：函数在空间域被抽样，导致函数频谱),(F的周期性重复。在频域),()()(),(FyycombxxcombFs§6-1计算全息原理nmSymxnFF),(),(结论：函数在空间域被抽样，导致函数频谱),(F的周期性重复。在频域空间域的抽样间隔是x和y,空间频谱被重复的频谱中心间距为x1y1和x)(xfs)(sFx1x21xx2§6-1计算全息原理设f(x,y)是有限带宽函数，其频谱在空间频域的一个有限区域上不为零。,方向上的谱的宽度分别为xB2yB2由抽样过程示意图可知当xBx21yBy21xBx21yBy21),(sF中的各个频谱就不会出现混叠现象，这样就有可能用滤波的方法从),(sF中分离出原函数的频谱),(F再由),(F恢复原函数。xx1x2x1x2)(sFxBxB§6-1计算全息原理因而能由抽样值还原原函数的条件是（1）),(yxf是限带函数（2）在x方向和y方向抽样点最大允许间隔为yB21xB21xx1x2x1x2)(sFxBxByB21xB21和称为奈魁斯特间隔。抽样定理的另一种表达为：一个有限带宽的函数，它没有频率在xB2yB2以上的频谱分量，则该函数可以由一系列间隔小于yB21xB21和的抽样值唯一地确定。2、函数的还原将抽样函数作为输入，加到一个低通滤波器上，只要抽样函数的频谱不产生混叠，总可以选择一个适当的滤波函数，使),(sF中，n=0,m=0的项无畸变地通过，而滤去其它各项，这时滤波器的输出就是复原的原函数，这一过程可由下面框图示意。),(yxf),(F),(yxfs)()(yycombxxcomb低通滤波器),(yxh),(H),(),(),(yxhyxfyxfs),(sF),(),(sFF),(H若选矩形函数为滤波函数)2()2(),(yxBrectBrectH则),(),(sFF)2()2(yxBrectBrect这一频域的滤波过程，可以等效于空域中的卷积运算),(),(),(yxhyxfyxfs),(),(),(ymyxnxymxnfyxyxfs),(yxh)2()2(yxBrectBrect)2(sin)2(sin4yBcxBcBByxyx),(),(),(yxhyxfyxfsnyxmyxymyBcxnxBcymxnfyxBB)(2sin)(2sin),(4惠特克——香农（Whittaker-Shannon)抽样定理xBx21取yBy21),(yxfnyyxxyxmBmyBcBnxBcBmBnf)2(2sin)2(2sin)2,2(它表明了只要抽样间隔满足xBx21yBy21则在每一个抽样点上放置一个以抽样值为权重的sinc函数为内插函数，由这些加权的sinc函数的线性组合可复原原函数。由以上讨论可知，由抽样函数还原原函数有两条途径（1）频域滤波（2）空域插值严格说来，频带有限的函数在物理上并不存在，一个有限宽度的函数，其频谱范围总是扩展到无穷。但表征大多数物理量的函数，其频谱在频率高到一定程度时总是大大减小，以致于略去高频分量所引入的误差是可以允许的。实际上，信号的检测、传递过程采用的仪器都是有限通频带宽的。所以很多物理量函数都可视为有限带宽函数，从而可用离散的抽样序列代替。上述抽样定理的过程可以用下面的光学过程来说明xy如图，物函数f(x,y)是透明片T字的透过率函数，在傅里叶变换平面上T字的谱是一组衍射斑点。对于f(x,y)抽样，相当于在T字处加一个光栅，光栅间距应满足抽样定理。这时在谱面上出现许多组的衍射斑点。如果在谱面上加一个单缝，只允许中间一组通过，则像面上的T字没栅格，与原物相同。空间滤波之网络水演示。§6-2计算全息的离散傅里叶变换一般计算全息的制作过程分为五步（1）抽样（2）计算（3）编码（4）绘制和缩小（5）再现以下是傅里叶变换全息图的制作流程物的数学函数抽样得离散样点分布离散傅里叶变换离散傅里叶变换谱编码全息透过率函数绘图照相缩版计算全息图再现像在这种全息图中，被记录的复数波面是物波函数的傅里叶变换。由于这种全息图再现的是物波函数的傅里叶谱，所以要得到物波函数本身，必须通过变换透镜再进行一次逆变换，这与光学傅里叶变换全息图的基本原理是一致的。对复数波面进行编码可以采用上节介绍的两种方法。一种是迂回相位编码方法，直接对抽样点上复数波面的振幅和相位进行编码。另一种是修正离轴参考光编码方法，将全息函数造成实的非负函数。从而只对振幅进行编码。一、抽样点数与空间带宽积设平面物体的大小为yx在x,y方向的抽样间距为xy根据抽样定理1x1y取等号，有1x1yyx一个抽样单元制作一个全息图所需的抽样点数为yxyyxxSWyxByBx4dddxdy称为空间带宽积它是物体所具有的信息量的量度，利用它可以方便地确定制作计算全息图时所需要的抽样点的总数。如图像的尺寸是40mm40mm，最高空间频率mmBmmByx/10,/10图像的空间带宽积yxBByxSW42800101040404对这样的图像制作全息图时，其抽样点数是2800下面以傅里叶变换全息图为例加以讨论设平面物体的大小为yx，在x,y方向的抽样间距为xy抽样单元分别为j个和k个。这样离散的物光波函数可以写成),(ykxjffjkkj,为单元的序数)(xj)(yk0123123123123)x(j)y(k0103123123123取1x1yxxxJyyyKyxSWJK在确定了抽样数和抽样间距以后，需要将),(F计算出来。为此，我们要将连续傅里叶变换，变成离散的傅里叶变换。dxdyyxjyxfF)(2exp),(),()(xfjxxx)Bjx(Bcsin)Bj(f222在一维的情况下jjxcjfsin)(空域插值代入上式得dxxjxfF)2exp)()(12jdxxjxfF)2exp)()(dxxjjxcjfFj)2exp()(sin)()(利用)(1)(sincrectccxc和平移不变定理dxxjjxc)2exp()(sin)2exp()(1jjrectdxxjjxc)2exp()(sin代入上式)(F)2exp()()(1jjrectjfj12j)(F)2exp()()(1jjrectjfj)2exp()(1122jjjfJJj22在谱平面上的抽样情况与物面上类似，其抽样间隔可分别取为x1y1)(m)(n012312312312