数字全息再现
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数字全息3D图像再现的方法论述本文以数字全息技术原理及相关理论作为出发点,分析了数字图象处理技术,并从相移数字全息原理和相移数字全息计算方法等方面探讨了基于相移数字全息技术的图像再现,以期为能够真实再现原物信息的全息显示技术提供一些参考和意见。
标签:数字全息;3D图象;相移数字全息数字全息技术相较于普通光学技术而言,具有成本低、灵活运用、速度快、储存空间大、实时处理等优势。
因此数字全息技术可以广泛运用于医疗美容、特征辨别、外貌检测和全息防伪等各种领域,对人们的生活和工作提供了极大的便利。
随着现代信息技术和网络技术在光学领域的普及与发展,许多学者就如何提高光能利用率和真色彩显示问题展开了相关讨论,并结合实际提出了最优方案策划,以达到实现图象质量的目的。
1 数字全息术相关技术理论(1)全息图的分类。
全息图根据不同的分类方法分为同轴全息图和离轴全息图两种类型。
就同轴全息图而言,如题1所示,一方面,同轴全息图具有光源低、稳定性高、光路简单、色差趋向小、记录介质分辨率高等优势。
另一方面,同轴全息图具有衬比度低、质量整体性不高、孪生全息像分辨率低、透明度效果差等劣势。
但是随着科学技术的发展以及网络信息化脚步的加快,同轴全息图的缺点利用科学技术平台得到大大改善。
通过科研人员线性记录可以得出同轴全息图振幅透过率为:假设AC表示全息图的再现光泼,在现光泼得出垂直照明全息图,如图2所示:衍射之后的光场表达公式为:由衍射之后的光场表达公式可以得出,公式的第一项表示为同轴全息图的零级衍射泼,公式的第二项也为同轴全息图的零级衍射泼,公式的第三项表示为同轴全息图的虚拟图象或者原始图形,公式的第四项表示为同轴全息图的实像,实像与虚拟图象构成孪生像。
(2)数字全息原理。
相较于传统全息技术而言,数字全息技术在介质上与传统全息技术有着本质的不同。
数字全息技术是数字化技术发展的产物,在一定程度上推动了数字化时代的进步。
另外,数字全息处理技术可以在光影平面内部实现数值模拟全息图像,并利用计算机作为有效载体实现全息图的再现。
第31卷第5期大学物理实验Vol.31No.52018年10月PHYSICALEXPERIMENTOFCOLLEGEOct.2018收稿日期:2018 ̄06 ̄25文章编号:1007 ̄2934(2018)05 ̄0017 ̄04马赫 ̄曾德干涉光路下的全息数字记录及其再现李欣芫ꎬ赵梓言ꎬ付申成(东北师范大学ꎬ物理学师范专业国家级实验教学示范中心ꎬ吉林长春㊀130024)摘要:搭建马赫 ̄曾德全息光路图ꎬ分别进行了数字全息的两个相关实验:光学 ̄数字全息(光学记录 ̄数字再现)ꎬ计算模拟全息(数字记录 ̄数字再现)ꎬ并对两个实验的结果进行分析加以对比ꎮ关键词:马赫曾德干涉ꎻ光学记录ꎻ数字记录ꎻ数字再现中图分类号:O4 ̄34文献标志码:ADOI:10.14139/j.cnki.cn22 ̄1228.2018.05.005㊀㊀1948年ꎬ英国物理学家DennisGabor为提高电子显微镜的分辨本领ꎬ首次提出同轴全息照相ꎮ1949年ꎬDennisGabor提出了一种新的波前记录和再现方法 全息术[1]ꎮ由于传统全息术在利用干板记录全息图时必须要做化学湿处理ꎬ给实验操作带来了诸多不便ꎮ1971年ꎬHuang进一步提出数字全息的概念ꎮ采用数字全息技术ꎬ不仅省去了繁琐的化学湿处理步骤ꎬ而且可以很方便地对生成的全息图进行图像处理[2]ꎬ同时减少或消除噪声等因素带来的的影响ꎮ其最大的优势是响应速度快㊁灵敏度高㊁能够记录运动物体的瞬时状态ꎮ近年来ꎬ数字全息在生物医学ꎬ粒子场测量等很多领域都得到了广泛应用[3]ꎮ2006年ꎬJorgeGarcia ̄Sucerquiaꎬ等人介绍了一种可适用于研究海洋环境中蜉蝣生物运动的水下数字全息显微技术(DIHN)[1]ꎮ2017年ꎬYasuhjrTsuchiyama等人提出了一种使用RGB彩色滤光片的来生成高质量的全彩色大规模计算机全息图(CGH)[4]ꎮ1㊀数字全息记录与再现的原理1.1㊀数字记录㊁数字再现数字全息技术分为两个步骤ꎮ首先利用光学干涉原理来记录物体振幅及相位信息ꎬ即记录过程ꎻ再利用光的衍射原理ꎬ对物体所含的光信息进行再现ꎬ即再现过程[4]ꎮ图1所示为数字全息图的记录及再现的坐标变换示意图ꎮ图1 数字全息图的记录及再现的坐标变换示意图㊀㊀物体位于物平面(Object ̄Plane)上ꎬ数字相机在全息平面(Hologram ̄Plane)上记录物光与参考光在全息平面上的干涉光强分布ꎬ最后在成像平面(VirtualImage ̄Plane)上生成全息图ꎮ设位于物平面上的物光场分布为U0(x0ꎬy0)ꎬ则全息平面上的光场记为:O(xꎬy)=A0(xꎬy)exp[jφ0(xꎬy)]其中ꎬA0(xꎬy)和φ0(xꎬy)分别为物光波的振幅和相位分布ꎮ将到达全息平面上的参考光波记为:R(xꎬy)=Ar(xꎬy)exp[jφr(xꎬy)]其中ꎬAr(xꎬy)和φr(xꎬy)分别为物光波的振幅和相位分布ꎮ则全息平面上全息图的强度分布为:IH(xꎬy)=|U(xꎬy)|2=|O(xꎬy)+R(xꎬy)|2=|A0(xꎬy)|2+|Ar(xꎬy)|2+2A0(xꎬy)Ar(xꎬy)cos[φ0(xꎬy)-φr(xꎬy)]上式的前两项分别代表了物光和参考光的光强分布ꎬ仅与振幅有关ꎻ第三项则是二者的干涉项ꎬ包含物光全部的振幅和相位信息[5]ꎮ由于参考光作为载波ꎬ其振幅和相位都受到了物光波的调制ꎬ因此物光调制参考光的结果即是产生了干涉条纹ꎮ全息图的数字再现过程是利用计算机对光波的振幅和相位进行数字计算完成的ꎮ根据衍射原理和再现距离可以得到再现平面上的光场分布ꎬ即:㊀㊀UI(xIꎬyI)=exp(jkd)jλd∬¥-¥I(uꎬv)C(uꎬv)expjk2d(xI-u)2+(yI-v)2[]{}dudv=exp(jkd)jλd∬¥-¥I(uꎬv)C(uꎬv)expjk2d(u2+v2)éëêêùûúúexp-j2π1λd(uxI+uyI)éëêêùûúúdudv㊀㊀因此ꎬ只要物体到成像平面间的距离满足菲涅尔衍射距离的要求ꎬ就可以获得清晰地再现全息图[6]ꎮ1.2㊀马赫 ̄曾德干涉光路(光学记录㊁数字再现)搭建马赫 ̄曾德干涉光路ꎬ如图2所示ꎮ图2㊀马赫 ̄曾德干涉光路图㊀㊀由二倍频Nd:YAG激光器输出波长为532nm的激光ꎬ利用衰减片可自由调整光强ꎬ之后光束经过空间滤波器ꎬ滤过高频光ꎬ再经扩束镜和准直镜后ꎬ形成一个亮度合适㊁宽度恰好的均匀平行光束ꎮ之后经分束镜分为物光和参考光ꎬ经过反射ꎬ物光和参考光在另一分束镜面耦合发生干涉ꎬ生成全息图[7]ꎮ为确保光路水平稳定ꎬ光学器件等高同轴ꎬ在搭建光路时ꎬ待测物和CMOS数字相机可最后再加入到光路中[8]ꎮ在光路搭建完成时ꎬ物光及参考光应具有相等的光程差ꎬ此时调节两束光ꎬ使其经合束镜后汇成一束同轴光ꎬ并在远处汇聚ꎬ出现干涉条纹[9]ꎬ此时光路基本调节完成ꎮ将CMOS数字相机加入到系统中ꎬ然后调整衰减片使COMS采集到的干涉条纹光波强度适合接下来的实验ꎮ再通过调整合束镜微调旋钮ꎬ改变条纹疏密程度ꎬ最终所调竖条纹清晰且密集即可认为调节完毕ꎬ在近处观察时可看到条纹图像如图3所示[10]ꎮ图3㊀所调竖条纹图像81马赫 ̄曾德干涉光路下的全息数字记录及其再现2㊀实验内容与结果2.1㊀计算机模拟全息(数字记录ꎬ数字再现)实验利用计算机来模拟数字全息的记录与再现过程ꎮ具体操作流程如图4所示ꎮ图4㊀数字全息记录和重现流程图计算模拟全息实验分为两两个过程ꎬ首先通过计算机计算出一幅图片的全息图ꎬ然后通过计算机将全息图再现ꎮ通过单平面菲涅尔全息图数字模拟ꎬ同时设置此时的虚拟光路的相关参数ꎬ生成全息图像如图5(右)所示ꎮ图5㊀含 东北师大 字样原始图片(左)及输出全息图(右)图5(右)是含有 东北师大 字样加密后全息图样ꎬ字的形状已经难以辨认ꎬ但仍可以看出是黑白相间的模糊条纹ꎮ之后通过单平面一步菲涅尔数字再现ꎬ设置与模拟参数相同的再现参数ꎬ输出再现结果如图6所示ꎮ图6㊀输出含 东北师大 字样的数字再现图再现的 东北师大 字样轮廓清晰ꎬ可以很容易的从背景中分辨出来ꎮ4.2㊀数字全息(光学记录ꎬ数字再现)数字全息实验可分为两个过程ꎬ第一个过程是通过搭建马赫 ̄曾德干涉光路进行光学记录ꎬ第二个过程是利用计算机进行数字再现ꎮ记录时用计算机将含 东北师大 字样的图片输入到空间光调制器(SLM)中作为待测物ꎬ记录介质则采用COMS相机替代传统全息实验中的干板ꎮ图7即为CMOS相机记录的全息图ꎬ软件中可以通过调整物光和参考光的夹角直到ʃ1级和0级衍射分开ꎮ同时可以通过观察计算机中全息图条纹的间距来不断调整夹角的大小ꎬ使其不超过最大夹角以保证全息图和再现图不失真[8]ꎮ图7㊀含 东北师大字样全息图图8㊀含 东北师大 字样再现图图8中生成的全息图较为清晰ꎬ难以辨认字形ꎬ但可大致观察到字的位置大小等信息ꎬ起到了加密的作用ꎮ再现图的周围有一些衍射条纹ꎬ这是再现像和共轭像相互重叠引起的ꎮ将字形放大来看ꎬ其0级和ʃ1级衍射条纹基本分开ꎬ可以较为清晰看到字形ꎮ但仍有误差存在ꎬ 光学记录 整个过程由实验者搭建光学仪器完成ꎬ实验台的晃动ꎬ光学仪器的镜面是否干净ꎬSLM仪器是否足够精密ꎬ物光与参考光是否严格同轴平行等都会影响实验结果ꎮ3㊀实验结论数字全息记录的是参考光和物光直接在介质91马赫 ̄曾德干涉光路下的全息数字记录及其再现上干涉形成的图样[11]ꎮ采用CMOS相机代替传统全息实验中的干板ꎬ直接将全息图记录在计算机中ꎬ再利用计算机将全息图再现ꎮ计算模拟全息则是用数学的方法将物体的振幅和相位记录下来加以加密再现ꎬ完全通过计算机来实现图像的记录和再现[12ꎬ13]ꎮ就全息图来说ꎬ前者生成的全息图较为清晰ꎬ可看到图样大致宽度㊁轮廓等ꎻ而后者生成的全息图完全模糊ꎬ无法看到前者表达的图样大致信息ꎮ对于再现图ꎬ前者几乎无衍射条纹影响ꎬ图样效果好ꎬ后者较大程度受到了衍射条纹的影响ꎬ图样不如前者清晰可辨ꎮ参考文献:[1]㊀JorgeGarcia ̄SucerquiaꎬDigitalin ̄lineholographicmi ̄croscopy[J].APPLIEDOPTICSꎬ2006(45):836 ̄850. [2]㊀桂进斌ꎬ李俊昌ꎬ宋庆和ꎬ等.离轴数字全息超分辨率记录系统优化设计[J].光学学报ꎬ2014(6):77 ̄81.[3]㊀罗鹏ꎬ吕晓旭ꎬ钟丽云.数字全息技术研究进展及应用[J].激光杂志ꎬ2006(6):8 ̄10.[4]㊀YasuhiroTsuchiyamaꎬKyojiMatsushimꎬFull ̄colorlarge ̄scaledcomputer ̄generated[J].OPTICSEXPRESSꎬ2017(3):2016 ̄2019.[5]㊀王亮.三维物体数字全息及其应用研究[D].南京师范大学ꎬ2007.[6]㊀何建瑜ꎬ赵荣涛ꎬ竺江峰.新马赫 ̄曾特尔全息光路图制作高频全息光栅[J].大学物理实验ꎬ2011(6):9 ̄11.[7]㊀韩冰ꎬ肖文ꎬ潘锋ꎬ丛琳ꎬ等.同轴数字全息相位恢复算法采样距离优化研究[J].激光与光电子学进展ꎬ2012(12):69 ̄74.[8]㊀于瀛洁ꎬ郭路ꎬ周文静.数字全息位相拼接实验研究[J].光学仪器ꎬ2011(4):55 ̄59.[9]㊀刘丽君ꎬ封玲ꎬ王喜省.数字像面全息与同轴全息实验研究[J].大学物理实验ꎬ2011(6):19 ̄21. [10]朱江ꎬ刘丽飒.数字平面全息光栅实验研究[J].大学物理实验ꎬ2017(3):69 ̄71.[11]丁大为.计算全息图及其数字重现的研究[J].安徽大学硕士学位论文ꎬ2004(5).[12]仇宇.全息图的数字化频域滤波及数值再现研究[J].电子科技大学学报ꎬ2006(6):934 ̄936. [13]李文昌ꎬ周敏ꎬ等.利用马赫 ̄曾德干涉光路制作二维全息光栅[J].大学物理实验ꎬ2018(4):49 ̄53.Mach ̄ZendeDigitalHolographicRecordingandReconstructionLIXin ̄yuanꎬZHAOZi ̄yanꎬFUShen ̄cheng(NationalExperimentalTeachingDemonstratingCenterofPhysicsNormalProfessionꎬNortheastNormalUniversityꎬJilinChang ̄chun130024)Abstract:ItsetsupaMach ̄Zehnderholographicopticalpathꎬandconductstworelatedexperimentsofdigitalholography:optical ̄digitalholography(opticalrecordinganddigitalreconstruction)ꎻcomputersimulationholo ̄gram(digitalrecordinganddigitalreconstruction).Theresultsofthetwoexperimentswereanalyzedandcom ̄pared.Keywords:Mach ̄Zehnderinterferenceꎻopticalrecordingꎻdigitalrecordingꎻdigitalreconstruction02马赫 ̄曾德干涉光路下的全息数字记录及其再现。
数字全息记录与光学实时再现实验一、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,光学再现掌握知识点:传统全息术、数字全息、计算模拟全息、菲涅尔衍射、相干光干涉、空间光调制器、光学再现二、实验仪器(详细描述见技术指标)固体激光器(机械调整结构) 一台;空间滤波器组件(显微镜、针孔及机械调整结构) 一套;分光镜两个;可调谐衰减片一个;准直透镜组件一对;CMOS图像探测器一个;透射式液晶空间光调制器一个;注意:重点分析透射式记录光路三、实验原理计算机及CCD技术的发展直接推动了全息技术的革新。
全息术已涉及形貌测量、微小物体检测、数字全息显微、防伪、医学诊断等许多领域。
传统光学全息实验是通过银盐干板或光致聚合物等记录全息图,拍摄过程对环境要求较高,冲洗过程繁琐。
本实验在传统全息术基础上,开发了数字全息、计算模拟全息和光学实时再现等全息技术。
数字全息是用高分辨率CMOS记录全息图,并由计算机对全息图进行数字再现。
计算模拟全息是通过计算机模拟全息图,并通过软件实现数字再现。
光学实时再现是通过再现空间光调制器上的全息图实现的。
通过在实验系统中引入光电成像器件以及数字图像处理技术的应用,对实现光信息专业学生的综合专业技能的培养具有重要意义。
本实验为典型的光信息实验,能全面培养学生的综合实验技能。
实验内容丰富,知识点清晰,实验现象明显。
不但能训练学生动手能力,而且能增强学生分析问题能力。
教师还可根据具体情况,将计算模拟全息作为信息光学课程的演示实验。
图1 光路示意图本实验在传统全息术基础上,根据菲涅尔衍射理论,开发了数字全息、计算模拟全息和光学实时再现等典型全息技术。
数字全息实验研究数字全息记录和再现原理,即利用数字全息记录程序和光电器件记录全息图,并将全息图输入计算机,由计算机进行数字再现的方法早在1967年就由Goodman等人提出,现已广泛地应用于数字显微、干涉测量、三维图像识别、医疗诊断等领域。
数字全息用光电器件替代了全息干版,免去了全息干版的冲洗工作以及降低了对全息工作台的隔振要求。
给使用者带来了更大的方便。
实验目的1.熟悉数字全息实验原理和方法;通过观察全息图的微观结构,深入理解全息记录和数字再现的原理。
2.熟悉数字全息记录光路。
3.用CMOS数字摄像头记录物体的全息图。
4.熟悉用全息图数字再现程序对所记录的全息图进行数字再现的过程。
实验原理(a)(b)(c)图1 数字全息实验光路图2. 数字全息记录光路L0k放大倍数20或40;L rk放大倍数60;衰减器P可插入物光束;物体S为透过率物体;BS2与SX之间的物参光方向应相同(夹角为0°)图3 透射数字全息记录系统数字全息波前测量的实验光路随被测物体的不同而异,从图1到图3的光路都可以用来记录全息图。
若用图1(a )所示的实验光路进行数字全息波前的测量,则激光器发出的光经反射镜M 1反射,被分束器BSI 分成两束;一束经过反射镜M 2反射、进入扩束镜L K1扩束,并被准直镜L 1准直,变成平行光,再由反射镜M 3反射转向,照射到被记录物体上形成物波,经由物体物漫后透过分束镜BS 2照射到数字摄像头的光敏元件表面;另一束经衰减器P 、反射镜M 4、扩束镜L K2准直镜L 2变成平行光,再经分束镜BS 2转向,形成参考光,并与物波在CMOS (或CCD )光电器件平面上叠加干涉,形成全息图;由CMOS (或CCD )数字摄像头记录,并借助于计算机程序,实现全息图的数字再现。
图4 数字全息记录与再现光路坐标变换设00oy x 平面内的被记录物体的透过率函数为t (x , y ),用振幅为A 的垂直平面波照明。
物光与参考光强度比对数字全息再现像质的影响宋修法;于梦杰;王华英;刘佐强;高亚飞;刘飞飞【摘要】为了提高数字全息显微中的重建精度及速率,采用理论分析与实验验证相结合的方法,对数字全息显微中基于同态信号处理的广义线性重建算法进行了理论分析,比较了同一物场在不同物光与参考光强比条件下的实验结果。
结果表明,随着参考光与物光光强比的不断增大,广义线性重建算法再现像质得到明显改善,但当这一比值增大到一定值时,再现像质量则逐渐下降。
寻找合适的物光、参考光光强比,是利用数字全息广义线性重建算法实现高质量再现像的重要条件。
%In order to improve the accuracy and speed of image reconstruction , the generalized linear reconstructing algorithm based on homomorphic signal processing was analyzed by combining theoretical analysis and experimental verification in the digital holographic microscopy .The experimental results of the same field under different reference intensity ratio to object were compared .The results show that: with the increase of the intensity ratio , the reconstruction image quality of the generalized linear reconstructed algorithm is improved obviously .However, the reconstructed image quality decreases when the ratio increases to a certain value .Finding an appropriate ratio is important for obtaining high quality reconstructed images for the generalized linear reconstruction algorithm in digital holography .【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】4页(P859-862)【关键词】全息;线性重建;参考光强度;同态信号处理【作者】宋修法;于梦杰;王华英;刘佐强;高亚飞;刘飞飞【作者单位】河北工程大学理学院,邯郸056038;河北工程大学信息与电气工程学院,邯郸056038;河北工程大学理学院,邯郸056038; 河北工程大学信息与电气工程学院,邯郸056038;河北工程大学信息与电气工程学院,邯郸056038;河北工程大学信息与电气工程学院,邯郸056038;河北工程大学信息与电气工程学院,邯郸056038【正文语种】中文【中图分类】O438.1数字全息技术是一种新型的全息成像与测量技术,它利用光电耦合器件CCD记录全息图,利用计算机技术对光学衍射过程进行数值模拟再现物光波前,得到定量的强度和位相信息,实现了对全息记录、存储、传输、滤波、多视角显示等过程中的数字化处理。