《信息光学》第七章 光学全息
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全息光学实验[实验目的]1、学习和掌握全息照相的基本原理;2、掌握全息照相的实验技术;3、了解全息图的基本性质、观察并总结全息照相的特点。
[实验原理]普通照相是把从物体表面上各点发出的光(反射光或散射光)的强弱变化经照相物镜成像,并记录在感光底片上,这只记录了物光波的光强(振幅)信息,而失去了描述光波的另一个重要因素——位相信息,于是在照相底片上能显示的只是物体的二维平面像。
全息照相则不仅可以把物光波的强度分布信息记录在感光底片上,而且可以把物波光的位相分布信息记录下来,即把物体的全部光学信息完全地记录下来,然后通过一定方法重现原始物光波既再现三维物体的原像。
这就是全息照相的基本原则,由三维物体所构成的全息图能够再现三维物体的原像。
全息照相的基本原理是利用相干性好的参考光束R 和物光束O 的干涉和衍射,将物光波的振幅和位相信息“冻结”在感光底片上,即以干涉条纹的形式记录下来。
在底片上所记录的干涉图样的微观细节与发自物体上各点的光束对应,不同的物光束(物体)将产生不同的干涉图样。
因此全息图上只有密密麻麻的干涉条纹,相当于一块复杂的光栅,当用与记录时的参考光完全相同的光以同样的角度照射全息图时,就能在这“光栅”的衍射光波中得到原来的物光波,被“冻结”在全息片的物光波就能“复活”,通过全息图片就能看见一个逼真的虚像在原来放置物体的地方(尽管原物体已不存在),这就是全息图的物光波前再现。
全息照相分两步,第一步是波前记录。
设x-y 平面为全息干板记录平面,底片上一点(x,y )处物光束O 和参考光束R 的复振幅分布分别为O o (x,y)和R o (x,y):)],(exp[),(),()],(exp[),(),(y x j y x R y x R y x j y x O y x O R o O o ϕϕ==(1)由于它们系相干光束,所以物光和参考光在底片上相干迭加后的光强分布为:),(),(),(),(),(),(),(),(),(222y x R y x O y x R y x O y x R y x O y x R y x O y x I ∗∗+++=+=(2)若全息干板的曝光和冲洗都控制在振幅透过率t 随曝光量E[E=(光强)×(曝光时间)]变化曲线的线性部分,则全息干板的透射系数t(x,y)与光强I(x,y)呈线性关系,即t(x,y)=t o +βI(x,y)(3)其中t o 为底片的灰雾度,β为比例常数,对于负片β<0,这就是全息图的记录过程。
《信息光学》课程教学大纲一、课程基本信息二、课程简介信息光学是应用光学、计算机和信息科学相结合而发展起来的一门新的光学学科,是信息科学的一个重要组成部分,也是现代光学的核心。
本课程主要介绍信息光学的基础理论及相关的应用,内容涉及二维傅里叶分析、标量衍射理论、光学成像系统的频率特性、部分相干理论、光学全息照相、空间滤波、相干光学处理、非相干光学处理、信息光学在计量学和光通信中的应用等。
三、课程目标本课程是光电信息科学与工程专业的主要专业课程之一,设置本课程的目的是让学生掌握信息光学的基本概念、基础理论及光信息处理的基本方法,了解光信息处理的发展近况和运用前景。
为今后从事光信息方面的生产,科研和教学工作打下基础。
四、教学内容及要求第一章信息光学概述(2学时)1.信息光学的基本内容和发展方向2.光波的数学描述和基本概念3.相干光和非相干光4.从信息论看光波的衍射要求:1.了解信息光学的内容和发展方向2.掌握相干光和非相干光的特点3.掌握从信息论的观点看光波的衍射。
重点:空间频率,等相位面。
从信息光学看衍射的基本观点。
难点:空间频率,光波的数学描述。
第二章二维傅里叶分析(8+2学时)1.光学常用的几种非初等函数2.卷积与相关3.傅里叶变换的基本概念4.线性系统分析5.二维采样定理要求:1.了解光学中常用非初等函数的定义、性质,熟悉它们的图像及在光学中的作用2.了解卷积与相关的定义及基本性质3.熟悉傅里叶变换的基本原理,性质和几何意义4.熟悉系统的基本概念及线性系统分析的基本理论5.了解二维采样定理及其应用6.本章强调概念的物理意义理解,以定性和应用为主。
避免与《信号与系统》课程重复。
重点:δ函数的意义和运算特性,傅里叶变换性质、定理,相关和卷积的意义及运算,线性空间不变系统的特性。
难点:卷积,傅里叶变换、系统分析。
第三章标量衍射理论(6+2学时)1.基尔霍夫衍射理论2.菲涅耳衍射和夫琅和费衍射3.夫琅和费衍射计算实例4.菲涅尔衍射计算实例5.衍射的巴俾涅原理要求:1.了解基尔霍夫衍射理论2.熟悉菲涅耳- 基尔霍夫衍射公式及其物理意义3.熟悉菲涅耳衍射与夫琅和费衍射4.掌握常见夫琅和费衍射光场的分析与计算5.了解菲涅耳衍射光场的分析和计算6.了解巴俾涅原理及其应用重点:如何用二维傅里叶变换来分析和计算夫琅和费衍射。
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。
信息光学一些知识点总结信息光学是光学与信息科学相结合的一门学科,其研究内容主要包括信息的获取、传输和处理等方面。
在信息光学中,光被视为一种信息的载体,通过光的特性进行信息的存储、转换和处理。
本文将围绕信息光学的几个重要知识点展开讨论。
一、光的干涉与衍射干涉与衍射是光学中重要的现象,也是信息光学中的关键技术。
干涉是指两束或多束光波相互作用产生干涉图案的现象,衍射则是光波经过物体边缘或孔径后发生的弯曲现象。
这些现象可以通过光的波动性解释,而信息光学可以利用干涉与衍射现象实现光的编码、解码和加密等操作。
二、全息术全息术是信息光学中一种重要的记录和再现光场的方法。
全息术利用光的干涉原理,将物体的光场记录在记录介质上,再通过读取介质上的全息图案进行光场的再现。
与传统的摄影不同,全息术可以记录物体的全息图案,包括物体的振幅和相位信息。
这使得全息术在三维成像、信息存储和光学计算等领域具有广泛的应用。
三、光学信息处理光学信息处理是信息光学的核心内容之一,其目标是利用光的特性实现高速、高容量的信息处理。
光的并行性、高速度和容量大的特点使得光学信息处理在图像处理、光学计算和通信等方面具有独特的优势。
光学信息处理的方法包括光学逻辑门电路、光学存储器、光学计算机等。
这些技术的发展将对信息科学和光学技术的融合产生深远的影响。
四、光纤通信光纤通信是信息光学的一个重要应用领域。
光纤通信利用光的传输特性进行远距离的信息传输。
相比传统的电信号传输,光纤通信具有带宽大、传输损耗小和抗干扰能力强等优势。
光纤通信的关键技术包括光纤的制备、光纤的耦合和解耦、光纤放大器和光纤通信系统的设计等。
五、光传感器光传感器是信息光学中的重要组成部分,用于将光信号转换为电信号或其他形式的信息。
光传感器广泛应用于光学成像、光谱分析、光学测量和生物医学等领域。
常见的光传感器包括光电二极管、光电倍增管和光电转换器等。
信息光学利用光传感器实现光的信息获取和测量,为光学系统的控制和优化提供了基础。