光学实验教学中引入数字全息实验的探讨

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1、万方数据第29卷第4期2010年4月大学物理COLLEGEPHYSICSV01．29No．4Apr．2010光学实验教学中引入数字全息实验的探讨王大勇，崔华坤，王云新，万玉红，江竹青，陶世荃(北京工业大学应用数理学院，北京100124)摘要：数字全息技术是一项新型的成像及测量技术，它融合了计算机技术、数字图像处理技术和传统光学全息的特点，具有非常广阔的应用前景，是科学前沿中较为活跃的研究领域．将数字全息实验引入到光学实验教学中，可以使学生掌握CCD图像采集设备及其他光电子器件的使用方法，提高综合实践能力，更能形象地理解光波场传播规律．并且通过将较为

2、抽象的菲涅耳衍射理论、全息图原理、抽样定理及离散傅里叶变换等应用到实验之中，能够进一步激发学生的学习兴趣，加深对理论知识的掌握．关键词：数字全息；实验教学；菲涅耳全息图；数值再现中图分类号：O438．1文献标识码：A文章编号：1000·0712(2010)04—0052·03近年来，随着高性能计算机技术和高分辨电荷耦合器件CCD的发展，全息技术的一个发展方向是直接利用CCD代替全息干版做记录介质，把记录到的全息图输入到计算机进行数字处理和再现，即为数字全息．数字全息是由Goodman在1967年提出的⋯，它相比于传统的光学全息来说具有很大优点和灵活

3、性，它摆脱了传统的化学湿处理，可以实现物光场的实时再现．同时，利用数字全息独特的数值再现技术，可以分别获得定量的光波场振幅和相位信息，数字全息已应用于三维相衬成像、微结构检测等许多领域口一7J，是当前光学检测和信息处理的研究前沿．显然，数字全息实验是一个集光、电、信息处理于一体的综合性实验，它不仅可以激发学生对专业课的学习兴趣，而且可以培养他们的综合实验技能，拓宽专业知识面，使学生了解信息光学领域的最新发展前沿．为此，本文初步探讨在本科光学实验教学中调整传统光学全息实验课程，引入数字全息专业实验，从各种数字全息研究技术中提炼出简洁的基本实验装置，实

4、现全息图的数字记录与数值重构成像．这一实验对于激发学生的学习兴趣、培养综合素质具有显著效果．光学全息的基本思想，分为记录和再现两个过程：记录过程是直接用CCD接收全息图，利用图像采集卡将离散数字形式的全息图直接输入到计算机中存储；再现过程则是利用计算机编写程序模拟物光波的衍射传播过程，得到再现像；再利用数字图像处理的方法进行滤波消除零级衍射像，使得再现像更加利于人眼观察和满足各种测量的要求．下面以离轴菲涅耳数字全息实验为例予以阐述．1．1数字全息图的记录对于透射型物体，设一束平行光垂直照射物平面即Xo--y。面上，如图1所示，假定位于物平面上的物光

5、场分布为O(茗。，Y。)，照明激光波长为A，图中，R为参考光，戈。-y。面是全息图的记录平面，在该平面上放置CCD，：为记录距离，戈。一Y，面是全息图的再现像平面，d为再现距离．夕吣‘／nj／：一／一z一—．d．—图1数字全息图的记录和再现示意图1数字全息的基本原理数字全息作为一种新的成像技术，遵循了传统上物翼晏嚣募嘉衍射积分公式’可以得到cc。平面收稿日期：2009—09—11；修回日期：2009-11-27基金项目：北京市市属市管高校人才强教计划资助项目和北京市教委科技计划重点项目(KZ200910005001)资助，作者简介：王大勇(1968

6、一)，男，安徽芜湖市人，北京工业大学应用数理学院教授，博士生导师，主要从事光学存储和光学信息处理方面的研究工作．万方数据第4期王大勇，等：光学实验教学中引入数字全息实验的探讨53吣彬H)-鼍笋仃吣川’exp{j去【(XH--Xo)2+(Y．-Y。)2】)dxody。(1)式中，k=兰÷为波数，z是记录距离．假设参考光R是振幅为A的平面光，其传播方向与戈。轴和)，。轴的夹角分别为p毗和0。，，则在CCD记录面上的光场分布为．即彬。)=触p【j孥("。s01h+yHcosORy)】(2)参考光和物光干涉后的全息图光强分布为瞰菇H，YH)三IR+OI2=

7、IRl2+1012+冗’O+RO’(3)CCD记录的是离散化的光强分布，设CCD的像素数为N，xN，，像元尺寸为Ax。xAy。，则通过空间采样后所记录的数字全息图可表示为H(ttgv)=日(xH,YH)rect(盎，砺YH)‘H。Nv∑∑6(茗It--uA戈n，Y．-vAy。)(4)其中u和移为整数(一Ⅳ，／2≤u≤N，／2—1，一Ⅳ，／2≤口≤N，／2—1)．CCD记录的干涉光强由数据采集卡采集量化后送到计算机中作为图像文件保存起来，当进行数值计算调入计算机内存中时相当于是一个数值矩阵．1．2数字全息图的再现传统光学全息的再现是通过用实际光波照射

8、全息图产生衍射，来得到实像或虚像的．而数字全息的再现与传统全息不同，它是完全在计算机中实现的，通过模拟再现光照明，根据菲涅