数字全息的应用与发展

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1、数字全息的应用与发展曹静20114239001现代光学技术研究所摘要：文章介绍了数字全息的发展，研究现状和目前存在的问题。关键字：数字全息的发展；研究现状；存在问题1引言数字全息是用光电传感器件（如CCD或CMOS）代替干板记录全息图，然后将全息图存入计算机，用计算机模拟光学衍射过程来实现被记录物体的全息再现和处理。数字全息与传统光学全息相比具有制作成本低，成像速度快，记录和再现灵活等优点。近年来，随着计算机特别是高分辨率CCD的发展，数字全息技术及其应用受到越来越多的关注，其应用范围已涉及形貌测量、变形测量、粒子场测试、数字全息显微、防伪、三维

2、图像识别、医学诊断等许多领域。本文主要介绍了数字全息的发展和研究热点及存在的问题。2数字全息的发展简史2.1全息技术的发展[1]全息术的成像过程主要分为两步：波前记录和波前再现。其主要特点是它不仅记录了物体的振幅信息，且记录了物体的位相信息，而更加真实地反映了原物体。根据全息图的记录手段和再现方式的不同，一般可将全息技术分为三类。（1）光学全息：全息图的记录过程是光学过程，再现过程也是利用光学照明来实现的，这种全息过程就是传统的光学全息；（2）计算全息：利用计算机模拟光的传播，通过计算机形成全息图，打印全息图后微缩形成母板，也可用激光直写系统形成

3、计算机全息图CGH或利用液晶光阀或空间光调制器显示全息图，利用光学照明重现，这样的全息方法称作计算全息；全息图的重要特点之一是它能记录的干涉条纹的尺度之小达到了纳米级，这就造成，对于计算全息来说，一幅全息图包含的信息太多，以至于用傅立叶频谱进行编码再现是一项计算量太大的工作，因此初期计算全息能够处理的图像都是简单的符号和条纹。（3）数字全息：数字全息是由顾德门在1967年提出的一种新的全息成像方法，以CCD等光电耦合器件取代传统的干版记录全息图,并由计算机以数字的形式对全息图进行再现，但是当时受到各种条件的制约，一直没有重大的进展，随着计算机技术

4、的发展和高分辨CCD等电荷耦合器件的出现，数字全息技术才得到迅速的发展。2.2数字全息的发展数字全息的发展的一方面主要是由于光学全息中的记录介质本身的缺点很难达到高灵敏度的要求，这就迫使科学家寻找高灵敏度的全息技术。另一方面随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，CCD代替了胶片作为傅立叶变换编码条纹的显示载体，现代计算机计算速度也大大提高，其中数字全息技术是利用CCD电荷耦合器件取代传统光学全息中的记录介质来记录全息图,重建的过程在计算机中完成，全息技术及记录介质的发展为数字全息的出现奠定了坚实的基础。电荷耦合器件CCD是1970年美国贝尔实验室

5、发明的一种半导体固体功能器件，具有体积小、重量轻、灵敏度高、寿命长、低功耗和动态范围大等优点、它在结构上采用一块简单的硅片，把光电转换功能、储存功能以及扫描功能都合并在一起，因此它不需要预热，使用方便，抗振动与抗冲击的能力以及由此引起的抗损伤的能力较强，并且不易受滞后和拖影的影响。CCD探测器可以实时地将二维光学再现图像信号转换为时序电信号，因而具有简便、速度快、与电子信号处理系统兼容、便于与计算机接口等优点，其缺点是光电接收的空间分辨率和灰度级较低。3数字全息的研究现状3.1空间光调制器的研究数字全息系统的核心元件是空间光调制器。通过它可将二维

6、图片直接输入到全息图的拍摄光路中，完成相关记录。在信号源信号的控制下，它能对光波的某个参量进行调制，例如通过吸收调制振幅，通过折射率调制相位，通过偏振面的旋转调制偏振态等等，从而将信源信号所荷载的信息写进光波之中。目前常用的有两种：电寻址薄膜晶体管液晶显示器TFT—LCD和数字微反射镜DMD。电信号寻址的液晶显示器件LCD可以直接接收来自CCD摄像机或计算机的模拟或数字电子信号，因而具有可编程控制性和灵活性，液晶显示屏由许多二维矩阵结构的像素组成，每一个像素相当于一个小液晶盒，液晶盒内一般装有扭曲90度的向列相液晶，能够通过电信号分别独立控制它们

7、。但由于液晶屏分辨率和对比度较低影响全息图的质量，而近年来发展起来的DMD系统具有很大的发展潜力，它的微结构是固定在两根支撑柱上Lm量级的反射镜像素单元，只有以特定的角度（与光轴的夹角为10或12度）入射到这些微反射镜上的入射光才能被投影物镜成像。该系统具有更高光能利用率，更多灰阶和更大的像素分辨率。3.2数字全息图像再现零级像的问题在进行数字全息再现时，如何消除零级像的影响是一个研究热点，因为零级直透光干扰像占有绝大部分的光能量。目前人们主要采用相移技术来消除零级光的影响。但要用4幅位相相互垂直的参考光记录的全息图。一种典型的相移技术数字全息方

8、法如图1所示。图1中，移相器可以控制参考光的相位，设U(x,y)表示物光场分布，UR表示参考光场分布，则U(x,y)可以表示为：(1)这