数字全息术及其应用

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1.3.2 傅里叶变换数字全息
主要特点：它记录的不是物光波本身，而是物光 波变换的傅里叶频谱，光波通过透镜后焦面的光场分 布是其前焦面光场分布的傅里叶变换，利用此原理， 可以推出傅里叶变换全息图的强度分布。
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1.3.3 无透镜傅里叶变换数字全息
记录的干涉光强是位置的有关函数，只是在推导 中方便应用了傅里叶变换，在记录过程中没有经过透 镜。相对平面波参考光而言 , 利用球面参考光波记录 的干涉图空间频率降低 , 易满足 CCD 采样条件 , 因而可 以记录相对大些尺寸物体的数字全息图。
涉函数.
（2）数字全息技术(DH-Digital Holography)
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第二部分 数字全息术（DH-Digital Holography）
1 数字全息技术的原理 2 数字全息技术的应用 3 数字全息技术的研究现状
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1 数字全息技术的原理
数字全息技术是光学与光电技术、数字计算机技术 的结合，用CCD/CMOS记录全息图，并通过计算机 数值模拟光学衍射过程再现物光波前，可实时再现 逼真的三维物体。 数字全息技术实现了全息图的记录、存储、传输和 再现的完全数字化，可通过网络实时传输和异地显 示，而且可以方便消除像差、噪声等影响。 在生物医学成像、工业无损检测等方面具有广泛的 应用前景。



采用计算机数字再现，可方便地对所记录的数字全息图进 行图像处理，减少或消除在全息图记录过程中的噪声等因 素的影响。
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1.3 数字全息术的分类
目前最基本的数字全息类型分别为:
菲涅耳数字全息,
傅里叶变换数字全息
无透镜傅里叶变换数字全息,
像面显微放大数字全息。
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1.3.1 菲涅耳数字全息
记录的是研究对象的衍射光波与参考光波的干 涉图 , 物体不需要经过变换和成像透镜 , 只要物体到 记录 CCD 的距离满足菲涅耳衍射距离要求 , 实验光路 简单易调节,在数字全息研宄中被广泛应用和研究。
A R( x, y ) O( x, y )
所以，求得合光强为：
I A
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[ R ( x, y ) O( x, y )][ R * ( x, y ) O * ( x, y )] I R I o cos[ R ( x, y ) o ( x, y )] I R I o cos ( x, y ) （ 1 ）
全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息， 故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像。通 过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图 像，而且能互不干扰地分别显示出来。
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2 全息技术的原理
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3 全息图的分类及特点
1、按着制作方法
2、按着光路结构 3、按着再现方式
光学记录全息图 计算机像素全息图 同轴全息图 离轴全息图 单色光全息图 复色 光全 息图
反射全息图 相面全息图 彩虹全息图 假彩色编码全息图 真彩色编码全息图 角度多路合成全息图 多通道全息图
4、按着实际用途
普通：检测,存储等
特殊：加密，防伪等
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同轴全息和离轴全息比较：
同轴： 记录
再现
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离轴： 记录
再现
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全息图的基本特点：
1、图像是三维立体图。
2、得到的是彩色图片，永不变颜色。
图像记录
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Laser Processed photographic plate
Virtual image
Beam splitter
(a) Conventional optical holography
(b) Numerical reconstruction with computer
图像再现
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1.2 数字全息术的优点

用光电图像传感器记录全息图，灵敏度高，响应速度快， 因此能够记录运动物体的各个瞬时状态，且对稳定性的要 求大大降低，扩展了全息术的应用范围。 省去了繁琐的化学湿处理过程，所记录的数据直接由数据 采集卡经A/D转换和量化后送到计算机进行处理，提高了 效率，可用于需要实时处理的场合; 可以直接得到记录物体再现像的复振幅分布，物体的表面 亮度和轮廓分布都可通过复振幅得到，因而可方便地用于 实现多种定量测量;
缘增强；图像的假彩色编码。
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全息无损检测：
一般是在被检测的元件上轻微激励，并在加力 前后记录二次曝光全息图（或时间平均全息图），
如元件存在缺陷，就会使其表面产生不规则的形变，
从而使在该处的干涉条纹图样也发生不规则的变形。
通常采用下列四种加力或激励形式：
1)直接机械加力；2)加压或抽真空； 3)加热或冷却； 4)振动激励。
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1.3.4 数字显微像面全息
把光学显微术和数字全息术结合一起的技术 , 它 无损检测、高分辨率成像、快速探测等优点 , 被研宄 人员广泛应用于诸如生物细胞测量、微观粒子测量与 跟踪等不同领域的微观结构测量 , 同时实用化数字全 息显微仪也己问世。
数字显微像面全 息记录坐标系统 变换示意图
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1.3.2 数字显微像面全息
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2 全息技术的原理
第一步：利用干涉原理记录物体光波信息。 即拍摄过程：被摄物体在激光辐照下形成漫射式的 物光束；另一部分激光作为参考光束射到全息底片 上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的
位相和振幅转换成在空间上变化的强度。从而利用
干涉条纹间的反差和间隔，将物体光波的全部信息
记录下来。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影
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1.1 数字全息技术与传统光学全息技术的比较：
Laser reference beam Laser Phase shifter
CCD
object beam Photographic plate Beam splitter (a) Conventional optical holography object beam Beam splitter (b) Digital holography
3、不可撕毁性（冗余度大）：每一部分都能
再现原物的整个图像。
4、一次拍摄，可以得到两个图像：原始像和 共轭象。
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全息照相
普通照相
全息照相过程分记录、再现两 普通照相过程是以 步，它是以干涉、衍射等波动光 几何光学的规律为基 学的规律为基础的。 础的。 全息图所记录的是物体各点的 全部光信息，包括振幅和相位。 全息照相过程中物体与底片之 间是点面对应的关系，即每个物 点所发射的光束直接落在记录介 质整个平面上。反过来说，全息 图中每一个局部都包含了物体各 点的光信息。 普通照相底片记录 的仅是物体各点的光 强（或振幅） 普通照相过程中物 像之间是点点对应的 关系，即一个物点对 应像平面中的一个像 点。


Dennis Gabor
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1960年梅曼研制成功了红宝石激光器。
1961年贾范等制成了氦氖激光器，产生了一种 全所未有的优质相干光源。 1962 年美国科学家E.N.利思和J.乌帕特尼克斯 用激光器对伽柏的技术做了划时代的改进，全 息术的研究从此获得了突飞猛进的发展。
近40年来，全息技术的研究日趋广泛深入，开 辟了全息应用的新领域，成为近代光学的一个 重要分支。
4、白光全息技术：
克服相干光的缺点（相干噪声大、能量损 失大 4%0）提高全息图质量。
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5、全息技术的新方法：
随着计算机、光机电一体化等技术的发展，又 产生了新的全息技术。 （1）计算全息术(CGH- Computer Generated Holography):光学全息技术中引入计算机技术，利 用计算机的数值计算来模拟物波模型函数和光学干
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全息图片
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全息图片
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4 全息过程的相关理论：
全息过程的数学描述：
（1）记录过程： 物光波的复振幅：O( x, y ) O0 exp[ io ( x, y )]
参考光的复振幅：R( x, y ) R 0 exp[ i R ( x, y )]
在记录平面上接收到的光波复振幅为：
目的是要确定裂缝、空隙、脱胶、脱层、残余
应力、配合不良或尺寸不准以及材料的非均匀性等
缺陷的位置和尺寸
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6 全息技术的发展方向：
1、全息元件：
一些特殊作用的全息元件研制等。
2、全息加密技术：
如何进一步提高全息图的技术含量。
3、全息计量技术：（非线性曝光；增加光程差）
如何进一步提高测量的精度 ；干涉条纹 的自动识别和判读的问题。
1、全息图像显示：
照片；图片；邮票；书籍、杂志的封皮与插页等。
2、包装和防伪：
产品的包装、标牌和商标；饰品；广告；人民币；银行卡； 居民身份证等。
3、全息计量技术：（两次曝光法；时间平均法）
面内和离面位移测量；残余应力测量；振动模式测量；气流 分布测量； 粒子大小和分布测量等。
4、全息元件：光栅； 透镜； 波带片等。 5、光学信息处理技术：图像识别； 图像的消模糊和边
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2 数字全息术的应用
1 工程问题的无损检测。 2 生物医学中的无损检测。 3 固体力学中的无损检测。
4 粒子场测量
5 定量处理
6 其他
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2.1 数字全息术的应用举例：
（瑞士）E.Cuche 三维生物医学显 微镜
神经细胞 菲涅耳重建 人体活细胞
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2.1 数字全息术的应用举例
肝癌细胞检测
（德）B.Kemper
等处理程序后，便成为一张全息图或称全息照片。
7
2 全息技术的原理
8
2 全息技术的原理
第二步：利用衍射原理再现物体光波信息。 即成象过程：全息图犹如一个复杂的光栅，在相干激 光照射下，一张线性记录的正弦型全息图的衍射光波 一般可给出两个象，即原始象和共轭象。再现的图像