数字全息再现像质的改善

第26卷第3期苏州大学学报(自然科学版)Vo l126No.3 2010年7月J O URNAL OF S UZ HOU UNI VERSI TY(NAT URAL S CIENC E ED I T I ON)J u.l2010

数字全息再现像质的改善

朱余良,周皓,顾济华

(苏州大学物理科学与技术学院,江苏苏州215006)

摘要:基于数字全息基本理论,设计并建立了离轴反射式数字全息记录光路,对不透明骰子进行了记录,并

采用菲涅耳近似法数值再现.从数字全息图的记录、零级衍射的消除、再现像的图像增强三个方面展开实验.

实验结果表明,数字全息再现像的质量可以得到有效的改善.

关键词:数字全息;零级像;再现像质

中图分类号:O438.1文献标识码:A文章编号:1000-2073(2010)03-0051-05

I m p rove m en t of reconstructed i m age of d igita l hologram

Z hu Yu liang,Zhou H ao,Gu Jihua

(Sc h ool of Phys ical Science and T echnology,Su z hou Un i v.,Su z hou215006,Ch i na)

Abstract:Based on the theory of digita l hol o graphy,the of f2axis refl e ctive optical syste m f or record2

i n g digita l hologra m is designed and set up.The opaque d i c e is recorded and the hol o gra m is then

numerica l reconstructed by means of Fresne l dif fracti o n.Experi m ental studies i n cl u de record i n g digit2

al hol o gra m,e li m i n ati n g z ero2order diff raction and enhanc i n g reconstructed i m age.The experi m ental

resu lts sho w t h at t h e quality of the reconstr ucted i m age can be i m proved e f fecti v ely.

K ey w ord s:digita l holography;zer o2order i m age;qua lity of reconstr ucted i m age

0引言

数字全息技术是Goodman[1]在1967年提出的,采用CCD代替传统全息干板记录全息图,通过计算机模拟参考光数值再现物光波前,实现了全息图的记录、存储和再现的数字化.数字全息可同时记录物光场的振幅和相位信息,是一种理想的形貌和相位分布测量方法,广泛应用于形貌测量[2]、显微观测[3]、信息加密[4]等领域的研究.

在数字全息的实际应用中,再现像质是个关键问题,它直接影响测量的准确性.针对这一问题,国内外已有不少学者对数字全息再现像质的改善问题进行了研究,但大多局限于记录条件的理论分析[5]、零级像的处理[6-8]等方面研究,未形成一套系统的实验研究方法.

影响数字全息再现像质的因素主要来源于三个方面:(1)与全息干板相比,目前CCD依然存在孔径小、像元尺寸大的不足,使得数字全息再现像的分辨率较低,像质较差;(2)与光学全息一样,数字全息再现像中存在零级衍射的干扰.数字全息图的衍射效率普遍比较低,零级像占据了衍射的大部分能量,在再现像的中心形成大亮斑,导致再现像严重降质;(3)光路系统中的寄生干涉以及散斑噪声影响再现像质.为提高数字全息再现像的质量,本文首先对离轴数字全息记录条件进行分析,选择合适的记录参数,最大限度地利用CCD的有效带宽,记录高质量的数字全息图;然后利用数字图像处理技术对全息图进行预处理,来消除再现时的零级像;同时通过灰度变换扩展再现像的对比度和亮度,通过平滑滤波技术抑制再现像中的散斑噪声,使再现像得

收稿日期:2010-03-18

作者简介:朱余良(1981-),男,江苏如皋人,硕士研究生,主要从事数字全息及光信息处理等方面的研究.

52 苏 州 大 学 学 报(自然科学版)第26卷到增强.实验研究表明,综合利用该套方法可获得较高质量的数字全息再现像.

1 菲涅耳数字全息的记录与再现

全息记录的是参考光波和物光波的干涉条纹强度,分别以R(x,y)和O (x,y)表示参考光波和物光波的复振幅,则全息记录面上的干涉强度分布为

I (x,y )=|R (x,y )|2+|O (x,y)|2+R *(x,y)O (x,y )+R (x,y)O *(x,y)(1.1)数字全息图的记录介质是CCD ,CCD 记录的是离散的强度分布.设CCD 光敏面尺寸为L x @L y ,有N x @N y 个像元,像元大小为$x @$y ,通过空间采样后,CCD 记录的强度分布可表示为

I (k ,l)=I (x,y )co mb x $x ,y $y rect x L x ,y

L y

(1.2)

式中k 、l 为整数,且-N x 2[k [N x 2、-N y 2[l [N y 2.数字全息的再现采用菲涅耳衍射近似数值再现算法,若采用单位复振幅平面波为照明波前,再现像面上光波的复振幅分布可表示为

U (x c ,y c )=exp (jkd )j K d exp j k 2d

(x c 2+y c 2)@k

I (x,y )exp j k 2d (x 2+y 2)exp [-j k d (x c x +y c y)]d x d y (1.3)式中d 为再现距离,当再现距离等于记录距离时,可得到清晰的再现像.将式(1.3)改成离散形式: U(m,n )=exp (jkd )j K d exp [j k 2d (m 2$x c 2+n 2$y c 2)]DFT I(k ,l)exp [j k 2d (k 2$x 2+l 2$y 2)](1.4)式中DFT 表示离散傅里叶变换,再现像面上的采样间隔$x c 和$y c 可表示为

$x c =K d N x $x ,$y c =K d N y $y (1.5)2 实验装置与实验结果

2.1 记录高质量的数字全息图

实验所采用的记录光路如图1所示,H e 2N e 激光器发出的波长为632.8nm 的激光经过分束器BS 1分为两束,分别经BE 1和BE 2扩束后,通过针孔滤波器P i n hole 1和P i n hole 2,再由透镜Lens 1和Lens 2准直,最终物光与参考光由BS 2合束,图中M 1、M 2、M 3及M 4均为反射镜.用于记录的CCD 光敏面为8.47mm(H )@

7.10mm(V),像元尺寸为3.45L m @3.45L m ,像元数为2456@2058.被记录的物体为三维实物骰子,其长、宽、高均为7.5mm .

图1 离轴数字全息实验光路