实验25 数字全息及实时光学再现实验
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近代物理实验
实验二十五 数字全息及实时 光学再现实验
郑州大学物理实验中心
Dr. Dennis Gabor signs a copy of the Museum of Holography's inaugural exhibition catalogue, "Through The Looking Glass," during his historic visit to the museum on March 17, 1977. (Photo by Paul D. Barefoot)
基于菲涅耳衍射
jk 2 2 ( x y ) O( f x , f y ) CCD平面物光场： u ( x, y) exp 2 z0 jk 2 2 O( x, y ) F o( x0 , y0 ) exp ( x0 y0 ) 2 z0
肝癌细胞（活）
x 0.85 m
（德）B.Kemper 2004
d=7 μ m 角谱再现
x 2.2 μ m
（美）M.K.Kim
SPIE
卵巢癌细胞
2006
菲涅耳重建
x 0.5 m
（意）P.Ferraro
Opt.Exp. 2006
MEMS(双压电晶片悬臂）
西北工大
天津大学
实验背景
1948，D. Gabor, 提出了“波前重现”（A new microscopy principle, Nature） (Nobel prize) 1962, Leith E N and Upatnieks J., 离轴全息术 （Reconstructed wave fronts and communication theory. JOSA） 1967, J.W. Goodman and R.W. Lawrence, 数字全息术 （Digital Image Formation from Electronically Detected Holograms“, Appl. Phys. Lett.） 1994, U. Schnars, W. Juptner, 第一张数字全息图（Direct recording of holograms by a CCD target and numerical reconstruction Formation from Electronically Detected Holograms“, Appl. Phys. Lett.）
离轴无透镜傅里叶变换全息：
② 再现：会聚球面波照明再现光路
实共轭像
实原始像
图2 无透镜傅里叶变换全息图再现示意图
离轴无透镜傅里叶变换全息：
jk 2 C ( x, y) exp ( x y 2 ) 2 z0 像光场复振幅分布
基于菲涅耳衍射
再现参考光
jk 2 2 U ( xi , yi ) exp ( xi yi ) F h( x, y) U0 ( xi , yi ) U1 ( xi , yi ) U1 ( xi , yi ) 2 z 0
jk 2 2 ( z0 ) R0o ( xi xr , yi yr ) exp ( xi xr ) ( yi yr ) 2 z 0 注：也可以利用准直光再现 即 C ( x, y ) 1
2
无透镜傅里叶变换全息的优点
记录光路结构简单； 能够充分利用CCD的有限带宽 ；
3）搭建下图所给光路，依次调整激光器、扩束系统、准直系统、空间光调制 器、凸透镜和摄像机，保证各器件同轴等高，凸透镜可紧挨空间光调制器。 4）调整电脑分辨率为1024*768使其与空间光调制器匹配，将采集的全息图通 过电脑加载到空间光调制器上。
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，而且可以方便低消除像差、噪声等影响。
在生物细胞成像、工业无损检测等方面具有广泛的 应用前景。
数字全息术的应用
x 0.5 m
（瑞士）E.Cuche
2002-2004 神经细胞 菲涅耳重建 人体活细胞
Virtual image Beam splitter
(a) Conventional optical hBiblioteka Baidulography
(b) Numerical reconstruction with computer
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。
1）读取文件，在菜单栏点击“文件—>打开”，如图7所示，物信息图片尺寸 为1024*1024，一般的物信息尺寸在整尺寸的四分之一或者五分之一，点击图 片，“打开”有会有下图。
2）点击菜单栏中的“全息系统—>计算全息模拟”会有下图的参数设置。在模拟 时可以不更改默认参数。放大率一栏一般为1。也可更改现有参数比如记录距离 调整为500mm，物体大小20mm，放大率为1.
畸变 矫正
o ( x0 , y 0 )
原始物光场
o ( x0 , y 0 )
2
原始物光场强度分布 原始物光场位相分布 （包裹位相）
Im(o( x0 , y0 )) arg tan Re(o( x0 , y0 ))
离轴无透镜傅里叶变换全息： ①记录
ℱ
图1 无透镜傅里叶变换全息图记录示意图
离轴无透镜傅里叶变换全息：
x y , fy z0 z0
jk 2 jk 2 R u O( f x , f y ) R0 exp ( xr yr ) ( xr x yr y) z0 2 z0
2 0 2
jk 2 jk 2 O ( f x , f y ) R0 exp ( xr yr ) ( xr x yr y) z0 2 z0
像光场强度分布 实原始像复振幅
I ( xi , yi ) F h x, y
J 1 ( xi , yi ) F ur
u1 ( xi , yi ) exp
jk 2 2 2 ( x x ) ( y y ) 4 z i r i r 0 J 1 ( xi , yi ) 2 z0
3）点击“OK”，程序会自动运行，随后输出下图全息图
4）点击菜单栏中的“全息系统—>菲涅尔全息数字重建”会弹出参数对 话框，再现参数要和模拟参数相同，点击“OK”，软件计算之后会将重 建结果输出到屏幕上，有下图结果。如果再现参数（再现距离和记录波 长）与记录参数不用得到的图像会变模糊。
图中左上角白框中圈出的“大恒”字便是重建结果。
计算机 数字记录 数字摄像机 光学记录
计算机
全 息 图
图 6 数字全息整体实验方案
数字再现 空间光调制器 光学再现
1、计算机模拟全息（数字记录，数字再现） 计算模拟全息分为两个过程，第一是通过计算机计算出一副图片的全息图，第 二个过程仍然是通过计算机将全息图重建，重建之后就能得到初始的图片。 根据实验原理编写程序，下面给出程序演示结果，打开“VCIP.exe”
DIGITAL HOLOGRAPHY: RECORDING
Laser
reference beam
Laser
Phase shifter
object beam
Photographic plate object beam Beam splitter
CCD
Beam splitter (b) Digital holography
jk 2 2 u1 ( xi , yi ) exp ( xi xr ) ( yi yr ) J 1 ( xi , yi ) 2 z0
jk jk exp ( xr x yr y ) exp ( xi x yi y ) dx0 dy0 z0 z0
Phase shifting technique is more easily implemented in DH.
(a) Conventional optical holography
DIGITAL HOLOGRAPHY:
RECONSTRUCTION
Laser Processed photographic plate
②对离轴全息需同时满足分离条件
全息图分类：同轴、离轴菲涅耳全息；同轴、离轴无透镜傅里叶变 换全息；像全息(+MO无透镜傅里叶变换全息情况）
2.物光波重建：
位相恢复： u ( x ,
r ( x , y ) y )r ( x, y ) u ( x, y )
*
逆向传播得到聚焦像：
u ( x, y )
2、可视数字全息（数字记录，光学再现） 可视数字全息分为两个过程，一是将一副图片通过计算软件得到其全息图，二是 将得到的全息图加载到空间光调制器上，在光路中将物信息再现出来。 1）仍以图 “大恒”为例讲述本实验过程，图片为1024*1024，打开操作软件， 在软件中加载此图片：
2）参考实验1中获得全息图的方法，可得到下面得到“大恒”的计算全息图，如 下图，将图像存储到指定文件夹中，图片大小为1024*1024，格式为bmp，记录 距离为100mm，物体大小20mm条件下的全息图。
( z0 )2 R0o( xr xi , yr yi ) exp
jk 2 ( xi yi2 2 xi xr 2 yi yr ) 2 z0
离轴无透镜傅里叶变换全息：
实共轭像复振幅
基于菲涅耳衍射
jk 2 J 1 ( xi , yi ) O ( f x , f y ) R0 exp ( xr yr2 ) 2 z0
北京工大
实验目的
1、 2、 理解数字记录、光学记录、数字再现、光学实时再现
理解计算模拟全息原理，实现数字记录，数字再现
3、 理解可视数字全息原理，在空间光调制器上加载计算模拟全 息图，利用再现光路恢复物信息，实现数字记录，光学再现 4、 理解实时传统全息实验原理，了解与传统全息之间的异同， 通过空间光调制器再现全息图，完成光学记录，光学再现 5、
探究数字全息在测量方面的应用
实验原理
1.全息图记录：
h ( x , y ) u ( x , y ) r ( x , y ) uu R ur u r
* 2 0 * *
2
零级项
+1级项
-1级项
u ( x, y )
CCD平面物光波
r ( x, y )
CCD平面参考光波
要求：①满足Nyquist抽样定理，即一个条纹周期的抽样数至少为2 对记录距离、参考光偏置、物场大小提出了要求
F
二维傅里叶变换 f x
jk 2 2 CCD平面参考光场：r ( x, y ) R0 exp x xr y yr 2 z0
2 全息图： h( x, y ) u r R0 u ur ru 2 2
J 1 ( xi , yi ) O( f x , f y ) R0 exp
jk jk jk 2 ( xr yr2 ) exp ( xr x yr y ) exp ( xi x yi y ) dx0 dy0 2 z0 z0 z0
允许的最小记录距离与被测量物体的大小成正比； 强度再现像准确、重建速度快；
实验内容与步骤
本实验系统对全息技术做出了全面地展示，具体有一定前沿性和综合性。如果 从全息角度区分，实验内容包括计算机模拟全息、数字全息、可视数字全息、 实时传统全息。如果从记录方式和光学再现方式的角度区分，实验内容可分为 数字记录，数字再现；光学记录，数字再现；数字记录，光学再现；光学记录 、光学再现。图—给出了实验内容的整体规划示意图。
实验二十五 数字全息及实时 光学再现实验
郑州大学物理实验中心
Dr. Dennis Gabor signs a copy of the Museum of Holography's inaugural exhibition catalogue, "Through The Looking Glass," during his historic visit to the museum on March 17, 1977. (Photo by Paul D. Barefoot)
基于菲涅耳衍射
jk 2 2 ( x y ) O( f x , f y ) CCD平面物光场： u ( x, y) exp 2 z0 jk 2 2 O( x, y ) F o( x0 , y0 ) exp ( x0 y0 ) 2 z0
肝癌细胞（活）
x 0.85 m
（德）B.Kemper 2004
d=7 μ m 角谱再现
x 2.2 μ m
（美）M.K.Kim
SPIE
卵巢癌细胞
2006
菲涅耳重建
x 0.5 m
（意）P.Ferraro
Opt.Exp. 2006
MEMS(双压电晶片悬臂）
西北工大
天津大学
实验背景
1948，D. Gabor, 提出了“波前重现”（A new microscopy principle, Nature） (Nobel prize) 1962, Leith E N and Upatnieks J., 离轴全息术 （Reconstructed wave fronts and communication theory. JOSA） 1967, J.W. Goodman and R.W. Lawrence, 数字全息术 （Digital Image Formation from Electronically Detected Holograms“, Appl. Phys. Lett.） 1994, U. Schnars, W. Juptner, 第一张数字全息图（Direct recording of holograms by a CCD target and numerical reconstruction Formation from Electronically Detected Holograms“, Appl. Phys. Lett.）
离轴无透镜傅里叶变换全息：
② 再现：会聚球面波照明再现光路
实共轭像
实原始像
图2 无透镜傅里叶变换全息图再现示意图
离轴无透镜傅里叶变换全息：
jk 2 C ( x, y) exp ( x y 2 ) 2 z0 像光场复振幅分布
基于菲涅耳衍射
再现参考光
jk 2 2 U ( xi , yi ) exp ( xi yi ) F h( x, y) U0 ( xi , yi ) U1 ( xi , yi ) U1 ( xi , yi ) 2 z 0
jk 2 2 ( z0 ) R0o ( xi xr , yi yr ) exp ( xi xr ) ( yi yr ) 2 z 0 注：也可以利用准直光再现 即 C ( x, y ) 1
2
无透镜傅里叶变换全息的优点
记录光路结构简单； 能够充分利用CCD的有限带宽 ；
3）搭建下图所给光路，依次调整激光器、扩束系统、准直系统、空间光调制 器、凸透镜和摄像机，保证各器件同轴等高，凸透镜可紧挨空间光调制器。 4）调整电脑分辨率为1024*768使其与空间光调制器匹配，将采集的全息图通 过电脑加载到空间光调制器上。
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，而且可以方便低消除像差、噪声等影响。
在生物细胞成像、工业无损检测等方面具有广泛的 应用前景。
数字全息术的应用
x 0.5 m
（瑞士）E.Cuche
2002-2004 神经细胞 菲涅耳重建 人体活细胞
Virtual image Beam splitter
(a) Conventional optical hBiblioteka Baidulography
(b) Numerical reconstruction with computer
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。
1）读取文件，在菜单栏点击“文件—>打开”，如图7所示，物信息图片尺寸 为1024*1024，一般的物信息尺寸在整尺寸的四分之一或者五分之一，点击图 片，“打开”有会有下图。
2）点击菜单栏中的“全息系统—>计算全息模拟”会有下图的参数设置。在模拟 时可以不更改默认参数。放大率一栏一般为1。也可更改现有参数比如记录距离 调整为500mm，物体大小20mm，放大率为1.
畸变 矫正
o ( x0 , y 0 )
原始物光场
o ( x0 , y 0 )
2
原始物光场强度分布 原始物光场位相分布 （包裹位相）
Im(o( x0 , y0 )) arg tan Re(o( x0 , y0 ))
离轴无透镜傅里叶变换全息： ①记录
ℱ
图1 无透镜傅里叶变换全息图记录示意图
离轴无透镜傅里叶变换全息：
x y , fy z0 z0
jk 2 jk 2 R u O( f x , f y ) R0 exp ( xr yr ) ( xr x yr y) z0 2 z0
2 0 2
jk 2 jk 2 O ( f x , f y ) R0 exp ( xr yr ) ( xr x yr y) z0 2 z0
像光场强度分布 实原始像复振幅
I ( xi , yi ) F h x, y
J 1 ( xi , yi ) F ur
u1 ( xi , yi ) exp
jk 2 2 2 ( x x ) ( y y ) 4 z i r i r 0 J 1 ( xi , yi ) 2 z0
3）点击“OK”，程序会自动运行，随后输出下图全息图
4）点击菜单栏中的“全息系统—>菲涅尔全息数字重建”会弹出参数对 话框，再现参数要和模拟参数相同，点击“OK”，软件计算之后会将重 建结果输出到屏幕上，有下图结果。如果再现参数（再现距离和记录波 长）与记录参数不用得到的图像会变模糊。
图中左上角白框中圈出的“大恒”字便是重建结果。
计算机 数字记录 数字摄像机 光学记录
计算机
全 息 图
图 6 数字全息整体实验方案
数字再现 空间光调制器 光学再现
1、计算机模拟全息（数字记录，数字再现） 计算模拟全息分为两个过程，第一是通过计算机计算出一副图片的全息图，第 二个过程仍然是通过计算机将全息图重建，重建之后就能得到初始的图片。 根据实验原理编写程序，下面给出程序演示结果，打开“VCIP.exe”
DIGITAL HOLOGRAPHY: RECORDING
Laser
reference beam
Laser
Phase shifter
object beam
Photographic plate object beam Beam splitter
CCD
Beam splitter (b) Digital holography
jk 2 2 u1 ( xi , yi ) exp ( xi xr ) ( yi yr ) J 1 ( xi , yi ) 2 z0
jk jk exp ( xr x yr y ) exp ( xi x yi y ) dx0 dy0 z0 z0
Phase shifting technique is more easily implemented in DH.
(a) Conventional optical holography
DIGITAL HOLOGRAPHY:
RECONSTRUCTION
Laser Processed photographic plate
②对离轴全息需同时满足分离条件
全息图分类：同轴、离轴菲涅耳全息；同轴、离轴无透镜傅里叶变 换全息；像全息(+MO无透镜傅里叶变换全息情况）
2.物光波重建：
位相恢复： u ( x ,
r ( x , y ) y )r ( x, y ) u ( x, y )
*
逆向传播得到聚焦像：
u ( x, y )
2、可视数字全息（数字记录，光学再现） 可视数字全息分为两个过程，一是将一副图片通过计算软件得到其全息图，二是 将得到的全息图加载到空间光调制器上，在光路中将物信息再现出来。 1）仍以图 “大恒”为例讲述本实验过程，图片为1024*1024，打开操作软件， 在软件中加载此图片：
2）参考实验1中获得全息图的方法，可得到下面得到“大恒”的计算全息图，如 下图，将图像存储到指定文件夹中，图片大小为1024*1024，格式为bmp，记录 距离为100mm，物体大小20mm条件下的全息图。
( z0 )2 R0o( xr xi , yr yi ) exp
jk 2 ( xi yi2 2 xi xr 2 yi yr ) 2 z0
离轴无透镜傅里叶变换全息：
实共轭像复振幅
基于菲涅耳衍射
jk 2 J 1 ( xi , yi ) O ( f x , f y ) R0 exp ( xr yr2 ) 2 z0
北京工大
实验目的
1、 2、 理解数字记录、光学记录、数字再现、光学实时再现
理解计算模拟全息原理，实现数字记录，数字再现
3、 理解可视数字全息原理，在空间光调制器上加载计算模拟全 息图，利用再现光路恢复物信息，实现数字记录，光学再现 4、 理解实时传统全息实验原理，了解与传统全息之间的异同， 通过空间光调制器再现全息图，完成光学记录，光学再现 5、
探究数字全息在测量方面的应用
实验原理
1.全息图记录：
h ( x , y ) u ( x , y ) r ( x , y ) uu R ur u r
* 2 0 * *
2
零级项
+1级项
-1级项
u ( x, y )
CCD平面物光波
r ( x, y )
CCD平面参考光波
要求：①满足Nyquist抽样定理，即一个条纹周期的抽样数至少为2 对记录距离、参考光偏置、物场大小提出了要求
F
二维傅里叶变换 f x
jk 2 2 CCD平面参考光场：r ( x, y ) R0 exp x xr y yr 2 z0
2 全息图： h( x, y ) u r R0 u ur ru 2 2
J 1 ( xi , yi ) O( f x , f y ) R0 exp
jk jk jk 2 ( xr yr2 ) exp ( xr x yr y ) exp ( xi x yi y ) dx0 dy0 2 z0 z0 z0
允许的最小记录距离与被测量物体的大小成正比； 强度再现像准确、重建速度快；
实验内容与步骤
本实验系统对全息技术做出了全面地展示，具体有一定前沿性和综合性。如果 从全息角度区分，实验内容包括计算机模拟全息、数字全息、可视数字全息、 实时传统全息。如果从记录方式和光学再现方式的角度区分，实验内容可分为 数字记录，数字再现；光学记录，数字再现；数字记录，光学再现；光学记录 、光学再现。图—给出了实验内容的整体规划示意图。