光学滤波与体全息光存储实验报告

光学滤波与体全息光存储实验报告

一、实验目的

1.学习掌握光学信息处理的基本原理和实验技巧；

2.了解体全息存储的基本原理和方法；

3.理解光折变晶体体全息存储过程中动态光栅建立的过程；

4.了解体全息存储光学系统中各光学器件的作用，掌握邻面入射（即90°入射）傅里叶变

换谱面全息记录及再现光路系统的搭建和调试；

5.掌握体光栅角度选择性的测量方法及角度复用存储实验系统，体会体全息存储的优势和

实现大容量存储的途径。

二、实验原理

1.阿贝成像与空间滤波

根据阿贝成像理论，如图1所示，相干成像过程分两步完成，物体通过透镜后形成一系列衍射斑，即物体的空间频谱图样，各衍射斑作为新的次波源发出球面波，在像面上互相叠加，形成物体的像。通过改变谱面上的信息，可以使像产生所希望的变换。

4f系统（如图2）是最典型的空间滤波及光信息处理系统，实验中通过在谱面位置放置不同的遮光屏可实现空间滤波以及相应的信息处理。

图1 阿贝成像原理

图2 4f系统结构

在光学信息处理系统中，空间滤波器是位于空间频率平面上的一种吸收膜片，它可以减弱或去掉某些空间频率成份，改变输入信息的空间频谱，从而实现对输入信息的某种变换，得到我们所希望的改变了的像函数。这种对图像作处理的方法称之为空间滤波。空间滤波器的透过率函数一般是复函数H(ξ,η)=A(ξ,η)exp[ jФ(ξ,η)]

根据透过率函数的性质，空间滤波器可以分为以下几种：

1、二元振幅滤波器

这种滤波器的复振幅透过率是0或1。由二元振幅滤波器所作用的区间又可以细分为：

1)低通滤波器，它只允许位于频谱面中心及其附近的低通分量通过，去掉频谱面上离光轴较远的

高频成份从而滤掉高频噪音，由于仅保留了离轴较近的低频成份，因而图像细结构消失；

2)高通滤波器，它阻挡低频分量而允许高频成份通过，可以实现图像的衬度反转或边缘增强，所

以图像轮廓明显。若把高通滤波器的挡光屏变小，仅滤去零频成份，则可除去图像中的背景，

提高图像质量；

3)带通滤波器，它只允许特定空间的频谱通过，可以去除随机噪声；

4)方向滤波器，它仅通过（或阻挡）特定方向上的频谱分量，可以突出某些方向特征。

2、振幅滤波器

这种滤波器仅改变各频谱成份的相对振幅分布，而不改变其相位分布，通常是使感光片上的透

过率变化正比于函数A(ξ,η)，从而使光场的振幅得到改变。为了作到这一点，必须按一定的函

数分布来控制底片的曝光量分布。

3、相位滤波器

它只改变空间频谱的相位，不改变它的振幅分布。由于不衰减入射光的能量，具有很高的光学

效率。这种滤波器通常用真空镀膜的方法得到，但由于工艺方法的限制，要得到复杂的相位变

化是很困难的。

4、复数滤波器

这种滤波器对各种频率成份的振幅和相位都同时起调制作用，滤波函数是复函数。它的应用很

广泛，但难于制造。1963年范德拉格特用全息方法综合出复数空间滤波器，1965年罗曼和布劳

恩用全息技术制作成复数滤波器，从而克服了制作空间滤波器的重大障碍。

本实验中所用滤波器为第一种，即二元振幅型滤波器。

2. 全息存储原理

1、 体全息存储基本原理

典型的邻面透射式全息存储构成原理如图3所示，待存储的数据（数字或模拟图像）经空间光调制器SLM （Spatial Light Modulator ）上载到物光中，形成二维信息页，然后与参考光在记录介质中发生干涉，利用记录材料的光化学反应形成体全息光栅，完成信息的记录，如图3（a ）所示；读出时使用与记录过程中相同的参考光照明全息图，可以再现存储的全息图，然后使用光信号探测器件如CCD （Charge Coupled Device ）读出图像并传送给计算机，如图3（b ）所示。

图3 体全息存储的记录和读出原理图（a ）记录过程（b ）读出过程

2、 傅里叶（Fourier ）变换谱面全息存储

在众多全息记录方式中，为了实现均匀的物像信息再现，通常采用傅里叶变换谱面全息存储方式。Fourier 变换谱面全息存储结构是一个典型的4-f 系统，如图4所示，物体位于Fourier 变换透镜前焦面，在后焦面记录全息图。再现时探测器放置于逆Fourier 变换透镜的后焦面，再现像与物图像的比例取决于两个透镜的焦距。

再现图

傅里叶

透镜傅里叶

透镜全息图物

图4 傅里叶变换谱面全息记录结构

三、 实验仪器

1.

MGL －Ⅱ100mw ，532nm 绿激光器 2.

2套：显微物镜＋针孔＋小孔光阑＋准直透镜 3.

2个：Fourier 透镜(焦距范围为150mm ～200mm,) 4.

物1：空间光调制器(1024x768)＋PC 电脑 5.

物2：鉴别率板一块 6.

物3：透明胶片，棋盘格图样 7.

探测器：CCD 探测器(800x600)＋PC 电脑 8. 记录材料：铌酸锂（LiNbO3）晶体

9.偏振片2个

10.532nm波长半波片2个

11.衰减器两片

12.连续衰减器1个

13.光阑若干个

14.滤波器：光阑、狭缝、透明胶片、大头针、黑纸等

15.反射镜3个

16.升降台、旋转台、档板、黑白屏若干

17.532nm偏振分光棱镜[1]（PBS）1块

四、实验方案

图5实验系统图

实验系统置于光学平台上，原理示意图如图6所示。光源为MGL-Ⅲ型全固态激光器，波长532nm，输出功率200mW。激光器发出的光束由衰减器衰减后，通过一块1/2波片，再经偏振分光棱镜（PBS）分为两路线偏振光：

①反射光束1（参考光束，偏振方向垂直于光学平台）经反射镜1反射偏转90°，

经物镜1和准直镜1组成的望远系统扩束后，由反射镜2反射再偏转90°，射向记录晶体（掺铁铌酸锂（LiNbO3）晶体）。

②透射光束2（物信号光，偏振方向平行于光学平台）经过物镜2和准直镜2组成

的望远系统扩束，其中在物镜2的焦点处安装一个直径10μm的针孔滤波器，以消除衍射带来的光场强度不均匀。扩束后的准直光，经过光轴与实验平台呈45°角的1/2波片后，其偏振方向偏转90°，由平行于光学平台改为垂直，从而与参考光束一致，以满足干涉条件。此光束照射空间光调制器（SLM），SLM是一个1024×768象素的