实验数字全息及实时光学再现实验

实验原理
1.全息图记录：
h( x, y) u( x, y) r( x, y) 2 uu* R02 ur* u*r
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
北京工大
实验目的
1、 理解数字记录、光学记录、数字再现、光学实时再现 2、 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
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
神经细胞 菲涅耳重建 人体活细胞
x 0.5 m （瑞士）E.Cuche
2002-2004
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)
o(x0 , y0 ) 2
原始物光场 原始物光场强度分布
arg tan Im(o(x0 , y0 )) Re(o(x0 , y0 ))
原始物光场位相分布（包裹位相）
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： 基于菲涅耳衍射
CCD平面物光场：
Laser
DIGITAL HOLOGRAPHY: RECORDING
reference beam
Laser
Phase shifter
object beam
Photographic plate
object beam
Beam splitter
CCD
Beam splitter
(a) Conventional optical holography
Beam splitter
(a) Conventional optical holography
(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。
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, y)r* (x, y) r ( x, y) u( x, y)
u 逆向传播得到聚焦像： ( x, y) 畸变 矫正
Байду номын сангаас
o(x0 , y0 )
u(x,
y)

exp

jk 2z0
(x2

y
2
)


O(
fx,
f
y
)
O(x,
y)

F
o( x0 ,
y0 )
exp

jk 2z0
( x02

y02
)
F
二维傅里叶变换
fx

x
z0
,
fy

y
z0
CCD平面参考光场：r(x,
y)

R0
jk
肝癌细胞（活）
x 0.85 m
（德）B.Kemper 2004
卵巢癌细胞
d=7 μm 角谱再现
x 2.2μm （美）M.K.Kim
SPIE 2006
MEMS(双压电晶片悬臂）
菲涅耳重建 x 0.5 m （意）P.Ferraro Opt.Exp. 2006
西北工大
天津大学
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.）
(b) Digital holography
Phase shifting technique is more easily implemented in DH.
DIGITAL HOLOGRAPHY: RECONSTRUCTION
Laser
Processed photographic
plate
Virtual image
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）
exp

2
z0
x

xr
2

y

yr
2


全息图： h(x, y) u r 2 R02 u 2 ur ru

R02

u
2
O(
fx,
f y )R0
exp

jk 2z0
( xr2

yr2 )