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单次相移数字全息术的研究

甄艳坤  
【摘要】:全息术(Holography)是英国科学家丹尼斯.伽波(Dennis Garbor)于1948年提出的一种成像技术,它是基于人眼之所以能看见外界物体,其直接原因是由于物体所发出的光波到达了人眼的视网膜,视神经细胞接收到物光,从而产生三维空间像的视觉,也就是说即使物体不存在,只要存在一个与物光完全相同的光波,人眼也能够看见物体。按照这一成像理论,伽伯采用了和传统照相截然不同的思路和方法,从波的干涉和衍射基本原理出发,提出了一种记录携带物体三维信息的物光的振幅和位相分布并在一定的条件下对其进行再现,从而获得物体三维空间像的技术。正是由于全息术具有显示物体三维信息的特点,从而使得全息术的应用广泛渗透到了科学技术的各个领域,其中最具代表性的应用有全息显示、全息干涉测量、全息光学元件等方面。 随着计算机技术的迅速发展和它在各个领域的广泛应用,计算机技术和其它相关科学的结合也越来越紧密。当然计算机在光学领域的应用也促进了全息术的发展。尤其在高质量的数字光敏元件迅速发展的前提下,当代计算机技术和全息术紧密结合,开辟了许多新的研究领域,如数字全息、计算全息、模压全息等新技术,其中数字全息术是由顾德门(Goodman)提出的,其基本原理是用光敏电子元件代替普通照相干版来直接记录全息图,将其数字化,然后再通过数字计算的方式来代替光学衍射过程对物光进行再现,以达到再现被记录物体的目的。随着近年来计算机技术迅速发展和CCD(Charge-Coupled Device,电荷耦合器件)等高质量数字光敏元件的出现,近来对数字全息术研究工作逐渐增多。 数字全息术与传统光学全息术相比,它省去了化学处理的程序,可消除像差、噪声以及底片的非线性因素的影响,整个操作过程简单,可适用于实时的定量分析和测量。目前数字全息术已经成为现代全息术研究的一个热点,但其存在的主要问题在于:目前CCD的分辨率与传统记录介质相比至少低一个数量级,因而在全息图的记录过程中多采用同轴记录方式,这势必会造成在全息图的再现过程中再现像质量下降。 本文是在数字全息术的基础上介绍了一种以标量衍射理论为理论基础,通过多次改变参考光或物光的相位值(在本文中采用改变参考光相位的方式),并记录相应的全息图,再利用计算机技术和数字计算方式对全息图进行处理,恢复物光的相位和振幅信息,然后再现物体的新方法——相移数字全息术,其优点在于抑制 了在数字全息术中为克服CCD分辨率低的限制而采取同轴记录方式的全息图的再 现过程中共扼像和零级衍射像对再现像质量的影响。 本文所做工作主要有五部份: 第一部份扼要的叙述了全息术的发展历史,着重介绍了Gabor全息术和数字 全息术的基本原理和发展状况。第二部份介绍了相移数字全息术的基本原理及如 何运用三步算法,四步算法来实现被记录物体的数字再现。第三部份是在相移数 字全息术的基础上提出了单次相移数字全息术,讨论了它的基本原理,并就在单 次相移数字全息术的实验操作过程中,在参考光中所引入的相移误差对于再现像 质量的影响进行了分析。研究结果说明单次相移数字全息术仅需要对参考光相位 进行一次相移操作,不仅操作简单,而且在计算机模拟实验中对输入物和再现像 进行相关运算的结果表明:假定在每次参考光的相移过程中引入相同的相移误差, 对比利用单次相移数字全息术所得再现像和利用三步、四步算法的相移数字全息 术所得再现像,可看出相移误差对利用单次相移数字全息术的再现像的质量影响 最小。由此提出以输入物与再现像的相关程度作为衡量标准,以找出参考光的真 正相移值,以便更彻底的消除共扼像和零级衍射像,从而提高再现像的质量,并 提供了相应的计算机模拟结果加以证明。第四部份是利用MATLAB软件程序对相 移数字全息术进行计算机模拟实验的结果。第五部份是介绍单次相移数字全息术 的光学实验过程,首次提出在相移数字全息术中采用全息光栅同时作为相移装置 和分光装置,这样不仅使记录系统和操作大为简化,大大降低系统的成本,而且 有利于消除在改变光束相位的操作过程中,在相移装置中出现的随机误差。


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