数事本与度用
基于数字全息技术的光学实验探究
吴铁飞
(宜泰学院江西宜春336000)
应用研究
摘要：数字全息技术是一项融合了光学、电学、信息技水学科的炼合性技水，具有传统光学全息不可超超的优点，笔者首先分析了数字全息技术的记录和再现原理其次通过其体的光学实例展示了数字全息技术在光学实验中记录和再现的应用。
关键词数字全息光学实验菲湿尔全息图
中图分类号:TP391.41;0438.1 1数字全息技术的基本原理
文献标识码：A
数字全息技术虽然是新兴技术，但仍然乘承了传统光学全息的理念，整个过程可以分为两步：第一步，记录。通过用CCD接受全息图，再通过使用图像采集卡将转换为数字信息的全息图存忙到电脑中，第二步，再现。通过计算机语言编程模拟光波得到图像的再现，为了保证图像的清晰度，必须进行滤波消除衍射像。
1.1数宇全息图的记录原理
数字全息的记录和再现原理图如下图1所示。
在上图中，物体平面、全息记录面及图像再现面分别为y，0x平面.y.ox.平面及yox,平面。假设成像时波长为k，R为参考光，z,为图像的记录距离，乙为图像的再现距离。
理论推导：假设成像物体光场分布在y,0Xx平面，并在此处满足菲涅耳衍射条件，依据衍射基本原理，在y,ox,记录平面成像物体的光场分布为：
O(J)（
jzo
+
P2Z
aa-o)p
[(H+OrH-(+
Iidtadya
(1.
假设参考光R属于平面波，振幅为A。，与x轴夹角为6R，与y轴夹角为Ry，其在y.ox,记录平面的光场分布为：
R(xH,YH )= AR exPx(xH sin ORx + YH sinORy)
(2)
记录面上的两列光波叠加产生干涉全息图，进行计算可知光强分布为：
(H JH)=|O(xH JH)+ R(H,JH )2
(3)
R2(rH,JH)+O2(rH,JH )+ R*O(rH,JH )+O*R(rH,JH)
将产生的全息干涉图样经过进一步的数字化、离散化处理，计算可知强度分布为：
N,N
sxH
(ar,v)=I(xH,yH)rec)
[
1
X,JHH
(4)
在上式中,u,v为整数,N,×N、rH,4yH、L，Ly、5，rect分别表示相机的像素阵列、像素尺寸、光敏面尺寸、二维脉冲函数及矩形函数
1.2数宇全息图的再现原理
数字全息图的再现是指通过电脑软件进行模拟光波衍射的再现，具体步要如下：第一步，通过数字信息再现物体和参考光波的全
物面
”全息面
X
儿像面
图1数字全息记录和再现原理图
文章编号:1007-9416(2013)12-0107-01
息波场，第二步，根据光学衍射理论，通过电脑软件进行数字模拟光波的衍射过程，同时计算再现成像平面的光波场分布情况，就能获得物体的强度像和相位像，
首先假设再现光波场与原参考光波场的传播方向相同，同时将其与全息图相乘，可以得到再现光场，表示如下：
O(xHJH)=R(xHJH)(xH,JH)
R[02 +[|2+|^0+ R20=00 + 0+1 + 0-1
(5)
上式中，00、0+1、0.1分别表示零级衍射光、+1级衍射光和-1级衍射光。
其次，利用离散理论知识进行计算，可得再现成像面上物光场
的强度和位相分布为：
Im[o)
I(1)=0(,J1 J29(,J1)= aretar
Reo(x,n)
上式中，Re和Im分别表示取计算结果的实部和虚部。 2数字全息光学实验实例
(6)
将数字全息技术应用于光学实验的主要目的是帮助学生理解数字全息技术的记录和再现的基本过程，通过应用光波衍射理论并通过Matlab编程实现全息图的再现，章握新型技术的使用方法。下述通过使用塑料色子和USAF-1951分辨率鉴别板进行数字全息技术光学实验实例，展示数字全息图的记录和再现。
2.1实验装置组成介绍
所用光源波长为532nm，单纵模固态激光器输出功率为20mW， PBS(偏振分光校镜)与前后半波片组成分光系统，目的为了产生偏振态相同的两束光。一束光作为参考光，另一束光照射到物体作为物光，两者经过BS(消偏振分光楼镜)合束叠加形成全息图，最后采用 CMOS相机记录再现。在进行实验时，物体到相机的距离为500mm。
2.2数字全息图的记录
第一步，为了保证全息图的质量，在进行实验之前要调整物光和参考光的强度比。根据光学理论知识可知两者强度相同、偏振态相同时图像质量最佳。实验时是通过调整PBS左边的率波片来实现物光和参考光的强度比，将两者光线分别照射相机，经过相同的噪光时间比较两者的灰度值来实现两者强度比的调整，
第二步，通过调整PBS右边的率波片来实现偏振态的调整，并通过检偏器来实现两者偏振态的一致性。然后，通过旋转分光棱镜调整光线的入射角，以保证实像、共辑像及零级像能够区分开。实验时为了提高效率常将全息图进行博里叶变换获得频谱图，通过比较上述三者的频谱位置来调整夹角
第三步，设置照相机的眼光时闻，同时调整其工作在线性区域，记录数字全息图。
2.3数字全息图的再现
第一步，为了保证再现图像的质量，首先对其进行滤波处理，主要的目的是除去零级像和共像，避免对再现像造成的干扰。具体过程为：获得变换后的全息频谱图，将再现实像之外的所有频谱都去掉，然后将其进行反傅里叶变换，从而得到再现实像的全息图。
第二步，将上述处理后的全息图，通过数字处理及菲涅尔衍射，通过算法重构物体的再现像。
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