计算全息实验报告.docx
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计算全息实验报告
篇一：
计算全息实验二
实验注意事项（必读）
1.提前预习，没有弄清楚实验内容者，禁止接触实验仪器。
2.注意激光安全。
绝对不可用眼直视激光束，或借助有聚光性的光学组件观察激光束，以免损
伤眼睛。
3.注意用电安全。
He-Ne激光器电源有高压输出，严禁接触电源输出和激光头的输入端，避免触
电。
4.注意保持卫生。
严禁用手或其他物品接触所有光学元件（透镜、反射镜、分光镜等）的光学表面；特别是在调整光路中，要避免手指碰到光学表面。
5.光学支架上的调整螺丝，只可微量调整。
过度的调整，不仅损坏器材，且使防震功能大减。
6.实验完成后，将实验所用仪器摆放整齐，清理一下卫生。
计算全息
（二）
修正离轴干涉型与相息图编码
计算全息是利用计算机设计制作全息图或衍射光学元件的技术。
从原理上，计算全息和光学全息没有什么本质差别，所不同的是产生全息图的方法。
光学全息是直接利用光的干涉特性，通过物波和一束相干参考波的干涉将物波的振幅和位相信息转化成一幅干涉条纹的强度分布图，即全息图。
光学全息记录的物体必须是实际存在的。
而计算全息则是利用计算机程序对被记录物波的数学描述或离散数据进行处理，形成一种可以光学再现的编码图案，即计算全息图。
他不需要被记录物体的实际存在。
由于计算全息图编码的多样性和波面变换的灵活性，以及近年来计算机技术的飞速发展，计算全息技术已经在三维显示、图像识别、干涉计量、激光扫描、激光束整形等研究领域得到应用。
最近计算全息领域的新进展是利用高分辨位相空间光调制器实现了计算全息图的实时再现，这种实时动态计算全息技术已经在原子光学、光学微操纵、微加工、软物质自组织过程的控制等领域得到成功的应用，显示了计算全息技术的巨大应用发展前景。
计算全息除了其在工业和科学研究方面的应用价值，也是一个非常好的教学工具。
要做好一个计算全息图，既要熟悉衍射光学、光全息学等物理知识，还要了解抽样理论、快速傅里叶变换、调制技术和计算机编程方面的知识。
这些知识对于物理类和光电信息技术类专业的学生和研究人员都是不可缺少的。
1、实验目的：
1.通过设计制作一计算全息图、利用高分辨液晶空间光调制器
（LCD）实时再现
该计算全息图、观察再现结果、并利用CCD记录再现像等实验内容；
2.掌握计算全息图的编码原理，加深对光全息原理，光的干涉和衍射特性的
认识；训练使用空间滤波器、空间光调制器（LCD）、CCD图像采集等重要的现代光学实验装置进行数字光学实验的能力。
3.同时初步了解Matlab语言在光学中的应用。
2、实验原理
本实验以经典的迂回相位型计算全息图设计制作过程为例，介绍计算全息的基本原理。
一般说来，计算全息图的制作大致可分成下述五个步骤：
1.选择物体或波面，给初其数学描述或离散数据。
2.计算物波在全息图面上的光场分布。
3.把上述光场分布编码成全息图的透过率变化。
4.输出：
光学缩版或微加工。
5.光学再现。
制作一张傅里叶变换计算全息图的典型流程如图1所示。
对于用高分辨空间光调制器实时再现的情况，上述第4步的照相缩版或微加工步骤可以省去。
下面我们就对迂回相位型计算全息图的制作过程进行详细地介绍。
图1
2.1物面和全息图面的抽样
数字计算机通常只能对离散的数字信号进行处理，并以离散的形式输出。
因此，制作计算全息图的第一步是对物波函数进行抽样。
设待记录的物波函数为
f（x/y）?
a（x/y）exp[i?
（x/y）]/
（1）其傅里叶变换（空间频谱）为
F（u,v）?
A（u,v）exp[i?
（u,v）],
（2）为满足抽样定理（见附录）的
要求，物波函数及其空间频谱函数必须是带限函数，即
f（x,y）?
O
F（u,v）?
Ox?
u?
?
x?
u”y?
v?
?
y?
v..（3）
在此条件下，根据抽样定理，对物函数及其频谱函数的抽样间隔应为：
ll,?
V?
?
u?
v.ll?
u?
?
v?
.?
x?
v?
x?
（4）
取⑷式中的等号，抽样单元总数M?
N?
?
x?
y?
u?
v是相同的。
2.2计算
对于傅里叶变换全息图，全息图上记录的是物波的空间频谱F（u,v）,因此必须对物波函数进行离散傅里叶变换。
离散傅里叶变换的公式如下：
F（j,k）?
m?
?
Mn?
?
N?
?
M?
lN?
lf（m,n）exp[?
i2?
（jmkn?
）.MN（5）
为了减少运算时间，通常釆用快速傅里叶变换（FFT）算法。
计算结果一般为复数:
FFTf（m,n）?
?
?
?
F（j,k）?
Fr（j,k）?
iFi（j,k）,（6）
其振幅和位相可分别表示为：
A（j,k）?
?
（j,k）?
tan?
l（F（j,k））.Fr（j,k）（7）
2.3编码
编码的目的就是将计算出的全息图面上的复振幅函数转化成实值函数。
从编码函数构造的角度来说，计算全息技术主要有两大类：
纯计算编码型和光学模拟型。
二者的主要差别是，前者的编码函数是人为构造出来的，后经数学证明和实验验证，可以再现物光。
因此这一类全息图是计算全息术所特有的，没有传统的光学全息图与之对应。
而后者呢，顾名思义，其编码函数是在研究传统光学全息图透过率函数的基础之上构建起来的，可以说是用计算机来模拟光学记录过程绘制全息图。
当然，这不是简单地模拟，而是以原全息图透过率函数为出发点，仔细研究其物理数学本质，进而构造出既便于计算处理又不损失信息的编码函数。
2.3.1修正离轴干涉型计算全息图
该方法是光学全息干涉记录的计算机模拟。
设被记录物波在记录平面上的复振幅分布为：
uO（x,y）?
O（x,y）exp[i?
O（x,y）],
参考光在记录平面上的复振幅分布为：
（8）
uR（x,y）?
R（x,y）exp[i?
R（x,y）].
普通光学全息干涉记录的结果就是：
H（x,y）?
|uR（x,y）?
uO（x,y）12
?
uR?
uO?
uu?
uu22*
RO*RO（9） .（10）
图2
直接利用（10）就得到普通的离轴干涉型计算全息图。
但由图2（a）给出的这种计算全息图的空间频谱结构可以看出，由于存在物函数的自相关项（第二项），全息图的有效带宽就不能得到充分利用；并且，参考光的角度也必须足够大，才能够使衍射物光与零级光分开。
在普通光学全息图的记录中，物函数的自相关项（第二项）是无法消除的。
但在计算全息图的设计制作中，我们则完全可以通过修改（10）式来消除不需要的自相关项。
构造如下所示的新的全息函数：
**H（x,y）?
0.5?
0.25（uR（x/y）uO（x,y）?
uR（x,y）uO（x,y））
?
0.5[l?
O（x,v）R（x,y）cos（?
R（x,y）?
?
O（x,y））]。
（11）
利用（11）设计的计算全息图就称为修正离轴干涉型计算全息图。
它的空间频谱如图2（b）所示。
显然，记录同样带宽的物函数所需全息图的实际带宽和参考光的载频都大大减小。
2.3.2相息图编码
O（x,y）exp（j?
（x,y）全息图面0'（x,v）exp（j?
'（x,y）
图3
在很多情况下，被记录物体的强度分布是确定的，但其相位分布则可以是任意的。
如图6所示，我们可以通过一种迭代算法找到一个特殊的物面相位分布，使全息图记录平面上衍射物光的振幅值为常数，即
0'（x,y）exp（j?
'（x,y）?
Aexp（j?
'（x,y））,（12）其中A为常数。
此时，物波信息都包含在相位分布中，利用该相位函数设计的全息图就成为相息图。
相息图的制备必须釆用纯相位型的记录介质；或釆用纯相
篇二：
全息专题实验报告
全息实验报告
【背景】
全息术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体光波波前的一种技术。
DennisGabor是全息照相技术的发明者，由此获得了诺贝尔物理学奖。
自此，全息技术逐渐发展起来，近五十年来全息术的研究日趋广泛深入，逐渐开辟了全息应用的新领域，成为近代光学一个重要分支。
现如今全息术已渗透到社会生活的各个领域,并被广泛地应用于近代科学研究和工业生产中，例如利用全息技术进行艺术品展示、防伪商标、3D全息显示屏等，在未来，全息技术还可能被用于全息电视。
【实验目的】
1.复习且巩固全息照相的基本原理与相片制作的处理方法。
2.掌握调节光路的方法。
3.掌握像面全息图的记录和再现原理，学会制作像面全息图；
4.观察像面全息图的再现像，比较其与普通三维全息图的不同之处;
【实验仪器】
全息实验台，激光器，分束镜，反射镜，扩束镜，载物台，底片夹，被摄物体，全息干板，显影及定影器材，凸透镜全息照相【实验原理】
全息照相是借助于相干的参考光束和物光束相互干涉来记录物光振幅和相位的全部信息。
这样的照相把物光束的振幅和相位两种信息全部记录下来。
从光的干涉原理可知：
当两束相干光波相遇，发生干涉叠加时，其合强度不仅依赖于每一束光各自的强度,同时也依赖于这两束光波之间的相位差。
在全息照相中就是引进了一束与物光相干的参考光，使这两束光在感光底片处发生干涉叠加，感光底片将与物光有关的振幅和位相分别以干涉条纹的反差和条纹的间隔形式记录下来，经过适当的处理，便得到一张全息照片。
全息照相过程：
一.把物体光波的全部信息记录在感光材料上（记录过程）。
二.照明已被记录下来的全部信息的感光材料，使其再现原始物体的光波（再现过程）。
实验光路图
【实验内容与步骤】
1.全息照相光路调整
按上图所示光路安排各光学元件，并作如下调整：
（a）使各元件中心点对应的法线平行于桌面并且基本等高；
（b）在底片架上夹一块玻片，使参考光均匀照在玻片上、入射光均匀照亮被摄物体，且其漫反射光能照射到白屏上，调节参考光与物光夹角在30°左右；
（c）使物光和参考光的光程大致相等，光程差小于2cm；
（d）可分别挡住物光和参考光调节其光强比约1:
3〜1:
10,两光束有足够大的重叠区；
（e）所有光学元件必须通过磁钢与平台保持稳定；
2.全息照片的记录
设置好曝光时间。
拿下玻片，用挡光板挡住激光器的光束，在底片夹上装全息干板，使底片的药膜面对着物光和参考光，移开挡光板进行曝光。
然后关闭激光器，取下底片待处理。
（或者一次曝光后，移动全息干板一小段位移，再进行二次曝光。
）
3.照相底片的冲洗
取下曝光后的底片，用清水打湿，放入显影液后，刚发现变色后，马上取出，并用清水冲洗，再放入定影液中定影，然后用流水冲洗，使多余的银粒冲去。
再用电吹风吹干。
4.全息照片的再现观察
用经扩束后的激光照射底片，可观察到清晰的原物体（或者干涉条纹）。
【实验结果】
【误差分析】
1.扩束镜，反射镜等光学仪器调试不当有俯仰角度问题的出现导致光路不平行引起光程差较大，导致图像不太明显。
2.定影显影时间把握不够。
3.物光与参考光的夹角略大于三十度，导致分辨率降低。
像面全息
【实验原理】
像面全息图是一种可用白光再现的全息图，它记录的是物体的几何像，换言之是把成像光束作为物光波，相当于“物"与全息干板重合。
白光再现时各波长所对应的再现象在空间几乎重叠，把像模糊抑制在最低水平。
像面全息图再现时可得到立体感很强的像。
根据菲涅耳点源全息图理论，再现光源宽度的影响：
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（1）?
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式
（1）中，？
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为再现象在x方向的展宽，？
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为再现光源在x方向的宽度，？
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分别为再现象、再现光源与全息图之间的距离；
而再现光源光谱宽度的影响：
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=±?
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2?
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（2）?
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式
（2）中，？
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2为再现光源光谱宽度，？
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1为拍摄全息图时激光的波长，
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