数字全息术专题.ppt

1、光波的完整记录与再现光波的完整记录与再现Recording and Reconstruction of Light Wavefront全息术全息术Holography 全息照相全息照相ABCA.全息图是被记录材料记录下来的全息图是被记录材料记录下来的 光波和光波和 光波的光波的干涉图，其复振幅透过率正比于干涉场的干涉图，其复振幅透过率正比于干涉场的 分布。分布。物物参考参考光强度光强度B.菲涅耳全息图记录的是菲涅耳全息图记录的是 。C.傅里叶变换全息图记录的是傅里叶变换全息图记录的是 。物体的傅里叶频谱物体的傅里叶频谱物体的菲涅耳衍射波物体的菲涅耳衍射波菲涅耳衍射的菲涅耳衍射的F.T.表达式表

2、达式球面波的复振球面波的复振幅表达式幅表达式透镜的位相变换因子透镜的位相变换因子菲涅耳衍射菲涅耳衍射（空域）（空域）数字全息术数字全息术数字全息术数字全息术 Digital holographyDigital holographyHuaying WangCollege of Sciences Hebei University of College of Sciences Hebei University of EngineeringEngineering内容简介内容简介数字全息成像的基本原理数字全息成像的基本原理数字全息成像技术的应用数字全息成像技术的应用无透镜傅里叶变换全息术无透镜傅里叶变换

3、全息术一、数字全息术概述一、数字全息术概述l1948，D.Gabor,提出了提出了“波前重现波前重现”（A new microscopy principle,Nature）(Nobel prize)l1962,Leith E N and Upatnieks J.,离轴全息术离轴全息术（Reconstructed wave fronts and communication theory.JOSA）l1967,J.W.Goodman and R.W.Lawrence,数字全息术数字全息术（Digital Image Formation from Electronically Detected Ho

4、lograms“,Appl.Phys.Lett.）l1994,U.Schnars,W.Juptner,第一张数字全息图第一张数字全息图（Direct recording of holograms by a CCD target and numerical reconstruction Formation from Electronically Detected Holograms“,Appl.Phys.Lett.）Dr.Dennis Gabor signs a copy of the Museum of Holographys inaugural exhibition catalogue,Th

5、rough The Looking Glass,during his historic visit to the museum on March 17,1977.(Photo by Paul D.Barefoot)(a)Conventional optical holographyobject beamBeam splitterLaserPhase shifterobject beamBeam splitterCCDLaserPhotographic plate(b)Digital holographyPhase shifting technique is more easily implem

6、ented in DH.reference beamDigital holography:recording一、数字全息术概述一、数字全息术概述(a)Conventional optical holographyVirtual imageBeam splitterLaser(b)Numerical reconstruction with computerProcessed photographic plateDigital holography:reconstruction一、数字全息术概述一、数字全息术概述一、数字全息术概述一、数字全息术概述l l数字全息技术是光学与光电技术、数字计算机技术

7、数字全息技术是光学与光电技术、数字计算机技术数字全息技术是光学与光电技术、数字计算机技术数字全息技术是光学与光电技术、数字计算机技术的结合，用的结合，用的结合，用的结合，用CCDCCD记录全息图，并通过计算机数值模记录全息图，并通过计算机数值模记录全息图，并通过计算机数值模记录全息图，并通过计算机数值模拟光学衍射过程再现物光波前，可拟光学衍射过程再现物光波前，可拟光学衍射过程再现物光波前，可拟光学衍射过程再现物光波前，可实时再现逼真的实时再现逼真的实时再现逼真的实时再现逼真的三维物体三维物体三维物体三维物体。l l数字全息技术实现了全息图的记录、存储、传输和数字全息技术实现了全息图的记录、存储

8、、传输和数字全息技术实现了全息图的记录、存储、传输和数字全息技术实现了全息图的记录、存储、传输和再现的完全再现的完全再现的完全再现的完全数字化数字化数字化数字化，可通过网络实时传输和异地显，可通过网络实时传输和异地显，可通过网络实时传输和异地显，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。示，而且可以方便低消除像差、噪声等影响。示，而且可以方便低消除像差、噪声等影响。示，而且可以方便低消除像差、噪声等影响。l l在生物细胞成像、工业无损检测等方面具有广泛的在生物细胞成像、工业无损检测等方面具有广泛的在生物细胞成像、工业无损检测等方面具有广泛的在生物细胞成像、工业无损检测等

9、方面具有广泛的应用前景。应用前景。应用前景。应用前景。二、数字全息术的应用二、数字全息术的应用（瑞士）（瑞士）（瑞士）（瑞士）E.Cuche E.Cuche 2002-2004 2002-2004神经细胞神经细胞神经细胞神经细胞 菲涅耳重菲涅耳重菲涅耳重菲涅耳重建建建建人体活细胞人体活细胞人体活细胞人体活细胞（德）（德）（德）（德）B.Kemper 2004 2004肝癌细胞（活）肝癌细胞（活）肝癌细胞（活）肝癌细胞（活）二、数字全息术的应用二、数字全息术的应用（美）（美）（美）（美）M.K.Kim M.K.Kim SPIE 2006 SPIE 2006d=7 d=7 角谱再现角谱再现角谱再现

10、角谱再现卵巢癌细胞卵巢癌细胞卵巢癌细胞卵巢癌细胞二、数字全息术的应用二、数字全息术的应用（意）（意）（意）（意）P.Ferraro P.Ferraro Opt.Exp.2006 Opt.Exp.2006菲涅耳重建菲涅耳重建菲涅耳重建菲涅耳重建MEMS(MEMS(双压电晶片悬臂）双压电晶片悬臂）双压电晶片悬臂）双压电晶片悬臂）二、数字全息术的应用二、数字全息术的应用西北工大西北工大西北工大西北工大天津大学天津大学天津大学天津大学北京工大北京工大北京工大北京工大二、数字全息术的应用二、数字全息术的应用三、数字全息成像基本原理三、数字全息成像基本原理1.1.全息图记录：全息图记录：全息图记录：全息图

11、记录：CCDCCD平面物光波平面物光波平面物光波平面物光波CCDCCD平面参考光波平面参考光波平面参考光波平面参考光波要求要求要求要求：满足满足满足满足NyquistNyquist抽样定理，即一个条纹周期的抽样数至少为抽样定理，即一个条纹周期的抽样数至少为抽样定理，即一个条纹周期的抽样数至少为抽样定理，即一个条纹周期的抽样数至少为2 2对记录距离、参考光偏置、物场大小提出了要求对记录距离、参考光偏置、物场大小提出了要求对记录距离、参考光偏置、物场大小提出了要求对记录距离、参考光偏置、物场大小提出了要求全息图分类：全息图分类：全息图分类：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

12、同轴、离轴菲涅耳全息；同轴、离轴无透镜傅里叶变同轴、离轴菲涅耳全息；同轴、离轴无透镜傅里叶变同轴、离轴菲涅耳全息；同轴、离轴无透镜傅里叶变 换全息；像全息换全息；像全息换全息；像全息换全息；像全息(+MO(+MO无透镜傅里叶变换全息情况）无透镜傅里叶变换全息情况）无透镜傅里叶变换全息情况）无透镜傅里叶变换全息情况）零级项零级项+1级项级项-1级项级项对离轴全息需同时满足分离条件对离轴全息需同时满足分离条件对离轴全息需同时满足分离条件对离轴全息需同时满足分离条件三、数字全息成像基本原理三、数字全息成像基本原理2.2.物光波重建：物光波重建：物光波重建：物光波重建：逆向传播得到聚焦像：逆向传播得到

13、聚焦像：逆向传播得到聚焦像：逆向传播得到聚焦像：畸变畸变矫正矫正 原始物光场原始物光场原始物光场原始物光场位相恢复：位相恢复：位相恢复：位相恢复：原始物光场强度分布原始物光场强度分布原始物光场强度分布原始物光场强度分布原始物光场位相分布原始物光场位相分布原始物光场位相分布原始物光场位相分布（包裹位相）（包裹位相）（包裹位相）（包裹位相）三、无透镜傅里叶变换全息全息三、无透镜傅里叶变换全息全息 记录记录图图1 1 无透镜傅里叶变换全息图记录示意图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：离轴无透镜傅里叶变换全息：离轴无透镜傅里叶变换全息：离轴无透镜傅里叶变换全息：离轴无透镜傅里叶

14、变换全息：离轴无透镜傅里叶变换全息：离轴无透镜傅里叶变换全息：离轴无透镜傅里叶变换全息：二维傅里叶变换二维傅里叶变换二维傅里叶变换二维傅里叶变换CCDCCD平面物光场：平面物光场：平面物光场：平面物光场：CCDCCD平面参考光场：平面参考光场：平面参考光场：平面参考光场：全息图：全息图：全息图：全息图：基于菲涅耳衍射基于菲涅耳衍射基于菲涅耳衍射基于菲涅耳衍射三、无透镜傅里叶变换全息全息三、无透镜傅里叶变换全息全息离轴无透镜傅里叶变换全息：离轴无透镜傅里叶变换全息：离轴无透镜傅里叶变换全息：离轴无透镜傅里叶变换全息：再现：再现：会聚球面波照明再现光路会聚球面波照明再现光路图图2 2 无透镜傅里叶

15、变换全息图再现示意图无透镜傅里叶变换全息图再现示意图实共轭像实共轭像实原始像实原始像三、无透镜傅里叶变换全息全息三、无透镜傅里叶变换全息全息离轴无透镜傅里叶变换全息：离轴无透镜傅里叶变换全息：离轴无透镜傅里叶变换全息：离轴无透镜傅里叶变换全息：像光场复振幅分布像光场复振幅分布像光场复振幅分布像光场复振幅分布实原始像复振幅实原始像复振幅实原始像复振幅实原始像复振幅再现参考光再现参考光再现参考光再现参考光像光场强度分布像光场强度分布像光场强度分布像光场强度分布基于菲涅耳衍射基于菲涅耳衍射基于菲涅耳衍射基于菲涅耳衍射三、无透镜傅里叶变换全息全息三、无透镜傅里叶变换全息全息离轴无透镜傅里叶变换全息：离

16、轴无透镜傅里叶变换全息：离轴无透镜傅里叶变换全息：离轴无透镜傅里叶变换全息：实共轭像复振幅实共轭像复振幅实共轭像复振幅实共轭像复振幅基于菲涅耳衍射基于菲涅耳衍射基于菲涅耳衍射基于菲涅耳衍射注：也可以利用准直光再现注：也可以利用准直光再现注：也可以利用准直光再现注：也可以利用准直光再现 即即即即三、无透镜傅里叶变换全息全息三、无透镜傅里叶变换全息全息l记录光路结构简单；记录光路结构简单；l能够充分利用能够充分利用CCDCCD的有限带宽的有限带宽 ；l允许的最小记录距离与被测量物体的大小成正比；允许的最小记录距离与被测量物体的大小成正比；l强度再现像准确、重建速度快；强度再现像准确、重建速度快；三、无透镜傅里叶变换全息全息三、无透镜傅里叶变换全息全息无透镜傅里叶变换全息的优点：无透镜傅里叶变换全息的优点：四、模拟与实验研究结果四、模拟与实验研究结果模拟结果：模拟结果：模拟结果：模拟结果：四、模拟与实验研究结果四、模拟与实验研究结果实验结果：实验结果：实验结果：实验结果：NFNF:neutral filter glassneutral filter glass PBSPBS:polarize