全息技术数字全息术发展现状及趋势

数字全息术发展现状及趋势一、全息照相术(holography)的起源全息术最初是由英国科学家丹尼斯·伽柏（DennisGabor）于1948年提出来的，伽柏并因此在1971年获得了诺贝尔物理学奖，当初的目的是想利用全息术提高电子显微镜的分辨率，伽柏当初使用汞灯作为光源，但是汞灯作为光源还不是很理想，这种技术由于要求高度相干性及高强度的光源而一度发展缓慢。第一部分光学全息术1960年梅曼（Maiman）研制成功了红宝石激光器，第二年（1961年）贾范（Javan）等制成了氦氖激光器。从此，一种全所未有的优质相干光源诞生了。1962年美国科学家E.N.利思（E.N.Leith）和J.乌帕特尼克斯（J.Upatnieks）用激光器对伽柏的技术做了划时代的改进，全息术的研究从此获得了突飞猛进的发展，近40年来，全息技术的研究日趋广泛深入，逐渐开辟了全息应用的新领域，成为近代光学的一个重用分支。二、全息图（hologram)的分类：1、按着制作方法2、按着光路结构3、按着再现方式4、按着实际用途光学记录全息图计算机像素全息图同轴全息图离轴全息图单色光全息图复色光全息图反射全息图相面全息图彩虹全息图假彩色编码全息图真彩色编码全息图角度多路合成全息图多通道全息图普通特殊：加密全息图1、三维立体图2、彩色图片，永不变颜色3、不可撕毁性（冗余度大）4、一次拍摄，可以得到两个图像（原始像和共轭象）5、。。。。。。三、全息图的基本特点：全息照相普通照相全息照相过程分记录、再现两步，它是以干涉、衍射等波动光学的规律为基础的。普通照相过程是以几何光学的规律为基础的。全息图所记录的是物体各点的全部光信息，包括振幅和相位。普通照相底片记录的仅是物体各点的光强（或振幅）。全息照相过程中物体与底片之间是点面对应的关系，即每个物点所发射的光束直接落在记录介质整个平面上。反过来说，全息图中每一个局部都包含了物体各点的光信息。普通照相过程中物像之间是点点对应的关系，即一个物点对应像平面中的一个像点。全息图能完全再现原物的波前，因而能观察到一幅非常逼真的立体图像。普通照相得到的只能是二维的平面图像。全息照相是干涉,因此要求光源有很高的相干性。光源的相干长度越大、波前上相干区越大，就能越有效地实现全息照相。普通照相只是像的强度记录，并不要求光源的相干性，用普通光源就可以了。全息照相普通照相全息图片全息图片全息图片四、全息过程的基本理论：实验现象严格的理论指导！1、基本理论（1）记录过程：光波的干涉感光记录介质只能记录光波的振幅（强度）,只有通过光波的干涉过程，才能将被拍摄物体的全部信息（振幅和位相）以明暗相间的干涉条纹的形式记录下来。（2）再现（观察）过程：光波的衍射2、拍摄光路：3、全息过程的数学描述（1）记录过程：)],(exp[R),R()],(exp[),O(R00yxiyxyxiOyxo参考光的复振幅：物光波的复振幅：在记录平面上接收到的光波复振幅为：),(),(yxOyxRA所以，求得合光强为：)],(),(cos[2)],(),()][,(),([**2yxyxIIIIyxOyxRyxOyxRAIoRoRoR。。。。（1）),(cos2yxIIIIoRoR等式（1）又可化为：)],(cos1[),(00yxVIII。。。（2）这里，（2）式中的表示物光和参考光的强度之和，表示干涉条纹的反衬度。oRIII0oRoRIIIIV2另外，根据光路结构参数，通过求解，可以得到干涉条纹的空间频率：),(yx2/sin2。。。（3）例，λ=632.8nm,θ=4001100条/mm（2）再现过程：全息图（光栅）光栅衍射！看图设，再现光波为：，再现出来的全息像的复振幅分布为：)],(exp[),(yxiCyxCco共轭象原始像再现光波),(),(~),(yxIyxCyxi这样，就解释了全息图的第四个特点。一般而言再现像是一个很复杂的光波（有像差），但是在全息技术中常常采用特殊的再现方式而使问得到解决.下面就来具体介绍：◆用参考光作为再现光波（左图）◆用参考光的共轭光作为再现光波（右图）再现像的数学表达式[]：①直射光（再现光）~~~②原始像（虚像）~~~③第三项（实、或虚）~~~),(),(yxRyxC)],([yxiepAc)],(exp[yxiBo)],(exp[~yxiCo膺像：凸、凹正好相反！),(),(yxRyxC五、全息图的实际应用：1、全息图像显示：照片；图片；邮票；书籍、杂志的封皮与插页等。2、包装、装潢和防伪：产品的包装、标牌和商标；饰品；广告；装潢；人民币；银行卡；居民身份证等。3、全息计量技术：（两次曝光法；时间平均法）面内和离面位移的测量；残余应力的测量；振动模式测量；气流分布测量；粒子大小和分布的测量等。4、全息元件：光栅；透镜；波带片等。5、光学信息处理技术：图像识别；图像的消模糊和边缘增强；图像的假彩色编码。六、全息技术的发展方向和趋势：1、全息元件：一些特殊作用的全息元件研制等。2、全息加密技术：如何进一步提高全息图的技术含量。3、全息计量技术：（非线性曝光；增加光程差）如何进一步提高测量的精度；干涉条纹的自动识别和判读的问题。4、白光全息技术：克服相干光的缺点（相干噪声大、能量损失大4%0）提高全息图质量。5、全息技术的新方法：随着计算机、光机电一体化等技术的发展，又产生了新的全息技术。（1）计算全息术(CGH-ComputerGeneratedHolography)（2）数字全息技术(DH-DigitalHolography)第二部分数字全息术（DH-DigitalHolography）记录光学干涉固体成像器件记录再现计算机模拟再现实现了全息图记录、存储、处理、再现全过程的数字化。数字全息实验图数字全息术的优点由于用光电图像传感器记录全息图，灵敏度高，响应速度快，因此能够记录运动物体的各个瞬时状态，并且对稳定性的要求大大降低，扩展了全息术的应用范围。省去了繁琐的化学湿处理过程，所记录的数据直接由数据采集卡经模/数转换和量化后送到计算机进行处理，提高了效率，可用于需要实时处理的场合;数字全息可以直接得到记录物体再现像的复振幅分布，物体的表面亮度和轮廓分布都可通过复振幅得到，因而可方便地用于实现多种定量测量;由于数字全息采用计算机数字再现，可以方便地对所记录的数字全息图进行图像处理，减少或消除在全息图记录过程中的噪声等因素的影响，并可以方便地提取我们感兴趣的信息。数字全息术存在的问题由于与传统全息记录材料的大尺寸(100mmx100mm以上)和高分辨率(1000线对/mm以上)相比，由于目前记录数字全息图的CCD像素大(大约10umx10um)和光敏面尺寸小(约1/3.2英寸到3/4英寸)，导致数字全息记录中的参物光夹角小(小于2度)，采样频率低(小于100lP/mm)，在菲涅耳衍射l距离上难以记录较高空间频率的物光场，因此数字全息再现中存在再现像与共轭像分离困难、再现像分辨率低、散斑噪声大、信噪比和清晰度低等问题，极大地制约了数字全息技术的发展和应用研究。研究现状提高再现像的像质的研究1.基于数字图像处理技术（频域滤波、拉普拉斯算子预处理、全息图减平均值及数字相减等）2.基于实验方案改进同轴相移数字全息术合成孔径数字全息术彩色数字全息术应用研究1.数字全息显微术2.形变测量、三维形貌测量、粒子场分析与测试、图像加密、数字水印、三维图像识别等领域频域滤波法空域微分算子处理法同轴相移数字全息术CCDPZTBS1BS2BS3ObjectM1M2M3LPCLaser同轴相移数字全息术合成孔径数字全息术彩色数字全息术数字全息显微术数字全息显微术与传统的显微术相比能够记录和再现物体的三维信息、具有较高的分辨率、对样本的影响较小、设备简单等优点。因此它广泛应用于生物细胞观测、微观粒子成像和跟踪、聚合物粒子生长检测、微电路的检测等多个领域。瑞士的EtienneCuche在1999年提出了利用单张全息图同时数字重建显微物体的三维振幅和相位信息，获得了活体细胞的三维相位分布，并验证了其动态特性。2002年瑞士ChristianD.Depeursinge和EtienneCuche取得了0.5μm的横向分辨率，40nm的轴向分辨率，并得到活性细胞的三维再现像。2006年，美国南弗罗里达大学的C.J.Mann和M.K.Kim，用数值孔径N.A=0.65的显微物镜对物体放大，得到的再现像的横向分辨率为0.5μm，轴向分辨率为30nm，使用的再现算法为角谱算法，得到很好的血液细胞的三维像。2004年，德国Muenster大学的BjornKemper和DanielCarl使用离轴菲涅耳全息记录光路记录人体肝脏肿瘤细胞的全息图，放大物体的微物镜数字孔径N.A=0.4，再现算法为非衍射重建法获得的再现像的横向分辨率为0.85μm，并得到人体肝脏肿瘤细胞的三维再现像。在此基础上，他们用数字全息显微镜检测在细胞培养液中的单个细胞的折射率，将得到的细胞折射率信息应用于检测相邻胰腺肿瘤细胞的厚度和形状，并分析了注入药物后细胞骨架的反应情况。2006年JorgeGarcia-Sucerquia设计出一种水下数字全息显微系统，用于观察海洋环境里的浮游生物2009年EmmaEriksson等人采用自聚焦的方法对细胞核的运动进行了观察，取得了一定的成果。数字全息水印技术数字水印技术，是指在数字化的数据内容中嵌入不明显的记号。被嵌入的记号通常是不可见的或不易被察觉的，但是通过一些操作可以被检测或被提取。数字水印技术利用数字作品中普遍存在的冗余数据与随机性，使水印隐藏在原始数据(如:图像、音频、视频数据)中，成为其不可分离的一部分。数字水印是一种保护数字图象作品版权的技术。数字全息用于金属球形貌检测粒子场数字全息测量不同再现距离的数字再现像利用数字全息实现信息加密目前常见的光学信息加密系统可以分为三类，一类是以傅里叶变换系统为基础，通过在输入面和频谱面上放置随机相位掩模板，实现对输入图像的加密，这就是典型的双随机相位加密的原理，由于掩模板的随机性，系统的保密性较高，在不知道密钥的情况下，无法对图像进行解密。但因为需要同时记录下加密图像的振幅信息和相位信息，所以在解密时效率不高。第二类是利用迭代相位恢复算法对图像进行加密，该方法在加密时，一块相位掩模板是预先随机生成并固定的，同时预先设定输出面上的解密图像，只有当输入的随机相位掩模板和迭代计算出的相位板相匹配时，才能在观察面上得到解密图像。但由于其中一块相位掩模板是固定的，限制了搜索空间，必然导致解密图像的质量不高，同时还会存在较大的噪声。第三类是利用数字全息技术，在物光波和参考光波中引入两个随机相位掩模板，通过全息图实现加密，实际上是第一类加密方法的变形。★参考资料1、全息学原理史密斯著科学出版社1972.102、全息显示技术于美文,张静方著科学出版社1989.023、全息生物学原理与应用叶永在编著福建科技出版社1988.124、全息医学大全李莱田等主编中国医药科技出版社5、全息光学设计、制造和应用周海宪,程云芳编著化学工业出版社2006