第五章--计算全息

第五章计算全息一、计算全息的定义利用光的干涉原理，借助参考光，可以将物光的复振幅（振幅和相位）以干涉条纹的形式记录下来。我们可以称之为光学编码的方法。如果我们不用光学的方法而是用人工的方法进行编码制作全息图，这就是计算全息图（Computer-generatedHologram).§5.1计算全息的理论基础计算全息图不仅可以全面地记录光波的振幅和相位，而且能综合出复杂的，或根本不存在的物体的全息图，因而具有独特的优点和极大的灵活性。从光学发展的历史来看，计算全息首次将计算机引入光学处理领域，计算全息图成为数字信息和光学信息之间有效的联系环节，为光学和计算机科学的全面结合拉开了序幕。•产生根本不存在的物体的全息图；•建立了数字信息与光学模拟信息之间的联系二、计算全息的特点三、计算全息图的制作程序一般计算全息的制作过程分为五步（1）抽样（2）计算（3）编码（4）绘制和缩小（5）再现以下是傅里叶变换全息图的制作流程数学函数抽样得离散样点分布离散傅里叶变换离散傅里叶变换谱编码全息透过率函数绘图照相缩版计算全息图再现像四、抽样定理光学图象信息往往具有连续分布的特点，但是在实现信息记录、存贮、发送和处理时，由于物理器件有限的信息容量，一个连续函数常常用它在一个离散点集上的函数值，即抽样值来表示。已知一个函数为f(x),则其抽样值为)()(0xntfnf1,,1,0Nn式中：0t为抽样起始点，n为抽样点序号，x是抽样间隔)(nf是抽样值或抽样值序列。直观上，抽样间隔越小，则抽样序列越准确反映原来的连续函数。抽样间隔越小，对于信息检测、传送、存贮和处理就会提出更高的要求。如何选择一个合理的抽样间隔，以便做到既不丢失信息，又不对检测、处理等过程提出过分的要求，并由这样的值恢复一个连续函数呢？这些正是抽样定理所要回答的问题。抽样是制作计算全息图的一个重要的不可缺少的步骤，而抽样定理是计算全息技术中的重要理论基础之一。下面看一看函数的抽样和复原的图解分析过程。x)(xxcombx)(xfsxx2xx2xx1x21x1x21)(sFx)2(sin2xBcBxx)2/(xBrect)(Fx)(xf)()(mxxcomb梳状函数的性质)()(xmxxxxcomb)()(combxcomb)()(xxcombxxcomb利用梳状函数对连续函数f(x,y)抽样，得抽样函数)y(，xfs它是由函数的阵列构成),()()(),(yxfyycombxxcombyxfsnmymyxnxymxnfyx),(),(利用卷积定理得到抽样函数的频谱),()()(Fycombxycombx),(),(FymxnnmnmymxnF),(),()()(),(FyycombxxcombFsnmSymxnFF),(),(结论：函数在空间域被抽样，导致函数频谱),(F的周期性重复。在频域空间域的抽样间隔是x和y,空间频谱被重复。其频谱中心间距为x1y1和x)(xfs)(sFx1x21xx2设f(x,y)是有限带宽函数，其频谱在空间频域的一个有限区域上不为零。,方向上的谱的宽度分别为xB2yB2由抽样过程示意图可知当xBx21yBy21xBx21yBy21),(sF中的各个频谱就不会出现混叠现象，这样就有可能用滤波的方法从),(sF中分离出原函数的频谱),(F，再由),(F恢复原函数。xx1x2x1x2)(sFxBxB因而能由抽样值还原原函数的条件是（1）),(yxf是带限函数（2）在x方向和y方向抽样点最大允许间隔为yB21xB21xx1x2x1x2)(sFxBxByB21xB21和称为奈魁斯特间隔。抽样定理的另一种表达为：一个有限带宽的函数，它没有频率在xB2yB2以上的频谱分量，则该函数可以由一系列间隔小于yB21xB21和的抽样值唯一地确定。函数的还原将抽样函数作为输入，加到一个低通滤波器上，只要抽样函数的频谱不产生混叠，总可以选择一个适当的滤波函数，使),(sF中，n=0,m=0的项无畸变地通过，而滤去其它各项，这时滤波器的输出就是复原的原函数，这一过程可由下面框图示意。),(yxf),(F),(yxfs)()(yycombxxcomb低通滤波器),(yxh),(H),(),(),(yxhyxfyxfs),(sF),(),(sFF),(H若选矩形函数为滤波函数)2()2(),(yxBrectBrectH则),(),(sFF)2()2(yxBrectBrect这一频域的滤波过程，可以等效于空域中的卷积运算),(),(),(yxhyxfyxfs),(),(),(ymyxnxymxnfyxyxfs),(yxh)2()2(yxBrectBrect)2(sin)2(sin4yBcxBcBByxyx),(),(),(yxhyxfyxfsnyxmyxymyBcxnxBcymxnfyxBB)(2sin)(2sin),(4惠特克——香农（Whittaker-Shannon)抽样定理xBx21取yBy21),(yxfnyyxxyxmBmyBcBnxBcBmBnf)2(2sin)2(2sin)2,2(它表明了只要抽样间隔满足xBx21yBy21则在每一个抽样点上放置一个以抽样值为权重的sinc函数为内插函数，由这些加权的sinc函数的线性组合可复原原函数。由以上讨论可知，由抽样函数还原原函数有两条途径（1）频域滤波（2）空域插值严格说来，频带有限的函数在物理上并不存在，一个有限宽度的函数，其频谱范围总是扩展到无穷。但表征大多数物理量的函数，其频谱在频率高到一定程度时总是大大减小，以致于略去高频分量所引入的误差是可以允许的。实际上，信号的检测、传递过程采用的仪器都是有限通频带宽的。所以很多物理量函数都可视为有限带宽函数，从而可用离散的抽样序列代替。将上述抽样过程用下面的光学过程来说明：xy如图，物函数f(x,y)是透明片T字的透过率函数，在傅里叶变换平面上T字的谱是一组衍射斑点。对于f(x,y)抽样，相当于在T字处加一个光栅，光栅间距应满足抽样定理。这时在谱面上出现许多组的衍射斑点。如果在谱面上加一个单缝，只允许中间一组通过，则像面上的T字没栅格，与原物相同。五、抽样点数与空间带宽积设平面物体的大小为yx在x,y方向的抽样间距为xy根据抽样定理1x1y取等号，有1x1yyx一个抽样单元制作一个全息图所需的抽样点数为yxyyxxSWyxByBx4dddxdy称为空间带宽积它是物体所具有的信息量的量度，利用它可以方便地确定制作计算全息图时所需要的抽样点的总数。如图像的尺寸是40mm40mm,最高空间频率mmBmmByx/10,/10线线图像的空间带宽积yxBByxSW42800101040404对这样的图像制作全息图时，其抽样点数是2800§5.2计算全息的编码方法“编码”在通信中的意义是指把输入信息变换为信道上传送的信号的过程。在计算全息中输入信息是待记录的光波的复振幅，而中间的传递介质是全息图，其信息特征是全息图上的透过率的变化，因此将二维光场复振幅分布变换为全息图的二维透过率函数分布的过程，称为计算全息的编码。由于成图设备的输出大多只能是实值非负函数，因此编码问题归结为将二维离散复值函数变换为二维离散实值非负函数问题。而且这种转换能够在再现阶段完成其逆转换，从二维离散实值函数恢复二维复值函数。转换过程具有可逆性和唯一性将复值函数变换为实值非负函数的编码方法可以归纳为两大类：第一种方法是把一个复值函数表示为两个实值非负函数，例如用振幅和相位两个实参数表示一个复数，分别对振幅和相位进行编码。第二种方法是仿照光学全息的办法，如引入离轴参考光，通过和物光波的干涉产生干涉条纹的强度分布，成为实值非负函数，因此每个样点都是实的非负值，可以直接用实参数来表示。1、迂回相位编码方法（1）罗曼型对光波的振幅进行编码比较容易，它可以通过控制全息图上抽样单元的透过率或开孔面积来实现。对于光波的相位编码则比较困难，虽然原则上可以使光波通过一个具有二维分布的相位板，但这在技术上十分困难。罗曼根据不规则光栅的衍射效应，成功地提出了迂回相位编码的方法。ddkk方向上相邻光线的光程差为kdsin相位差为kdsin2k级衍射波这时在k方向上观察光栅的衍射光波，是一个平面波，可以认为波面上各点光波振动的相位相同,设为0问题：如果光栅的栅距有误差,如在某一位置处栅距增大了这时在k方向观察的衍射波是否还是平面波？相邻光线的光程差为kdsin)(k方向的衍射光波在该位置处引入的相应相位延迟kkksindsin)d(22ksin2ddkk级衍射波ddksindkdk2迂回相位迂回相位的值与栅距的偏移量和衍射级次成正比，而与入射光波的波长无关。设光栅透光位置用标号i标示，则iidk20ddkk级衍射波dd迂回相位效应给予我们的提示：通过局部改变光栅栅距的办法可以在特定的衍射方向得到我们所需要的相位调制。不考虑均匀相位延迟0iidk2下面我们对一复值函数进行振幅和相位编码假定全息图共MN个抽样单元，待记录的复振幅的样点值为)exp(mnmnmnjAf式中10mnA是归一化振幅，)(xm)(yn0103123123123),(nm第单元yxxWyLmn如图，首先在全息图每个抽样单元内放置一个矩形通光孔，通过改变光孔径的面积来编码复数波面的振幅，其次改变通光孔径中心与抽样单元中心的位置来编码相位。设矩形的宽度xW不变，矩形孔径的高度是yLmnxPmn与归一化振幅成正比。xPmn是孔径中心与抽样单元中心的距离，与抽样点的相位成正比因此，孔径参数与复值函数的关系如下mnmnALmnmndk2kPmnmn2根据上面方法确定了每个单元开孔尺寸和位置后，就可以用计算机控制绘图仪产生原图，再经过缩版得到计算全息图。由于在迂回相位编码方法中，全息图的透过率只有0和1两个值，故制作简单，噪声低，抗干扰能力强，并可多次复制而不失真，因而应用较为广泛。绘制全息图计算全息图的再现方法与光学全息相似，仅在某个特定的衍射级次上才能再现我们所期望的波前。下图是计算傅里叶变换全息图的再现光路，当用平行光垂直照明全息图时，在透射光场中沿某一特定衍射方向的分量波将再现物光波的傅里叶变换，而直接透过分量具有平面波前，并且在另一侧的衍射分量将再现物谱的共轭光波。于是经过透镜L进行逆傅里叶变换后，输出平面中心是一个亮点，两边是正、负一级像和高级次的像。xy利用迂回相位编码的计算傅里叶变换全息图clc;clearA=zeros(128);A(45:50,50:70)=1;A(45:80,50:55)=1;A(75:80,50:70)=1;A(60:65,50:65)=1;b=A;imshow(b,'notruesize')%[01]间的随机化矩阵a=rand(128,128);aa=exp(i*2*pi*a);AA=double(b).*aa;Afft2=fftshift(fft2(AA));%将变换后的高频移至