数字全息术专题

光波的完整记录与再现RecordingandReconstructionofLightWavefront全息术Holography全息照相ABCA.全息图是被记录材料记录下来的光波和光波的干涉图，其复振幅透过率正比于干涉场的分布。物参考光强度B.菲涅耳全息图记录的是。C.傅里叶变换全息图记录的是。物体的傅里叶频谱物体的菲涅耳衍射波菲涅耳衍射的F.T.表达式)(2exp)exp(),(220yxzkjjkzzayxU球面波的复振幅表达式zyfzxfyxzkjyxUyxzkjzjjkzyxUyx,)](2exp[),()](2exp[)exp(),(202000022)](2exp[),(22yxfkjyxt透镜的位相变换因子0020200,0,])()[(2exp)()exp(1)(dydxyyxxzkjyxUjkzzjyxU菲涅耳衍射（空域）数字全息术DigitalholographyHuayingWangCollegeofSciencesHebeiUniversityofEngineering内容简介数字全息成像的基本原理数字全息成像技术的应用无透镜傅里叶变换全息术一、数字全息术概述1948，D.Gabor,提出了“波前重现”（Anewmicroscopyprinciple,Nature）(Nobelprize)1962,LeithENandUpatnieksJ.,离轴全息术（Reconstructedwavefrontsandcommunicationtheory.JOSA）1967,J.W.GoodmanandR.W.Lawrence,数字全息术（DigitalImageFormationfromElectronicallyDetectedHolograms“,Appl.Phys.Lett.）1994,U.Schnars,W.Juptner,第一张数字全息图（DirectrecordingofhologramsbyaCCDtargetandnumericalreconstructionFormationfromElectronicallyDetectedHolograms“,Appl.Phys.Lett.）Dr.DennisGaborsignsacopyoftheMuseumofHolography'sinauguralexhibitioncatalogue,ThroughTheLookingGlass,duringhishistoricvisittothemuseumonMarch17,1977.(PhotobyPaulD.Barefoot)(a)ConventionalopticalholographyobjectbeamBeamsplitterLaserPhaseshifterobjectbeamBeamsplitterCCDLaserPhotographicplate(b)DigitalholographyPhaseshiftingtechniqueismoreeasilyimplementedinDH.referencebeamDigitalholography:recording一、数字全息术概述(a)ConventionalopticalholographyVirtualimageBeamsplitterLaser(b)NumericalreconstructionwithcomputerProcessedphotographicplateDigitalholography:reconstruction一、数字全息术概述一、数字全息术概述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CCD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，可实时再现逼真的三维物体。数字全息技术实现了全息图的记录、存储、传输和再现的完全数字化，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。在生物细胞成像、工业无损检测等方面具有广泛的应用前景。二、数字全息术的应用（瑞士）E.Cuche2002-2004神经细胞菲涅耳重建0.5xm人体活细胞（德）B.Kemper2004肝癌细胞（活）0.85xm二、数字全息术的应用（美）M.K.KimSPIE2006d=7角谱再现2.2μmx卵巢癌细胞μm二、数字全息术的应用（意）P.FerraroOpt.Exp.2006菲涅耳重建0.5xmMEMS(双压电晶片悬臂）二、数字全息术的应用西北工大天津大学北京工大二、数字全息术的应用三、数字全息成像基本原理2*2**0(,)(,)(,)hxyuxyrxyuuRurur1.全息图记录：(,)uxyCCD平面物光波(,)rxyCCD平面参考光波要求：①满足Nyquist抽样定理，即一个条纹周期的抽样数至少为2对记录距离、参考光偏置、物场大小提出了要求全息图分类：同轴、离轴菲涅耳全息；同轴、离轴无透镜傅里叶变换全息；像全息(+MO无透镜傅里叶变换全息情况）零级项+1级项-1级项②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2.物光波重建：*(,)(,)uxyrxy200(,)oxy(,)uxy逆向传播得到聚焦像：(,)uxy畸变矫正00(,)oxy(,)rxy原始物光场位相恢复：原始物光场强度分布0000Im((,))argtanRe((,))oxyoxy原始物光场位相分布（包裹位相）三、无透镜傅里叶变换全息全息ℱ①记录图1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：220(,)exp()(,)2xyjkuxyxyOffz2200000(,)(,)exp()2jkOxyFoxyxyzF00,xyxyffzz二维傅里叶变换2200(,)exp2rrjkrxyRxxyyz2220(,)hxyurRuurru22000(,)exp()()2xyrrrrjkjkOffRxyxxyyzzCCD平面物光场：CCD平面参考光场：全息图：基于菲涅耳衍射三、无透镜傅里叶变换全息全息22220000(,)exp()()2xyrrrrjkjkRuOffRxyxxyyzz离轴无透镜傅里叶变换全息：②再现：会聚球面波照明再现光路图2无透镜傅里叶变换全息图再现示意图实共轭像实原始像三、无透镜傅里叶变换全息全息离轴无透镜傅里叶变换全息：220(,)exp()2jkCxyxyz220(,)exp()(,)2iiiijkUxyxyFhxyz像光场复振幅分布011(,)(,)(,)iiiiiiUxyUxyUxy1(,)iiuxy实原始像复振幅222010exp()()4(,)2iririijkxxyyzJxyz2200(,)exp()2xyrrjkOffRxyz1(,)iiJxy0000exp()exp()rriijkjkxxyyxxyydxdyzz200()(,)ririzRoxxyy220exp(22)2iiirirjkxyxxyyz再现参考光像光场强度分布(,),iiIxyFhxy基于菲涅耳衍射1(,)iiJxyFur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：实共轭像复振幅22110(,)exp()()(,)2iiiririijkuxyxxyyJxyz22100(,)(,)exp()2iixyrrjkJxyOffRxyz0000exp()exp()rriijkjkxxyyxxyydxdyzz222000()(,)exp()()2iriririrjkzRoxxyyxxyyz基于菲涅耳衍射注：也可以利用准直光再现即(,)1Cxy三、无透镜傅里叶变换全息全息记录光路结构简单；能够充分利用CCD的有限带宽；允许的最小记录距离与被测量物体的大小成正比；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无透镜傅里叶变换全息的优点：四、模拟与实验研究结果模拟结果：-6-4-2024600.10.20.30.40.50.60.70.80.91xi/mmOpticalintensity/(a.u.)四、模拟与实验研究结果实验结果：NF:neutralfilterglassPBS:polarizedbeamsplitterprismM:mirrorBE:beamsplittercubeMP:microscopeobjectiveandpinholeBS:beamexpanderRecordedhologram:Reconstructedimage:Phaseimage:四、模拟与实验研究结果实验结果：五、数字全息再现算法数字全息重建算法研究a.菲涅尔变化法b.菲涅尔—卷积法c.菲涅尔—角谱法,iiUxy1{}ChwzF,iiUxy1{[][]}FFChFgF,iiUxy1{[]}FFChGF基于菲涅尔近似22(,)exp()2iiiijkzxyxyd22(,)exp()2jkwxyxyd22exp()(,)exp()2Fjkdjkgxyxyjdd2211(,)exp(1)22FiixyGxyjdff其中数字全息重建算法研究a.卷积方法b.角谱方法,iiUxy,iiUxy1{[][]}FChFgF1{[]}FChGF基于瑞利—索莫菲衍射22(,)exp1()()iixyGxyjdff其中222122221exp[()](,)jkdxygxyjdxy[(,)](,)iiFgxyGxy五、数字全息再现算法Thanks!