數(shù)字像面全息與同軸全息實(shí)驗(yàn)研究

劉麗君，封 玲，王喜省，張 馳，張世驤

（深圳大學(xué)，廣東深圳 518060）

數(shù)字像面全息與同軸全息實(shí)驗(yàn)研究

劉麗君，封 玲＊，王喜省，張 馳，張世驤

（深圳大學(xué)，廣東深圳 518060）

通過采用數(shù)字像面全息與同軸全息技術(shù)拍攝透明物體以及不透明物體的全息圖，并在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)。結(jié)果表明，當(dāng)記錄較小物體的全息圖像時(shí)像面全息技術(shù)更加合適。

數(shù)字全息；像面全息；同軸全息

全息術(shù)是利用光的干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體光波波前的一種技術(shù)。首先利用光波的干涉原理，在場波場中引入一個(gè)參考光波，使其與物光波在記錄平面相干疊加產(chǎn)生干涉條紋，將干涉條紋記錄，即為全息圖；然后利用光的衍射原理，同特定的再現(xiàn)光波照射整個(gè)全息圖，就可以重現(xiàn)原始光波。全息術(shù)對比普通照相術(shù)的最大特點(diǎn)就是它不僅記錄了物體的振幅信息，還記錄了物體的相位信息，從而可以再現(xiàn)出原物體的三維圖。

數(shù)字全息術(shù)利用電耦合器件CCD代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學(xué)全息的銀鹽干版，利用計(jì)算機(jī)編程對CCD記錄下的離散數(shù)字全息圖進(jìn)行數(shù)字再現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了全息圖記錄、存儲和再現(xiàn)全過程的數(shù)字化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 透明物體像面全息光路

JSQ-1型數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)儀：450單模氦氖激光器1；透反鏡調(diào)節(jié)器1；反射鏡調(diào)節(jié)器2；可變光強(qiáng)衰減調(diào)節(jié)器1；擴(kuò)束鏡調(diào)節(jié)器（×20）1；擴(kuò)束鏡調(diào)節(jié)器（×60）1；準(zhǔn)直鏡調(diào)節(jié)器2；光束提升器1；試件夾持調(diào)節(jié)器1；分光棱鏡調(diào)節(jié)臺1；全反方鏡調(diào)節(jié)臺1；數(shù)字?jǐn)z像頭1；計(jì)算機(jī)1；工作臺1；數(shù)字全息再現(xiàn)軟件、數(shù)字?jǐn)z像頭操作軟件；被攝物體。

1.2 不透明物體像面全息光路

布置光路圖，見圖1～2：透明物體的像面全息和同軸全息按實(shí)驗(yàn)原理中的圖1布置光路，不透明物體的像面全息則按照圖2布置光路。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖2 不透明物體像面全息光路系統(tǒng)

1.3 透明物體同軸全息

如圖1布置光路，除去成像透鏡。

1.4 調(diào)節(jié)光路要點(diǎn)

將所有的光學(xué)元件中心調(diào)到等高。將物光調(diào)為平行光。將參考光調(diào)為平行光。參考光和物光的光強(qiáng)比要合適（參物光強(qiáng)比一般取1∶1～2∶1）。調(diào)節(jié)分光棱鏡BS2和CMOS之間參考光與光敏面法線的夾角調(diào)到合適程度，對于同軸數(shù)字全息，參考光和物光的夾角為零。

1.5 數(shù)字全息圖記錄和再現(xiàn)

1.5.1 透明物體像面全息

其再現(xiàn)圖見圖3。

圖3 透明物體像面全息圖（左）及再現(xiàn)圖

1.5.2 透明物體同軸全息

再現(xiàn)圖見圖4。

圖4 透明物體同軸全息圖（左）及再現(xiàn)圖

1.5.3 不透明物體像面全息

再現(xiàn)圖見圖5。

圖5 不透明物體像面全息圖（右）及再現(xiàn)圖

2 原理簡述

2.1 像面全息記錄

圖6 數(shù)字全息記錄系統(tǒng)坐標(biāo)圖

顯微像面全息記錄光路的分析圖見圖6。物體經(jīng)M0放大成像，放大的物光波與參考光波在CMOS光敏面上干涉，并被其記錄，形成物體的數(shù)字全息圖。

記錄在CMOS上的光場分布為

2.2 像面全息再現(xiàn)

全息圖的數(shù)字再現(xiàn)是以數(shù)字計(jì)算方法來完成表示光學(xué)再現(xiàn)的物理過程，即數(shù)字模擬光學(xué)衍射過程。在數(shù)字像面全息中，由于物體聚焦在全息圖面上，因此物距為零，再現(xiàn)的像距也為零，再現(xiàn)像不需在空間傳播，位于全息圖上。

對于二維情況，再現(xiàn)實(shí)像面上光場復(fù)振幅的數(shù)字化表示為

實(shí)像再現(xiàn)像面上的光場的光強(qiáng)和相位分布分別為

3 結(jié)束語

從實(shí)驗(yàn)得到的全息圖以及再現(xiàn)圖可看出，在其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)一樣的情況下，像面全息成像效果和再現(xiàn)效果見圖3，比起同軸全息的成像效果和再現(xiàn)效果見圖4都要清晰，輪廓線也更加明朗；數(shù)字像面全息術(shù)可獲得物體的數(shù)字顯微圖像，其在微觀結(jié)構(gòu)測量領(lǐng)域的應(yīng)用研究日益?zhèn)涫苋藗冴P(guān)注［1－2］。尤其不透明的數(shù)字像面全息圖記錄光路系統(tǒng)在微小物體的三維形貌測量上將有著非常重要的應(yīng)用。

［1］ 呂且妮，葛寶臻，張以謨.數(shù)字顯微像面全息技術(shù)研究光電子［J］.激光，2006，17（4）：475-478.

［2］ 羅鵬，呂曉旭，鐘麗云.數(shù)字全息技術(shù)研究進(jìn)展及應(yīng)用［J］.激光雜志，2006，27（6）：8-10.

Experiment Research on Digital Image Plane Holography and Digital In-line Holography

LIU Li-jun，F(xiàn)ENG Ling，WANG Xi-Sheng，ZHANG Chi，ZHANG Shi-xiang

（Shenzhen University，Guangdong Shenzhen 518060）

By utilizing digital image plane holography and in-line holography，transparent and opaque object holography is recorded and reconstructed by a computer.The experiment result shows，to smaller objects，digital image plane holography is more suitable.

digital holography；image holography；in-line holograghy

O348.12

A

1007-2934（2011）06-0019-02

2011-10-10

深圳大學(xué)教務(wù)部探索研究性實(shí)驗(yàn)資助項(xiàng)目

＊通訊聯(lián)系人