基于MATLAB的數(shù)字全息記錄與再現(xiàn)系統(tǒng)

袁 婷（南京航空航天大學(xué)理學(xué)院，江蘇南京，210016）

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基于MATLAB的數(shù)字全息記錄與再現(xiàn)系統(tǒng)

袁 婷
（南京航空航天大學(xué)理學(xué)院，江蘇南京，210016）

摘要：數(shù)字全息術(shù)（Digital Holography，DH）是在傳統(tǒng)光學(xué)全息技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字圖像技術(shù)而發(fā)展起來的一種新型成像技術(shù)。本文在對數(shù)字全息基本原理進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，運用MATLAB軟件設(shè)計了一套數(shù)字全息圖的記錄與再現(xiàn)系統(tǒng)，比較系統(tǒng)、完整的實現(xiàn)了數(shù)字全息的記錄、再現(xiàn)等功能。

關(guān)鍵詞：數(shù)字全息；全息再現(xiàn)；MATLAB

0 引言

數(shù)字全息術(shù)（Digital Holography， DH）是在傳統(tǒng)光學(xué)全息技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字圖像技術(shù)而發(fā)展起來的一種新型成像技術(shù)。不同于傳統(tǒng)光學(xué)全息方法，它利用 CCD、CMOS 等光電器件記錄全息圖并存入計算機，通過計算機數(shù)值模擬光學(xué)衍射過程再現(xiàn)全息圖，并將結(jié)果直接顯示輸出，實現(xiàn)了從記錄到再現(xiàn)整個全息過程的數(shù)字化。與傳統(tǒng)光學(xué)全息相比，數(shù)字全息具有成像速度快，可定量測量等諸多優(yōu)點，已經(jīng)在顯微、形貌測量、信息加密、藝術(shù)創(chuàng)作和產(chǎn)品展示等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

本文在理論分析的基礎(chǔ)上搭建了數(shù)字全息記錄光路，并運用MATLAB設(shè)計了數(shù)字全息再現(xiàn)程序，實驗結(jié)果表明，可以系統(tǒng)、完整、準(zhǔn)確地實現(xiàn)數(shù)字全息記錄再現(xiàn)等功能。

圖1 光路設(shè)計

1 數(shù)字全息的記錄與再現(xiàn)原理

數(shù)字全息的整個過程可以用“干涉記錄，衍射再現(xiàn)”來描述。從激光器發(fā)出的一束激光被分光鏡分成兩束相干的激光。一束光作為照明光照射到物體表面，經(jīng)物體表面漫反射后形成物光波，照射到CCD感光面上。另一束光作為參考光波，直接照射到CCD感光面上，與物光波進(jìn)行干涉，形成的干涉條紋被CCD記錄。

記錄的光強近似為：

數(shù)字全息通過光學(xué)計算來模擬光學(xué)重建過程。在記錄平面，用一束再現(xiàn)光照射全息圖，透出光波為：

第一項是物光與參考光自身的光強，稱為零級光，第二項稱為原始項，第三項稱為共軛項，衍射后在像平面將分別形成零級像、重建像和共軛像。

若參考光波和物光波之間的夾角足夠大，在像平面，零級像、重建像和共軛像便可以分離。令照明光波，則對于原始項，由，則可以重現(xiàn)完整的物像。

2 系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)字全息的光路設(shè)計主要分為離軸數(shù)字全息和同軸數(shù)字全息，本系統(tǒng)采用離軸的方法設(shè)計。光路設(shè)計如圖1所示，激光器發(fā)出的激光（波長632.8nm）經(jīng)分束鏡BS1分成兩束相干的激光。一束光經(jīng)過顯微物鏡MO1和透鏡L1的擴束準(zhǔn)直后，再經(jīng)過圓孔1和反射鏡M到達(dá)分束鏡BS2，形成參考光。另一束光經(jīng)過顯微物鏡MO2和透鏡L2的擴束準(zhǔn)直，再通過圓孔2照射在樣品上，經(jīng)樣品反射到達(dá)分束鏡BS2，形成物光，與參考光相遇，二者具有一定的夾角，在CCD表面產(chǎn)生干涉，形成干涉條紋，即全息圖，被電腦記錄。

全息圖的再現(xiàn)方法主要有菲涅爾變換法，卷積法，角譜法三種，它們都是基于光學(xué)的標(biāo)量衍射理論和傅里葉變換方法，利用計算機數(shù)值模擬光學(xué)的衍射過程，從而獲得數(shù)字化再現(xiàn)光波場。從計算機顯示器或打印輸出裝置中將再現(xiàn)的強度分布和相位分布輸出出來。本系統(tǒng)采用常用的菲涅爾變換法，該方法的限制條件為：像平面和全息圖平面的距離要遠(yuǎn)大于物體的尺寸。這一點只要在光路布置時加以調(diào)節(jié)即可。

此外，為了達(dá)到更好的再現(xiàn)效果，系統(tǒng)中還加入了亮度調(diào)節(jié)、對比度調(diào)節(jié)等功能。只要導(dǎo)入全息圖，并輸入激光波長、CCD像素尺寸、再現(xiàn)距離等參數(shù)，就可以再現(xiàn)出樣品圖。

3 實驗結(jié)果

采用波長為632.8nm的He-Ne激光作為光源，CCD像素尺寸為，樣品采用普通的一角硬幣，再現(xiàn)距離為300mm，實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2（a）實驗全息圖；（b）實驗再現(xiàn)圖

圖2中，（a）圖為實驗中CCD所拍攝的全息圖，（b）圖為由全息圖再現(xiàn)出的樣品圖。由再現(xiàn)圖可以看出，再現(xiàn)效果較好，樣品細(xì)節(jié)基本可見。

4 結(jié)論

本文在基于Matlab的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套數(shù)字全息記錄與再現(xiàn)系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)中光路的搭建結(jié)構(gòu)和再現(xiàn)程序的設(shè)計。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確完整的再現(xiàn)出樣品圖，為對樣品的進(jìn)一步研究打下良好的基礎(chǔ)，具有較高的使用價值。

參考文獻(xiàn)

［1］王廣俊. 數(shù)字全息技術(shù)及其在測量中的應(yīng)用研究［D］. 北京工業(yè)大學(xué)，2011.

［2］郭中甲. 實用化數(shù)字全息記錄和再現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.河北工程大學(xué)，2012.

［3］楊翀.光學(xué)干涉計量用于振動測量的算法和實驗研究［D］.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.

Digital Holographic Recording and Reconstruction System Based on MATLAB

Yuan Ting
（College Of Science ，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，210016，China）

Abstract：Digital holography（DH）is a new imaging technique developed on the basis of the traditional optical holography technology，combined with modern digital image technology.Based on the theoretical analysis of the basic principle of digital holography，the paper designs a digital hologram recording and reproducing system using MATLAB，it is more systematic，complete implementation of the digital holographic recording， reconstruction and other functions.

Keywords：Digital Holography；Holographic Reconstruction；MATLAB

中圖分類號：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介

袁婷（1982—），女，實驗師，碩士，研究方向：光學(xué)信息處理。