2用傅立叶变换全息图作资料存贮实验.doc

实验二 用付里叶变换全息图作资料存贮一、实验目的1掌握用付里叶变换全息图作资料存贮的原理2用这种方法将一页书的文字存贮在直径小于2mm的小“点”上。 二、实验原理 全息存贮是用全息的方法记录物频谱，把图像、文字、数据超缩微地存贮起来的方法。在前面介绍付里叶变换全息图时，曾经得到一个有益的启示，即物经过透镜以后在某一特定位置上会将物的的全部信息集中在一个较小的区域范围内，这一特性为全息存贮提供了有用的手段。先将欲存贮的文字或图像用翻拍机照成一张l 35胶片以此胶片作为物来存贮物经透镜成像的光路如图21所示，图中AB为物，L为成像透镜，H为物的频谱面，BA为像面上物AB的倒像，当AB在L的前焦面时，可在像面上得到AB放大、倒立的实像。图21 透镜成像全息存贮的记录原理如图22所示，存贮原稿AB的物分布为g(x。，y。)，用平行光将g(x。y。)照明，用透镜L对物进行付里叶变换，在后焦面上得到频谱函数G(fx，fy)，其中fxx/lf，图23 全息存贮再现光路图22 全息存贮记录原理fyylf，由于l比f小得多，所以G(fx，fy)在后焦面上的分布实际上集中在焦点附近，稍微离焦一点(离焦的原因详见讨论1)，频谱分布仍占直径约为1-2mm左右的小面积。如在后焦面上放置一记录介质，并引入一束细光束R作为参考光与之相干涉将物信息冻结在记录介质上，制得一张面积很小全息图，这就是全息存贮的记录。要存贮的原稿P是一张负片，当光束透过原稿的透明部分时，它会发生衍射。其衍射角的大小取决于原稿中空间频率的高低，在图21中，AB为存贮原稿的对角线。考虑到最极端的情况，假设原稿在A、B两点具有最高的空间频率，则物光束透过原稿A、B两点时将有最大的一级衍射角，原稿中其它任何一点的一级衍射角都不会超过此值。A、B两点的衍射光经过存贮物镜L后，将分别会聚于像面A和B点上。同样，原稿中任何一点的衍射光也都被存贮物镜会聚于像面的某一点上，并必定在A和B之间。如果在L的焦点附近放置全息干板，并引入一束与其相干的参考光R作全息记录，就能把由L射向像面的成像光束记录下来全息存贮的再现光路如图23所示。用细激光束C照射全息图，方向与记录时参考光R的方向相同，必然又会衍射出被“冰结”的成像光束，并在相应于像面处得一放大实像这就是全息存贮的再现过程。图24 全息存贮记录光路 三、实验光路 如图24所示四、实验仪器HeNe Laser：氦氖激光器 BS：连续分束镜 C：扩束镜(40 x)L1 ：准直透镜 O：被存贮物(透明胶片) L2 ：存贮物镜 H：全息干板另：孔屏、白屏，干板架(2个)、尺、激光功率计或检流计、曝光定时器、暗室设备一套等 五、实验步骤 1 点燃激光器，调整由激光器出射的细光束与工作台面平行，用自准直法将各光学元件的表面调至与工作台面垂直。 2 排迈克尔逊实验光路，检查工作台面的稳定性。3 按照图24依次加入光学元件排好光路，注意以下几点； （1）调整C和L1相对位置，使二者共焦，从L1射出平行光 （2）在离L1的距离大于2f(f为L2的焦距)的地方放上白屏，在白屏和Ll之间加上付氏透镜，L2作为存贮物镜，沿光轴方向移动L2，使其后焦面和白屏重合，在L2前l2倍焦距之间放进被存贮物(才能在再现时得到放大像)。 （3）M3尽量靠近存贮物镜L2的光轴，使参考光与物光有较小夹角，而且二者光程相等。 （4）调节BS的位置使在白屏处参考光与物光的微观光强比为3：1(使用微观光强比的原因见讨论4)其中宏观光强用功率计或检流计测量。占空比为透明胶片透光面积和总面积之比。 4 离焦记录：将白屏从存贮物镜后焦面向后移动一个小距离，使物光斑直径为2mm左右，参考光斑与物光斑严格重合。关闭光开关，用全息干板H换下白屏，稳定lmin后用曝光定时器控制光开关曝光 5 将曝光后的全息干板在暗室进行常规的显影、定影、水洗、干燥等处理得一存贮全息图 6 再现：把全息图放回干板架上，挡住物光，用原来的细光束参考光照射全息图，就会衍射出被“冻结”的成像光束并在相应于BA的平面位置上用毛玻璃接受到存贮原稿的再现像 六、讨论1 全息图尺寸(最小光斑尺寸)的确定：光斑的大小必须和微缩资料分辨率一致，资料信息的最小分辨单元决定了全息图的最高空间频率n，即(l为激光波长，f为存贮物镜的焦距)如果频谱面上能记录下空间频率最高的一组的l级谱，则存贮资料的主要信息就被记录下来，可得到细节较清晰的再现像可见，光斑的最小直径对一般的文件资料，光斑直径小于2mm。2 每个点全息图的最大容量由两个因素决定，一个是记录介质的性质，另一个是记录系统的光学性能。存贮物镜是光路中的关键元件，所能记录的原稿大小受存贮物镜入瞳直径的限制，存贮透镜的入瞳直径必须大于存贮原稿的对角线。再现像的质量很大程度上取决于存贮物镜的成像质量。存贮物镜的鉴别率决定了所能存贮的原稿的最小细节，因而选用存贮物镜必须能鉴别整个存贮原稿。另外，镜头的极限存贮容量Q必须大于要存贮的总信息量。Q值指的是能在同一全息图里记录下的最大信息量，它与镜头的入射直径和鉴别率两者的平方成正比，Q值可按下式计算：式中，D为存贮物镜的入瞳直径，单位为mm，C为存贮物镜的鉴别率，单位为线对mm，由于鉴别率与物距及视场有关，代入公式的C值应取存贮物镜在所选工作距上全视场中的最低值：K为存贮原稿的长宽比，。另外，对镜头的极限存贮密度Y也应有一定要求，存贮物镜的Y值指的是平均在全息图单化面积上所能存贮的最大信息量，其单位为bit/mm2。Y值可按下式计算：，式中F为存贮物镜的F数，即相对孔径的倒数，它与常数K及全息图直径dH和焦面上艾利斑直径dA之比有关。可见，为了获得较高的存贮密度，必须选用大相对孔径的镜头作为存贮物镜，而只靠选用短焦距的镜头来减小dH，或只靠选用大入瞳直径D的镜头来增加存贮容量的办法都无济于事。 3 通常记录漫反射体的菲涅尔全息图时，其光强比是测的参考光和物光的宏观强度比，而全息存贮记录时，目标是透明胶片，采用付里叶变换全息图的光路，离焦记录物光波的频谱，其强度在谱面上是不均匀的，即干板各处的调制度是不相同的。这是不能再用宏观光强比而应采用微观光强比，即在物光有贡献的地方，单位面积的参考光强与单位面积物光强之比。 4 当存贮的物为文字时，由于提供的存贮图片上的信号(文字)是二进制的，并只要勾画出字迹来即可， 因此，对光路的要求不高，光路中不加针孔滤波器都行，但在存贮图像时，要求加针孔滤波器，并且光路必须洁净，否则再现图像上要引起相干噪声斑纹。5 当存贮文字密度较高时，就必须考虑记录介质本身引起的噪声，比如全息干板乳胶不平引起的噪声，表现为再现像中文字虽可逐个认清，但总体上光强有起伏，甚至出现水纹图像分布。当存贮文字密度更大时，乳胶厚度随底片上表示文字的银粒密度不同而分布，造成更严重的噪声，使再现像中字迹断断续续，光强时强时弱若再现像中有上述现像可换