数字全息的应用与发展.doc

数字全息的应用与发展曹静 20114239001 现代光学技术研究所摘要：文章介绍了数字全息的发展，研究现状和目前存在的问题。关键字：数字全息的发展；研究现状；存在问题1引言数字全息是用光电传感器件（如CCD或CMOS）代替干板记录全息图，然后将全息图存入计算机，用计算机模拟光学衍射过程来实现被记录物体的全息再现和处理。数字全息与传统光学全息相比具有制作成本低，成像速度快，记录和再现灵活等优点。近年来， 随着计算机特别是高分辨率CCD的发展，数字全息技术及其应用受到越来越多的关注，其应用范围已涉及形貌测量、变形测量、粒子场测试、数字全息显微、防伪、三维图像识别、医学诊断等许多领域。本文主要介绍了数字全息的发展和研究热点及存在的问题。2数字全息的发展简史2.1全息技术的发展1全息术的成像过程主要分为两步：波前记录和波前再现。其主要特点是它不仅记录了物体的振幅信息，且记录了物体的位相信息，而更加真实地反映了原物体。根据全息图的记录手段和再现方式的不同，一般可将全息技术分为三类。（1）光学全息：全息图的记录过程是光学过程，再现过程也是利用光学照明来实现的，这种全息过程就是传统的光学全息；（2）计算全息：利用计算机模拟光的传播，通过计算机形成全息图，打印全息图后微缩形成母板，也可用激光直写系统形成计算机全息图CGH或利用液晶光阀或空间光调制器显示全息图，利用光学照明重现，这样的全息方法称作计算全息；全息图的重要特点之一是它能记录的干涉条纹的尺度之小达到了纳米级，这就造成，对于计算全息来说，一幅全息图包含的信息太多，以至于用傅立叶频谱进行编码再现是一项计算量太大的工作，因此初期计算全息能够处理的图像都是简单的符号和条纹。（3）数字全息：数字全息是由顾德门在1967年提出的一种新的全息成像方法，以CCD等光电耦合器件取代传统的干版记录全息图,并由计算机以数字的形式对全息图进行再现，但是当时受到各种条件的制约，一直没有重大的进展，随着计算机技术的发展和高分辨CCD等电荷耦合器件的出现，数字全息技术才得到迅速的发展。2.2数字全息的发展数字全息的发展的一方面主要是由于光学全息中的记录介质本身的缺点很难达到高灵敏度的要求，这就迫使科学家寻找高灵敏度的全息技术。另一方面随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，CCD代替了胶片作为傅立叶变换编码条纹的显示载体，现代计算机计算速度也大大提高，其中数字全息技术是利用CCD电荷耦合器件取代传统光学全息中的记录介质来记录全息图,重建的过程在计算机中完成，全息技术及记录介质的发展为数字全息的出现奠定了坚实的基础。电荷耦合器件CCD是1970年美国贝尔实验室发明的一种半导体固体功能器件，具有体积小、重量轻、灵敏度高、寿命长、低功耗和动态范围大等优点、它在结构上采用一块简单的硅片，把光电转换功能、储存功能以及扫描功能都合并在一起，因此它不需要预热，使用方便，抗振动与抗冲击的能力以及由此引起的抗损伤的能力较强，并且不易受滞后和拖影的影响。CCD探测器可以实时地将二维光学再现图像信号转换为时序电信号，因而具有简便、速度快、与电子信号处理系统兼容、便于与计算机接口等优点，其缺点是光电接收的空间分辨率和灰度级较低。3 数字全息的研究现状3.1空间光调制器的研究数字全息系统的核心元件是空间光调制器。通过它可将二维图片直接输入到全息图的拍摄光路中，完成相关记录。在信号源信号的控制下，它能对光波的某个参量进行调制，例如通过吸收调制振幅，通过折射率调制相位，通过偏振面的旋转调制偏振态等等，从而将信源信号所荷载的信息写进光波之中。目前常用的有两种： 电寻址薄膜晶体管液晶显示器TFTLCD和数字微反射镜DMD。电信号寻址的液晶显示器件LCD可以直接接收来自CCD摄像机或计算机的模拟或数字电子信号， 因而具有可编程控制性和灵活性，液晶显示屏由许多二维矩阵结构的像素组成，每一个像素相当于一个小液晶盒，液晶盒内一般装有扭曲90度的向列相液晶，能够通过电信号分别独立控制它们。但由于液晶屏分辨率和对比度较低影响全息图的质量，而近年来发展起来的DMD系统具有很大的发展潜力，它的微结构是固定在两根支撑柱上Lm量级的反射镜像素单元，只有以特定的角度（与光轴的夹角为10或12度）入射到这些微反射镜上的入射光才能被投影物镜成像。该系统具有更高光能利用率，更多灰阶和更大的像素分辨率。3.2数字全息图像再现零级像的问题在进行数字全息再现时，如何消除零级像的影响是一个研究热点，因为零级直透光干扰像占有绝大部分的光能量。目前人们主要采用相移技术来消除零级光的影响。但要用4幅位相相互垂直的参考光记录的全息图。一种典型的相移技术数字全息方法如图1所示。图1中，移相器可以控制参考光的相位，设U(x,y)表示物光场分布，UR 表示参考光场分布，则U(x,y)可以表示为： (1)这里I()为 (2)I()可以通过CCD拍摄的条纹经计算而得到。除了相移技术外 ,也可以用其他方法处理零级光问题.混杂全息处理方法、图像相减方的数字全息技术也需要采集多幅图像，很难进行实时再现。可以采用基于拉普拉斯算符图像处理的消除零级方法，其算法有一定的复杂性。周灿林等将正交小波变换应用于数字全息中，以消除零级像的影响 ,且只需一幅全息图。图1 相移技术数字全息建立示意 图2 高速CCD数字全息示意3.3运动物体的数字全息的研究利用数字全息进行实时测量是数字全息的一个重要研究方向。虽然有很多光学方法研究振动问题，但都不能很好地解决动力效果问题，文献2讨论了数字全息应用于物体振动模式的实时测量，研究了一种可用于物体振动模式的实时监控设备。该设备由两部分组成：一部分记录了时间平均全息图案；另一部分对全息图进行实时再现。记录和再现采用两种不同的光学结构，一种称为准傅里叶变换离轴记录，另一种称为扩展傅里叶变换再现。后一过程中，在再现像之前能将不需要的衍射分量过滤掉。通常采用脉冲激光器和低速CCD研究运动物体的数字全息。文献3 CW 激光器和高速CCD研究了运动物体的数字全息，实验示意图如图2所示。实验所采用的物体为一个球形气球，CCD每秒可以拍摄4000幅全息图，相邻两幅全息图的时间间隔为250s，全息图的大小为512512像素，分瓣率为 8 bits。现在发现还可以利用数字全息对有机微生物进行检测，这方面的研究也是其中一个热点。3.4光学超分辨率数字全息的研究由于零级光和激光散斑的影响，使得从数字全息图中再现的物体的像并不十分清晰，采用光学超分辨率数字全息是提高再现图像分辨率的一个有效方法。光学系统的分辨率由光学器件的有限衍射孔径决定，超出衍射极限的技术被称为超分辨技术。文献4一种多次曝光超分辨率数字全息方法，全息图记录的是物体的复振幅 (振幅和相位 )，而不是通常全息中的物体强度，这就可以通过物体复振幅的迭加增加光学系统的带宽。虽然每次物体的带宽有限，但中心频率不同。可通过改变入射到物体上的光波的角度来改变带宽的中心频率，但同时参考光的角度也需改变，以便能使复振幅的迭加达到增加带宽的效果。文献5利用二维垂直腔自发激光阵列 (VCSEL)实现物体的超分辨率数字全息。二维垂直腔自发激光阵列可看成是非相干球面波光源，其基本原理是利用不同的倾斜球面波照明实现物体数字全息图的多重迭加。由相对于照明光源不同位置的透镜而形成的不同的空间带宽并被MachZehnder干涉仪所记录 ，最后形成总的数字全息图，数字再现时，也可通过调整聚焦过程从而对每个中心频率的带宽进行调整。由于记录时用到聚焦过程，因此再现时要应用傅里叶变换。整体实验简单且不需要改变系统的结构，就能记录几乎所有空间频率的干涉图案。3.5数字全息目前存在的问题数字全息发展到今天依然存在许多没有解决问题如物体的大小、衍射或散射性质对数字全息图的记录有重要的影响；由于目前CCD的尺寸小、分辨率低，作为记录介质的CCD的空间分辨率目前最高可达100line/ram左右，比传统的银盐干板的空间分辨率5000line/ram低很多，决定了数字全息只能直接记录较小尺寸的物体及其低频信息。为了尽可能多的记录物体的空间信息，希望记录距离尽量小，但距离的减小会导致采样条件不满足并使再现像分离困难，降低其分辨率；大数据量、大运算量、数字显示器件的分辨率还有待于提高，难以记录与再现运动物体，物体的颜色还原比较困难，难以实现大面积显示等等。目前数字全息存在的最大的困难是分辨率太低，造成这一结果主要在于我们传统的数字全息是利用CCD直接接收相干光波，这样做虽然可以不使信息丢失，并且可以动态记录下物体的信息，但是由于目前CCD的分辨率还远远不能和全息干板相比，因此这样得到的干涉图样的分辨率是很低的，会严重影响再现像质量.因此我们设想如果用CCD直接多角度拍摄物体，将这样得到的信息作为物信息，再输入电脑进行编码、处理，制作一张菲涅耳全息图，再输入空间光调制器(SLM)利用激光再现物体。其具体如图3用高分辨率高质量的CCD构成实时全息显示的原理图；(1)输入电脑处理之后作为寻址信号去调制LCD，通过LCD的读出光可以实时的得到物体的三维再现像。这样做虽然会丢失一部分物体的信息，但是却可以大大提高分辨率，而且丢失部分的信息可以通过计算机编程、处理来弥补，但是这样也必然会导致运算量的加大，这无疑又给快速算法提出了一个新的考验。上述构想中还可以在第二步中由计算机处理后直接得到一张像全息图再进行缩微，则可在白光下再现物体像。图 3 数字三维全息显示系统原理图4未来构想随着科学技术的不断发展，我们坚信以上的困难是可以逐步克服的，数字全息的应用前景将会是无法估计的：可以借助计算机将二维图像集成为三维全息图，与光刻模压技术相结合，可以实现光、机、电一体化合成全息图的机械化生产；其模压全息图应用到包装行业上，不仅有装饰效果，还具有最新颖的防伪功能，该系统还可以创造一种新的图像、电和算一体化合成全息图的机械化生产；其模压全息图可应用到包装行业上，显示技术，商业广告、设计工业、大型展览、装饰装潢和美化人们生活。如果我们可以将图像的获取、编码、显示合在一个装置里由电脑控制实现，那就是真正的实现了数字全息一体化。样，全息电视、全息电影等数字显示技术的新突破就会很快到来。参考文献1段谷青,黄娟,曾阳素.数字全息与全息成像的新方法J.邵阳学院学报(自然科学版),Mar.2006(3):4.2 NazifDemoli . Real2time monitoring of vibration fringe patterns y optical reconstruction of digital holograms:mode beating detectionJ.Optics Express,2006,14(6):21172122.3 Carl os P rez2 L pez, Manuel H De la Torre2I barra, Fernando Meza Santoyo .very high speed CW digital holographic interfer ometry J . Opt . Epress, 2006, 14 (21) : 9 7092 9 715.4 Ueda M, Sat o T, Kondo M. Research laboratory of p recision machinery superres olution by multi p le super positi on of image holograms ha