自主实验课学习报告

1、自主实验课学习报告课 题：基于CCD的光学干涉计量的_初步实验和理论探究_学生姓名：_鲁浩东_学 号：_10111530333_导 师：_柴志方_ _成 员：鲁浩东 钟海峰 胡彩珠 摘要：记录物光波的振幅和相位，并在一定条件下完整再现，则可看到包含物体全部信息的三维像亦即是光学全息术。近年来，利用光学全息术对物体进行非接触、非破坏、髙精度和高灵敏度的全场检测成为全息术的一个重要应用，被称为全息干涉计量。随着高速数字图像传感器如CCD(Charge-coupled Device)的发展,全息干涉计量得以实现全息图采集的数字化和自动化,为其在振动测量领域的应用奠定了基础。本文对全息图制作方法的优化

2、、干涉条纹中物体空间位置信息的提取以及处理方法进行了初步研究。在全息照相中,通常所采用的是激光波长为632. 8 nm 的氦氖激光器,曝光过程中必须保证拍摄系统的移动不超过干涉条纹间距的1/ 4 ,而课题组所在的高楼层全息照相实验受空气等震动影响较大，成功率较低，这就要求找到提高实验成功率的方法。相位信息采用加窗采样提取像点进行傅里叶变换从而分析提取，窗口傅里叶变换是用于位相提取的有力工具之一,而窗口尺寸是影响窗口傅里叶变换效果的主要因素。对从CCD中所提取的信息加以光衍射再现方面的理论计算，即可复原物体的运动信息。关键词: 光学全息术 光学干涉计量 数字全息 振动测量 窗口傅里叶变换一、全息

3、图的摄制1、光全息术简介：光全息术是利用光的干涉和衍射原理,将物体反射的特定光波以干涉条纹的形式记录下来,并在一定条件下使其再现,形成与原物体逼真的三维像.由于记录了物体的全部信息(振幅和位相),因此称为全息术或全息照相术.显然,这是一种用光学方法在人的视觉上再现物体三维清晰像的典型技术.全息照片有许多优异的性质：1）、三维特性：因为全息图记录了物光的相位信息,再现时,可观察到如同真实物体一样逼真的三维图像。当观察者改变位置时,可以看到物体后面被挡住的部分,可以看到逼真的三维图像。2）、不可撕毁性：因为全息图记录的是物光与参考光的干涉条纹,所以具有可分割性。它被分割后的任一碎片都能再现完整的被

4、摄物形象,只是分辨率受到一些影响。3）、再现像的缩放性：因衍射角与波长有关,用不同波长的激光照射全息图,再现像就会发生放大或缩小。4）、信息容量大：同一张全息感光板可多次重复曝光记录,并能互不干扰地再现各个不同的图像。 2、全息光路的改进一激光光源（波长为）的光分成两部分：直接照射到底片上的叫参考光；另一部分经物体表面散射的光也照射到干板上，称为物光。参考光和物光在底片上各处相遇时将发生干涉，底片记录的是各干涉条纹叠加后的图像。右图一为常见的全息图像摄制光路，由于物光与参考光夹角较大，对底板、摄制过程中的防震、降噪、光程的调节、光强的调制等要求较高，摄制的成功率较低，难度较大。 在对实验原理的

5、深入了解下，考虑到可以用上图二作为拍摄全息图的改进替代方案，有效解决了光程调节、入射角度、光强调节等较难解决的问题。但由于多次的反射和折射，易造成多次重影的系统误差。3、接收介质的改进本实验的干涉计量部分实验采用CCD接收干涉条纹，与普通全息相比，它具有以下优点：（1）用CCD等图像传感器件记录数字全息图的时间，比用传统全息记录材料全息图所需的曝光时间短得多，因此它能够用来记录物体的各个瞬间状态。曝光时间缩短，对环境的稳定性要求相对减弱。（2）没有繁琐的化学湿处理过程，记录和再现过程都比传统光学全息方便快捷，为实验室处理带来很大方便。CCD的双曝光法研究：传统全息术可以在干板上完成对物体的前后

6、两次曝光，从而保证再现时出现可直接观察的两组衍射光，亦即两个实物再现像的直接比较。而由于CCD的即时曝光特性，实验所用的CCD无法直接实现与干板相同的二次记录功能，故采用以下两种方法进行操作：A、原位摄影法原理为保持镜头位置始终固定，分别记录物体状态改变前后的两张全息图，然后对两张图在计算机上加以模拟参考光入射再现衍射光的方法，进行物体信息的复原，最终通过对比完成对物体信息的完整描述。B、多重曝光法多重曝光（英语：multiple exposure）是摄影中一种采用两次或者更多次独立曝光，然后将它们重叠起来，组成单一照片的技术方法，目前已在许多高端摄像机上有所应用。由于其中各次曝光的参数不同，

7、因此最后的照片会产生独特的视觉效果。多重曝光是一种拍摄技法，不过为了烘托气氛，常常选择这种技法，用不同焦距分两次或多次曝光来表现一张照片难以表现的内容。多重曝光技术一般用来拍摄双影或多影照片。可以说，多次曝光功能是胶片相机时代的产物，在传统的胶片单反相机中，多次曝光是一个非常重要的功能，是一种独树一帜的摄影手法。多次曝光技术的原理是在一幅胶片上拍摄几个影像，让一个被摄物体在画面中出现多次。4、物体的干涉条纹如图，设记录平面为xy平面，该平面上物光波的复振幅分布为：参考光波在记录平面上的复振幅分布为：两相干光波在记录平面上的合光场的复振幅分布为：假定参考光在整个记录表面上是均匀的，有其中tb表示

8、均匀偏置透过率。曝光后的干板经过显影、定影处理后，就得到全息照片。全息照片呈现出来的是干涉条纹，不是物体的像。二、干涉条纹的提取上图为利用干涉计量法测定金属板的杨氏模量，激光束经扩束镜照射在干板上为参考光，透过干板后的光束经铝板反射后照射在干板上即为物光。首先在铝板自由端未受力时作第一次曝光，干板上记录了铝板处于原始状态时的全息图，然后通过加力装置对铝板的自由端加力后作第二次曝光，干板上又记录了铝板受力变形后的全息图。再现时同时复现铝板两个状态下的物光波前，这两个波前产生干涉，形成一簇等光程差的干涉条纹。如果能测出某一级亮纹或暗纹所在处沿铝板纵轴方向的位置，即可计算出其杨氏模量。本实验将CCD

9、记录的全息图,经图像采集卡进行A/D转换,然后把全息图以数字的形式存储在计算机中。对CCD的限制：由于实验是使用CCD代替干版来直接记录菲涅耳全息图,因此要想由全息图完好地再现出物的光波信息,则必须保证全息图表面上光波的空间频率与记录介质(如CCD或干版)的空间频率之间的关系满足柰奎斯特抽样定理,也就是说,记录介质的空间频率必须是全息图表面光波的空间频率的两倍以上。这样,就对记录介质的分辨率提出了一定的要求。由于CCD的分辨率(约100300线/mm)比传统上用作记录介质的干版的分辨率(达到3000线/mm)相差一个数量级,所以,要使实验获得成功,就必须满足较为苛刻的实验条件。全息图表面上光波

10、的最大空间频率fmax决定于波长以及物光与参考光的夹角。目前试验尚未研究成功这一部分，综合已有信息可以推测干涉条纹信息的提取有两种方法：其一可能是图像摄制下来时的编码本身已经是我们所需要的数据。其二可能是相关软件作用于图像的提取，如使用matlab等工程软件完成对图像的开窗取样过程，提取图像上干涉条纹的相位信息以便下一步的计算复原。三、物体信息的计算复原上图为传统实验用来观察全息照片的光路图，设用复振幅分布为 的相干光束作为参考光。部分入射光束透过干板产生衍射，绝大部分光被乳胶吸收，少部分被反射。即： 将合光强的分布表达式代入，有此式表示了全息照相再现过程的基本方程。再现照明光束采用原相干参考

11、光束（ ）：上式中各个量的物理意义见下图：u1：代表再现照明光束经过全息照片后的透射波，透射率为tb，即全息图再现中的零级衍射波。u2：由于A02是物光波振幅的平方，即物光波在干板上的光强分布，它在全息图上呈现一种“散斑”的图象，称为散斑衍射晕。u3：代表了1级衍射光波，与原物光波相比，它多了这个常系数，因而u3与原物光波具有相同的相位，而振幅仅相差一个常数。u3这一项准确再现了原物光波的信息，它给人体的视觉与物光波完全相同，其反向延长线构成原物的虚象。u4：代表了-1级的衍射波，而原物光波u4与原物光波的相位信息相差一个负号，表明再现物光波与原物光波共轭。对于波面而言，如果原物光波发散，则再

12、现物光波是会聚的，它将构成一个实赝像。本实验采用计算机模拟参考光入射法进行计算，全息图的再现是光波通过全息图后产生的衍射光,在菲涅耳近似下,再现光场可以描述为四、实验感想与收获在大学里多参加自主科学研究实践，学会进行科学研究的方法，为今后参加科学研究工作打下基础十分重要。此次的自主实验课程，是一个锻炼实验操作能力、资料查阅能力、团队合作能力和思维创新能力等的好机会，我们三个人组成的团队合作与分工合作，虽然目前的实验陷入了困境，但所幸我们组的成员们都还在孜孜不倦的寻求着方法，在这寻求中提升着自我。当中经历，非三言两语可以尽诉，其间收获，更是我们不可多得的一份丰厚财富。通过这次综合实验，我们能更容易去理解和接受物理学的抽象概念和原理，以往大学物理实验中所无法理解的设计和操作细节也一一明朗起来，这