3草稿第二章原理发展

1、本章目录第二章 数字激光全息技术应用与发展2.1 基于同轴数字全息系统概述2.1.1 全息的技术的特点2.1.2 同轴数字全息技术的发展2.1.3 同轴数字全息在海洋科学中的应用2.2 同轴数字全息基础理论2.2.1 同轴全息原理2.2.2 同轴数字全息再现原理 菲涅尔衍射2.3 无透镜同轴数字全息系统搭建2.3.1 实验计划2.3.2 组成要素与实验流程2.3.3 系统光源与1 激光器选择依据2 CCD 选择依据2.3.4 空间滤波器器件选择-激光器和 CCD2.3.5 同轴全息的理论条件2.4 无透镜同轴数字全息系统分辨率测试2.4.1 计算全息 C G H 的特点2.4.2 计算机模拟重

2、构【CGH】流程2.4.3 计算光波场描述的数学2.4.4 再现计算全息的菲涅尔算法2.4.5 计算全息的分辨率测试2.4.6 标准板分辨率测试2.5 实验结果及对比分析2.5.1 与真实图像比较2.5.2 以真实颗粒验证系统分辨率2.6 本章小结第二章 数字激光全息技术应用与发展本章全息技术发展和基本全息成像理论，为实验提供理论基础；在分析研究目的基础上搭建全息观测系统并校准，为实验提供技术准备。2.1 基于同轴数字全息系统概述2.1.1 全息的技术的特点所谓全息（Holography）本意为全部的图像。“holography“来自于希腊，holo 表示“全部”，graph 表示“写”或者“

3、描绘图像”。与传统光学成像借助透镜物体光场强度信号不同，全息图可以物体发射的的衍射，并且使衍射光能够被重现，其位置和大小与1之前相同，即不仅了物体的振幅,而且了物体的位相,从而更加真实地反映了原物体.。全息图可以用于储存、重现、处理光学。【Hariharan, (2002), 12.6, p107】全息技术是英国物理学家 Denise Gabor（1900-1979）在 1947 年对显微镜进行改进时意外发现并申请专利【 Gabor, Dennis (1948). "A new microscopic principle". Nature. 161:7778】。直到 196

4、0 年激光技术出现，光学全息才显示出优越性。他因此获得物理学奖（研究）。与传统照相技术比较，全息技术的特点：表【水下粒子场数字探测】全息技术的根据全息图的和再现方式的不同,等】:可将全息技术分为三类【数字全息技术的原理和应用香2划分标准种类特点物光参考光位置同轴全息物光参考光同轴离轴全息物光参考光有夹角按光波特点菲涅尔全息直接光波，不需要透镜夫琅全息用白光作为光源时将会得到彩色衍射图样叶变换全息光波加频谱介质平面全息菲涅尔全息和叶变换全息体积全息满足布拉格条件按重构时照明光源激光激光再现使用激光白光再现，单色再现白光白光再现使用胶片按重构时照明光衍射光方向透射型透明物体反射型不透明物体按照重构

5、像特征像面全息时用凸透镜在干板上成像，白光再现彩虹全息激光白光再现比较内容数字全息全息光学传统光学方式CCD湿板胶片储存方式数字储存全息干板胶片再现方式计算机使用原来光路再现相纸量三维二维光源激光/LED / 普通光源普通光源拍摄环境非接触接触表现方式不呈现背景不呈现背景全景【.等编著.激及应用M.工业出版社.2005.8 】2.1.2 同轴数字全息技术的发展数字全息技术是现代计算机技术与光学相结合的产物。该技术将全息材料替换为电耦合器件来全息图像，并用数字化的模拟光衍射过程对 全息图像进行重建，实现了全息技术从到重建全过程的数字化，给全息技术带来了巨大的发展。近年来，数字全息技术已经在形貌测

6、量51、显微52、检测53等多个领域得到了应用。【基于压缩同轴数字全息的研究 作 者 姓 名：】数字全息是运用计算机的全息图和再现方式。1967 年,Goodman 和 Lawrence 利用光敏成像器件全息图,把所的全息图存入计算机,之后用计算机进行模拟再现, 从此全息技术进入数字化发展阶段J.W. Goodman,P.W. Lawrence. Digital image formulation from elec-tronically detectedhologramsJ.Appl.Phys.Lett.,1967,11 (3):77-79.。数字全息技术作为传统全息技术的一种替代，直接采用

7、 CCD 相机接收微粒的全息图像，能够实现图像的实时获取和处理。再用数字重建粒子场，在数值重建过程中能同时得到光波场的强度和相位，数值重建还可以方便地进行数字聚焦，容易实现三维观测。另外，采用脉冲激光作为光源时，时间很短，可以有效避免图像模糊。由于其避免了传统全息中干板的湿处理，并且不需要物理再现过程，具有实验过程简单方便、噪声小、实验结果直观、实时处理等优点。在使用上，跟现在光学显微技术相比无透镜同轴全息系统因为操作简单、费用低廉、非接触、对环境要求低。数字全息技术在近几年来有了快速发展，光电图像处理器、全息技术、计算机图像处理、光敏材料和超短脉冲激光等技术使图像的处理过程更加简洁迅速,甚至

8、实现了实时的、再现和判读，对应力、密度、质量密度、温度、振幅、弯矩、应变、位移或转动等物理量能精确测量，从而可以对冲击场、流场、应力场及生物过程等超快现象的无接触无损伤确切。全息技术的发展在、防伪等领域得到了广泛应用。随着高分辨率光敏成像器件的出现和计算机技术的不断提高, 全息技术应用领域和范围不断拓宽，对医学、生物学、海洋学影响也越来越突出，体现了它的广阔的应用前景。数字全息技术作为传统全息技术的一种替代，直接采用 CCD 相机接收微喷射粒子的全息图像，再用数字重建粒子场，由 于其避免了传统全息中干板的湿处理，并且不需要物理再现过程，具有实验过程简单方便、噪声小、实验结果直观、实时处理等优点

9、。而同轴数字全息技术更因光路简单，对光源要求低，充分利用 CCD 相机的能力。2.1.3 同轴数字全息在海洋科学中的应用近年来全息技术在海洋地质学的理论实践中得到了较大发展，尤其是在对水下环境研究。因为参考光和物光共线，即同轴,对材料的分辨率要求很低,所以同轴全息技术适用于对微小物体的研究;而离轴全息技术的参考光和物光成一定的夹角,范围小，对材料的要求很高,适用于对大物体和不透明物体的研究【数字全息的技术和应用香 物理学和高新技术 33 卷 2004 年 11 期】。2009 年，J Brady 在同轴全息中加入压缩感知技术，这样3360 度全息多角度拍摄真彩色全息三色激光三色激光再现根据和再

10、现方式光学全息光学光学再现计算全息模拟光学再现数字全息CCD计算机再现的压缩全息实现了单幅全息图像实时地对光场进行较好成像【基于压缩同轴数字全息的研究郑州大学, 2015】当溢油问题出现在海洋科学尤其海洋地质科学的课题之中，同轴数字全息技术成为研究水下粒子场变化的最佳。近年来，研究成果不计其数。例如 Lanadie F 等用同轴数字全息研究两中颗粒速度，【Digital holographic measurement of liquid-liquidtwo-phase flows, Optics and Lasers in Engineering, 2012, 50:1716-1725，Lan

11、adie F.,Bruel L., Himbert M.】，Chen W.等人用压缩数字全息对油滴进行量化研究 【Qutativemeasurement of oil droplets using compressive digital holography, MTS/IEEE OCEANs, 2014, 1-4】；S. Satake,等用数字全息校准板进行粒子跟踪与测速【Calibration plate for digital holographic particle tracking velocimetry, Journal of Physics: conference series,

12、2009, 191:1-】；James P. Ryle 等人通过对数字同轴全息显微镜系统的校准景深分析生物过程【Calibration of a digital in-line holographic microscopy system: depth of focus and bioprocess analysis," Appl. Opt. 52, C78-C87 (2013) 】；G. W. Graham 等人使用数字全息粒度分析仪测量具有复杂形状的粒子【 LISST-100X measurements of particles with complex shape using d

13、igital in-line holographyG. W. Graham,1 E.J. Davies,1 W. A. M. Nimmo-Smith,1 D. G. Bowers,2 and K. M. Braithwaite2 nterpreting lisst - 100 x】；George W 应用全息技术分析悬浮颗粒聚合物的大小和沉降速度【George W. Graham and W. Alex M. Nimmo Smith* University of Plymouth, Plymouth, U.K. Theapplication of holography to the analy

14、sis of size and settling velocity of suspendedcohesive sediments】；、吴学成、SL Pu 等人分别用同轴全息技术研究颗粒识别【徐生 ： 数字同轴全息颗粒场检测中的颗粒分割 识别与元强 1 , 2 ,1 , ,聚焦】【Particle field characterization by digital in-line holography: 3D location and sizing SL Pu，D Allano，B Patte-Rouland，M Malek，D Lebrun，.】【吴学成 数字共轴全息中颗粒识别与定位】；JA

15、Domínguez-Caballero 研究水生物种数字全息成像【Digital holographic imaging of aquatic species】RB Owen，AA Zozulya 等人用 同轴数字全息传感器检测和确定海中颗粒物【In-line digital holographic sensor formonitoring and characterizing marine particulates RB Owen，AA Zozulya】；J Kühn 等人用曾数字全息显微镜描绘追海洋踪微生物【A Mach-Zender digital holograph

16、icmicroscope with sub-micrometer resolution for imaging and tracking of marine micro-organisms J Kühn，B Niraula，K Liewer，JK Wallace，E Serabyn，】凡此种种，不胜枚举，足以证明数字全息技术尤其是同轴数字全息技术对于相关研究意义重大。2.2 同轴数字全息基础理论数字全息指的是用数字传感器阵列，即最典型的CCD 相机或者类似的，来获全息图像 【Goodman, Joseph W.; Lawrence, R. W. (1967). "Digit

17、al image取formation from electronicallyletters. 11 (3): 7779. 】detected holograms". Applied physics, 【 Macovski, Albert (1969). "Efficient holographyusing temporal modulation". Applied physics letters. 14(5): 166168.2 】 】.图像对物体数据的绘制或者重构也叫再现，由数字化的图像来完成。数字全息技术提供了测量物体光学相位数据的成为测量技术领域的强大工具。

18、，以振幅、相位和偏振状态给出物体三维表面或者厚度，4数字全息技术主要步骤：（1） 物理同时纹，即全息图像。通过 CCD 相机的全息图光场的相位和振幅即光强等，把适当编码为数字便于和运算。传统光学只能，离轴数字全息振幅，全息技术能够物体表面反射的振幅和相位全息参考光与物光的。条光场内的光强分布，而同轴数字全息光栅衍射（2）数字全息图像的重构或再现。按照衍光强和相位，使用计算机来模拟光波场传播过程 ，用卷积算法、算法和菲涅尔算法可以得到不同焦平面上的再现图像。（3）图像处理和结果分析。对重构后的再现图像进行降噪、滤波、二值化等预处理，提高图像质量和实验结果准确性，以便对实验结果进行进一步分析。【全

19、息学及其应用M，：北 1、理工大学，1996.】2.2.1 同轴全息原理【数字全息的高精度检测技术研究_】全息的物理过程描述全息波前的示意图设目标物所在平面为（x0，y0）平面，介质的位置为（x，y）平面，物光波和参考光波前在介质上的复振幅分布为（2-1）（2-2）介质上的总光场为（2-3）全息图的光强分布为（2-4）式（2-4）中第一光光强分布，第二参考光光强分布，第三项，包含了5物光的振幅和位相，物光的振幅和位相分别受到参考光的振幅和位相的调制。设 CCD 靶面为 Lx×Ly，数字化离散采样点为 Nx×Ny，则 x 和 y 方向的采样间隔分别为x=Lx/Nx,y=Ly/

20、Ny，CCD到的光强分布为（2-5）其中，u，v=-N/2，-N/2+1，N/2-1，二维脉冲函数，rect 为代表 CCD 有效感光面积的矩形函数。【基于压缩同轴数字全息的研究 作 者 姓 名：】2.2.2 同轴数字全息再现原理 菲涅尔衍射同轴数字全息的再现算法数字全息再现过程是通过全息系统过得数字全息图像后，使用计算机模拟光波场传播过程，根据衍射后的复振幅得到光强和相位，这一过程决定了再现图像的质量，因此数字全息再现过程是数字全息技术中关键的一步。常用的三种数字全息再现算法为：卷积算法、算法和菲涅尔算法。卷积算法基于-索末菲衍射积分衍射公式线性系统原理，其再现像的像素大小与再现距离无关，由

21、 CCD 的靶面决定。但计算过程复杂需要进行三次叶变换，重建速度较慢。算法通过对频域进行描述，把光波场转化为频域，经过传播，再转化为空域而得到衍射后的光场。其再现像需要经过一次叶变换和一次逆叶变换得到再现全息图。在传播过程中不菲涅尔算法在式，只需一次近似，因此减少了误差，但该算法不适合同轴全息系统。-索末菲衍射积分基础上根据理论出发建立的标量衍射公叶变换就可得到光场分布，这在很大程度上简化了计算的难度。这里着重菲涅尔算法。波前再现定义一束相干光照射下，接收屏上的复振幅为 C(x,y)，则全息光波场可以表达为（2-6）其中 tb 为均匀偏振透过率U1 和U2 为衍射场的 0 级项，强度不均匀，U

22、3 为衍射场的+1 级项，包含物光U4 为衍射场的-1 级项，也称为共轭像。O*代表目标物的共轭光波。当 C(x,y)=R(x,y)时，光源与参考光相同，代入公式（2-6），的原始像，（2-7）（2-8）当 C(x,y)=R*(x,y)时（2-9）（2-10）6由于采用同轴数字全息光路，参考光与物光难以分离，物光和参考光强度分布无法分别获取，但物光强度远小于参考光强度，直接将参考光强度看作数字全息图中的零级项【微结构相衬成像的数字全息研究【光学，博士】2.3 无透镜同轴数字全息系统搭建搭建同轴数字全息系统的是由于实验检测的对象和特性的特殊要求。在检测模拟条件下油滴和石油悬浮颗粒聚合物，观测范围

23、精细，指标要求较高。 虽然目前同轴数字全息系统已广泛应用于水下汽泡、悬浮颗粒、浮游生物、溢油油滴等观测中， 但是对同轴全息成像系统的在观测溢油初期油滴的空间分布密度以及石油悬浮颗粒聚合物的等研究较少。根据观测需要，必须搭建新的数字全息成像系统，并利用校准平板USAF对所建的全息系统进行校准实验，对景深成像空间的不同位置的重构图像进行评估，确定最佳观测尺度和范围。2.3.1 实验计划首先研读国内外相关研究文献，在此基础上形成对所构建的全息成像系统性能的预期；建立研究目标体系，确定相关检测项目；选择相关材料和，搭建实验系统，轨道、水槽、CCD，激光器；根据USAS对系统进行性能测试，选用光学分辨率

24、测试版上一对具有标志性的图形（譬如 米字型等）沿Z 周方向在景深成像 范围内以一定的步长移动(譬如1mm)，利用相机图像（如图1 所示）。然后对用标准颗粒对系统进行功能测试。图像进行重构，构建空间位置图像。2.3.2 无透镜同轴数字全息成像系统构组成要素与实验流程从系统结构示意图可以看到，基本要素为：光源部分：激光器，透镜， 准直部分：轨道，部分：CCD实验流程：【此次应该有流程图】：设计-选择-安装调试-校准验证根据操作手册，连接数字相机，熟悉对相机图像激光器选择；流程。空间布置7上图从左到右依次为：提供系统特定光源的激光器， 准直透镜，CCD2.3.3 系统光源与器件选择-激光器和 CCD

25、系统搭建是实验的开端也是关键一步。 通过精心选择搭配，使得主要组成部分即激光器，滤波器和 CCD。互相衔接，分工合作。1 激光器选择依据：海水在波长为 350-500nm 区间内着一个透明窗口（即较低的吸收系数），从 500-700nm的吸收系数之间增加，700-800nm 的吸收系数达到最高值。所选用激光器波长： 660 nm。（该波长激光器易于制作、成本低、选择性多；浮游生物对红光及红外光谱不敏感，有利于进行无干扰观测）在分析目前可选的水下全息成像主要采用的激光光源并进行对比，譬如 Q 开关激光器、二极管激光器、以及国内的 He-Ne 激光器的优缺点(体积、复杂性、功率、开关调制性能等)之

26、后，决定本实验所采用激光器参数如下：2 CCD 选择依据通过对目前水下全息成像可以选用的 CCD 相机进行对比，在帧速(Frame Per Second,FPS)， 像素分辨率、像素，功耗、灵敏度、动态范围等方面详细推敲，综合考虑 CCD 与CMOS 技术以后，觉得本实验所采用相机参数如下8项目参数型号Genie TS-M4096像素分辨率4096´3072像素6.0mm最大帧速12fps项目参数型号IQ1H70(660-100)G36波长660 nm功率100mW调制速率连续-100MHz上升沿时间2 ns延迟10ns光束扩散角< 1 弧度2.3.3 空间滤波器成像光路系统实

27、施图 1 无透镜同轴数字全息成像实验系统结构示意图空间滤波器组成： 为避免过强的激光带来的成像靶面饱和现象，在空间滤波器前加一个偏振器或衰减器来减弱光强。空间滤波器由显微物镜和针孔组成（初步选用 10X，5mm）， 利用显微镜将激光聚焦在焦点，在该焦平面的针孔用来过滤高频光场。准直透镜：位于针孔外的焦平面进行球面波的拓展和准直，采用凸透镜，焦距约为 150mm，根据系统整体长度的设计进行调整。滤波和准直系统是使激光变为平行光的装置。一个空间滤波器，一个手动挡板，一个显微物镜，一个针孔，一个平凹透镜。为了确保系统每一个部分中心位置相同，用框架装置来固定各个部分。 空间滤波器由十倍显微物镜组成，焦

28、点在焦平面上。 直径 5 微米的针空固定在自定心装置上，用来过滤高频光场。 显微物镜的位置可以通过手柄调整螺旋千分尺在 X，Y，Z 轴位置 手动挡板。在空间滤波器前，衰减器用来减弱过于强烈的以免过饱和激光在靶区成像的现象。焦平面上针孔面波沿着中心平行前进。 】部分的准直透镜用焦距 150 毫米的凸透镜使球2.3.5 同轴全息的理论条件激光波长、CCD 靶面以及观测物体的大小等共同决定了观测区域的范围。同轴全息的原理9动态范围60dB输出格式8 位或 10 位增益自动、手动及模式靶面24.6´18.4 mm触发模式自动、编程以及外部触发功耗4.5 5.5 W生产厂家TELEDYNE D

29、ALSA，当物体被一组相干平面波照射，并且在参考光束平行于光轴时被投影到 CCD 目标表面上时，条纹之间的距离被称为条纹空间周期 x 的倒数称为空间频率。（2-11）角度是衍射光和 Z 轴的角度。 CCD 光电检测器阵列可以区分的最大空间频率由 CCD（即CCD 的像素）决定。根据 Shannon 采样原理，1 条纹周期需要至少 2 像素，即 2N=x，N 是 CCD 表面元素的。（2-12）因为接近 0 和N =6.0m，所以（2-13）物体和 CCD 之间的距离（Dmin）也可以由物体（L0）和 CCD（LCCD）的长度来描述。（2-14）由于 LCCDx=24.6mm，LCCDy= 18

30、.4mm，可以得到 L0 和Dmin 之间的线性：L0x=0.11Dmin-24.6（2-15）L0y=0.11Dmin-18.4（2-16）2.4 无透镜同轴数字全息系统分辨率测试数字全息系统搭建之后，需要对其性能进试并按照实验要求进行调整。测试的就是首先进行图像的模拟重构，根基标准版 USAF 进行比对。之后标准颗粒全息，通过重构与实物对比。通过比较确的最佳观测条件。2.4.1 计算全息 C G H 的特点作为数字全息技术的一个重要分支，计算全息 Computer Generated Holography 产生于二十世纪中后期。激光全息需要对真实的物体，利用光的衍射原理，借助参考光将物光波

31、在感光材料【干板】上或者 CCD 内，其前提是物体必须真实地物理地，能在激光照射下不同面产生不同的光强和相位。但是一些“理想”“概念化”的设计可能难以制作出来，但又必须以视觉形式呈现出来，如用于检测的标准件或用于特殊光学处理的空间滤波器等，或者精微的设计。借助计算全息可以实现这些功能。它将计算机技术和光10全息结合，超全息。计算全息图(CGH) 把与物光波有关的数学描述输入计算机处理后，系统经过运算，再通过适当方式再现全息图。2 相比光学全息图 CGH 较具有如下特点：首先，制作 CGH 不需要真实物体的以其功能灵活， 不仅可以描述不，可以根据需要，设计物光波的具体数学表，所的物体，还可以对数

32、字全息进行校正，或者实现多激光同步高速扫描。其次，CGH是二元的，其透射系数只取值 0 和 1，能力强，噪音小，且易于率。已经。第三，二元 CGH 经漂白处理后变成位相型全息团，可获得很高的衍射效运用在三维显示、空间滤波器、光学储存、激光扫描等领域。2.4.2 计算机模拟重构【CGH】流程：CGH 的流程逻辑框图根据物体和平面相对位置的不同，CGH 也可分为像全息图、菲涅耳全息图和叶变换全息图。下面为叶变换 CGH 的制作过程。具体环节：从内存中观测目标的图像，计算物面抽样数量，输入波长、物面和物距等参数，计算光场分布，通过息图像，计算并再现图像。叶变换进行衍射计算，计算像面，计算并显示全上述

33、八个环节中，计算光场分布和计算再现是计算全息的两个关键。2.4.3 计算光波场描述的数学在三维直角坐标空间中，t 时刻，任一点 P(x，y，z)处单色光波振动可以表示为（2-1）其中 U0 为振幅， 为初始相位， 光波的振动频率。根据公式：（2-2）上式的复指数形式可表示为（2-3）Re 代表实部，光波振动的复指数形式表示为（2-4）如图 2-1 所示，光源位于 S(x0，y0，0)，对于发散球面波：（2-5）11汇聚球面波：（2-6）其中，k=2/表示波数，是的距离。长度上的相位变化，为单色光波长，r 为 P 点与光源间（2-7）观测场的范围满足公式（2-7）时称为菲涅尔衍射区，将 r 代入

34、（2-5）可得到菲涅尔近似下发散球面波在（x，y）平面上的复振幅分布，（2-8）其中 a0 为球面波在 r 是距离时的振幅。同理，汇聚球面波：（2-8）对于平面波，（2-9）其中，cos、cos 和cos 为平面光传播的方向余弦且不，为：（2-10）代入（2-9），（2-11）其中，为一个复常数。2.4.4 再现计算全息的菲涅尔算法菲涅尔变换算法是基于菲涅耳衍射理论，需要满足菲涅耳近似条件。首先，假设目标物与光源距离较远；其次，为简便计算，在傍轴条件下光场可近似表示为【47Y.Wang,D.Y.Wang,J.J.Xie.Recordingconditionsofd 咕化 1holography

35、C.SP 圧,2007,6279;6279IJ】12（2-12）上式即为菲FFT 为快速衍射公式，其中 U0 为光场在衍射面上的复振幅，d 是观察面到衍射屏的距离，叶变换。2.4.5 计算全息的分辨率测试首先，输入原始二维图像，计算分辨率和其他必要参数。用均匀一致的 660 纳米平面波，CCD 观测屏幕接受垂直照射，取样点为 512*512 像素，取样位置在 Z 轴 200 毫米到 360 毫米之间。根据信号转换为连续的物理量。香浓取样理论，计算机把离散的数字根据得到的光场分布计算叶变换，得到数字全息图。用叶变换计算先前输入图像的菲涅尔衍射积分。 根据观测屏，计算衍射光场不同距离的分辨率强度。用计算机模拟光源到 CCD 的二维光场。按全息条纹图案和坐标计算 Z 轴 200 毫米到 360 毫米范围的光强分布。再现真实波面【波前】。得到 CCD 屏幕衍射光分布。在重构之后，在 Z 轴最高分辨率区域可以通过最小可识别线条的位置来确定。最小完整线条对应分辨率直径，其宽度为 30 微米。2.4.6 标准板分辨率测试用 USAF1951 分辨