福建师大2014-12级光信息综合实验讲义-最终稿

1、福建师范大学光电与信息工程学院光信息综合实I2014年9月福建师大光电与信息工程学院信息技术基础课实验教学中心光信息实验平台讲义目 录光信息综合实验教学大纲I实验一 PSD传感器实验5实验二 光纤位移传感器实验10实验三 光纤压力传感系统特性实验14实验四 彩色编码摄影及光学/数字彩色图像解码实验17实验五 菲涅耳全息的记录与再现24实验六 像面全息图的记录与再现30实验七 一步彩虹全息33实验八 晶体电光调制实验37实验九 晶体声光调制实验41实验十磁光调制实验44实验十一基于液晶光阀的光学信息处理48实验十二光的干涉和衍射实验63实验十三 计算全息光学实验71实验十四 全息图衍射效率的测量

2、实验77实验十五可调氦氖多谱线激光器实验79实验十六 激光器偏振、纵模和模竞争实验95实验十七 激光高斯光束变换与测量105光信息综合实验教学大纲一、实验目的与基本要求光信息综合实验是为光信息科学与技术专业和信息工程专业开设的，是一门与讲授课程同样重要的独立课程。通过实验，可以学习和掌握基本的实验技能、实验原理和实验方法，训练综合运用各课知识，培养独立思考、分析问题、解决问题的能力，同时培养促进知识创新和拓展的能力。实验教学是人才培养的重要环节，并且实验课程所具有的独特的教学内容、教学方式和教学目的是不能用理论思维能力来代替的。通过本实验课程的系统学习，使学生融会贯通所学知识，深入理解工程光学

3、的基本原理和基本应用；进一步拓宽现代光学的知识面；掌握基本的实验方法、实验技术及工程应用；熟悉常用光学和电子器件的配置、调整、组合等实验技术，并能对结果进行综合分析和评价；提高用实验方法综合研究光学问题的能力。光信息综合实验课程要求分以下三个阶段。（1）预习。这是实验前的课前准备阶段。根据实验目的，学习实验指导书中的实验原理和书本有关内容，参考指导书中的实验方法，拟出实验方案，列出实验步骤，画好实验数据的记录表格。（2）实验。首先按照实验方案选取安装与调整仪器及部件，这是实验的关键。实验过程中必须认真观察现象，及时发现问题，解决问题。测试时还需记录原始数据，若有可疑之处须反复测试，发现其规律。

4、（3）撰写实验报告，撰写实验报告也是一种实验能力和科学总结能力的培养。二、实验项目内容与学时分配序号实验项目名称实 验 内 容学时实验要求实验类型每组人数1PSD传感器实验1.测量PSD传感器位移值与输出电压值并分析其关系；2.学会利用PSD传感器测量微小位移。3必做验证2人2光纤位移传感器实验1.测量光纤位移传感器输出电压与位移数据，计算灵敏度并分析误差；2.作光纤位移传感器的位移特性曲线，学会利用光纤位移传感器测量微小位移。3选做验证2人3光纤压力传感系统特性实验1.了解光纤压力传感器的原理和应用。3选做验证2人4彩色编码摄影及光学/数字彩色图像解码实验1.通过彩色编码照相机，加深理解将彩

5、色景物实时地编码记录在黑白编码片上；2.掌握光学彩色图像解码技术；3.掌握数字彩色图像解码技术。3必做验证2人5菲涅耳全息的记录与再现1.通过拍摄漫反射物体的透射全息图，加深对全息照相基本原理的理解；2.观察透射全息图的重现像，领会并总结全息照相的特点及其与普通照相的本质区别；3必做验证2人6像面全息图的记录与再现1.掌握像全息图的记录与重现原理；2.制作一张像面全息图，在白光下观察其重现像；3.比较像面全息图与透射全息图的不同之处。3必做验证2人7一步彩虹全息1.掌握制作一步彩虹全息图的原理和方法；2.在像全息图制作基础之上，制作一张一步彩虹全息图，在白光下观察其重现的准单色像。3选做验证2

6、人8晶体电光调制实验1.掌握晶体电光调制的原理和实验方法；2.学会利用实验装置测量晶体的半波电压，计算晶体的电光系数；3.观察晶体电光效应引起的晶体会聚偏振光的干涉现象。3必做验证2人9晶体声光调制实验1.了解声光相互作用原理；2.观察布拉格衍射现象；3.研究声光调制和声光偏转的特性。3必做验证2人10磁光调制实验1.了解磁光效应，掌握光线偏振面旋转角度的测量方法；2.通过仪器实验，验证费尔德常数公式；3.对各种磁物质的费尔德常数进行测试。3必做验证2人11基于液晶光阀的光学信息处理1加深对液晶的电光效应的理解。2掌握利用LCD 液晶光阀的响应曲线进行图像反转的工作原理及方法。3了解液晶光阀的

7、像素结构4理解液晶屏自身结构对频谱的影响5了解衍射理论6掌握光学傅立叶变换的性质及全息性质7加深对卷积定理等的理解8加深对全息成像原理的认识8必做综合2人12光的干涉和衍射实验1.加深对光的干涉和衍射理论的认识。2.掌握干涉条纹和衍射条纹的特点。3必做验证2人13计算全息光学实验1.了解全息原理和计算全息的特性。2.进行全息图的光学再现。3必做验证2人14全息图衍射效率的测量实验1.了解全息图衍射效率的基本概念；2.掌握全息图的衍射效率的测量方法。3必做验证2人16可调氦氖多谱线激光器实验1.掌握HeNe多谱线激光器的工作原理及腔型结构的特点；2.测量各条激光谱线的波长；3.测量各条谱线最大输

8、出激光功率。3必做验证2人17激光器偏振、纵模和模竞争实验1.了解F-P扫描干涉仪的结构和性能，掌握其使用方法；2.了解激光器的偏振特性，掌握激光偏振测量方法；3.了解激光纵模正交偏振理论与模式竞争理论。3必做验证2人18激光高斯光束变换与测量1.掌握激光传播特性的主要参数的测量方法；2.理解激光光束特性，学会对高斯光束进行测量与变换；3.掌握光斑轮廓仪的使用和应用3必做验证2人三、实验成绩考核办法本课程总评成绩由期末考试和平时实验操作与实验报告两部分构成，采用百分制。期末考试成绩占总评成绩的50%，平时成绩占总评成绩的50%。期末考试形式:笔试和操作。操作是以抽签的形式现场完成一个实验操作，

9、根据完成情况给出成绩。平时成绩包括：1.课前预习（占10%）：教师通过检查预习报告或提问方式，考核学生预习情况，给出成绩。 2.实验操作（占20%）：教师通过检查学生各个操作环节和实验结果对学生给出综合实验操作成绩。3.实验报告（占20%）：教师通过检查实验报告的完整性、正确性及对实验结果的分析给出实验报告成绩。四、实验教材和参考书教材： 光信息综合实验讲义参考书：谈恒英编：光信息综合实验，浙江大学出版社，2003年版。王仕璠编：现代光学实验教程。北京邮电大学出版社，2004年版。五、主要使用的仪器设备1. 全息照相系列：天津港东科技发展有限公司XGZ-3型全息照相系列实验装置。主要仪器设备：

10、He-Ne 激光器、反射镜、透镜、全息干版、曝光定时器、可调狭缝等。2. 彩色编码摄影及光学/数字彩色图像解码实验：天津市港东科技发展有限公司XGB-1型彩色编码摄影及光学/数字彩色图像信息处理。主要仪器设备：135 彩色编码照相机、白光光源、小孔滤波器、反射镜、透镜、CCD 彩色摄像机、彩色监视器等。3. 晶体电光/声光调制实验：长春时代光学仪器公司。主要仪器设备：铌酸锂晶体，电光调制电源，半导体激光器，偏振器，四分之一波片，接收放大器，双踪示波器。4. 光信息综合实验：杭州三花科特公司。主要仪器设备：激光器、液晶显示、光学再现系统、CCD 图像采集与显示、光强探测器、计算机。5. CSY2

11、000G光电传感器实验仪。6. 激光原理与技术实验：北京杏林睿光科技有线公司。主要仪器：氦氖激光器、激光功率计、紫外可见光栅单色仪、扫描干涉仪、光斑轮廓仪、显示器和计算机等。IV/113实验一 PSD传感器实验【实验目的】了解PSD光电位置敏感器件的原理与应用。【实验内容】 1测量PSD传感器位移值与输出电压值并分析其关系。2学会利用PSD传感器测量微小位移。【实验仪器】PSD探测器、PSD传感器实验模板、主机箱。【实验原理】半导体光电位置敏感器件(Position-Sensitive Detector)是一种对其感光面上入射光点位置敏感的半导体，也即当光点在器件感光面的不同位置时，就对应有一

12、个不同的输出电信号。这种器件也简称为PSD。PSD主要由硅、锗等半导体材料，利用蒸发金属薄膜工艺，离子注入技术，外延生长工艺以及热扩散技术制成。事实上，它是一种具有均匀电阻薄层表面的平面型PIN光电二极管，但它是建立在横向光电效应基础上的。PSD为一具有PIN三层结构的平板半导体硅片。其断面结构如图11所示，表面层P为感光面，在其两边各有一信号输入电极，底层的公共电极是用与加反偏电压。当光点入射到PSD表面时，由于横向电势的存在，产生光生电流，光生电流就流向两个输出电极，从而在两个输出电极上分别得到光电流和，显然。而和的分流关系则取决于入射光点到两个输出电极间的等效电阻。假设PSD表面分流层的

13、阻挡是均匀的，则PSD可简化为图12所示的电位器模型，其中、为入射光点位置到两个输出电极间的等效电阻，显然、正比于光点到两个输出电极间的距离。图1-1图1-2 因为 所以可得 当入射光恒定时，恒定，则入射光点与PSD中间零位点距离X与成线性关系，与入射光点强度无关。通过适当的处理电路，就可以获得光点位置的输出信号。【实验步骤】1、按图13接线：图中左边小框中：红、黑、黄、白、黄插孔在PSD传感器装置座底部侧面上。其中红、黑为激光电源输入端，黄、白、黄为PSD传感器输出端接入PSD传感器实验模板电路中，如图12，并将实验模板中的与接，与接（注：V03、Vi3、Vi4、V05不用接线）与接，与接。

14、 图13 PSD位置传感器实验接线2、打开主机箱电源，转动测微头使激光光点在PSD上的位置从一端移向另一端。此时电压变化可在±45V之间，若未达到此值，可调输出增量旋纽。调节测微头使激光光点在PSD的端点上。3、在PSD装置中旋上拉伸遮光筒并拉伸头部贴近激光器端面，反向转动测微头(注意克服回程误差)使光点向PSD另一端位移，每转动0.2mm记录数据填入表11。表11 PSD传感器位移值与输出电压值位移量（mm）输出电压（V） 4、根据表1-1所列的数据，作出实验X-V曲线，计算量程为±2mm、±3mm、±4mm时的非线性误差。【注意事项】1 保持硅片的清

15、洁，切勿强光直接照射。2 切勿让激光器直接出射光或镜式反射光直接对准人眼入射。3 电源正负极接线必须正确后方可打开电源开关。【思考题】1入射光点大小对测量有什么影响？使用在什么量程范围最好？66/113实验二 光纤位移传感器实验【实验目的】了解光纤位移传感器的工作原理和性能。【实验内容】1测量光纤位移传感器输出电压与位移数据，计算灵敏度并分析误差。2作光纤位移传感器的位移特性曲线，学会利用光纤位移传感器测量微小位移。【实验仪器】光纤传感器、光纤传感器实验模板、主机箱、测微头、反射面。【实验原理】光纤传感器是利用光纤的特性研制而成的传感器。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能

16、，径细、质软、重量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方(如高温区)，或者对人有害的地区(如核辐射区)，起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。  光纤传感器主要分为两类：功能型光纤传感器及非功能型光纤传感器(也称为物性型和结构型)。功能型光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤，构成“传”和“感”合为一体的传感器。这里光纤不仅起传光的作用，而且还起敏感作用。工作时利用检测量去改变描述光束的一些基本参数，如光的强度、相位、偏振、频率等，它们的改变反映了被测量的变化。由于对光信号

17、的检测通常使用光电二极管等光电元件，所以光的那些参数的变化，最终都要被光接收器接收并被转换成光强度及相位的变化。这些变化经信号处理后，就可得到被测的物理量。非功能型光纤传感器主要是利用光纤对光的传输作用，由其他敏感元件与光纤信息传输回路组成测试系统，光纤在此仅起传输作用。本实验采用的是传光型光纤位移传感器，它由两束光纤混合后，组成Y形光纤，半园分布即双D分布，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距d，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量，如图21所示。发射光

18、接收光(a)光纤测位移工作原理 (b)Y形光纤图21 Y形光纤测位移工作原理图    传光型光纤传感器位移量测是根据传送光纤之光场与受讯光纤交叉地方视景做决定。当光纤探头与被测物接触或零间隙时(d=0)，则全部传输光量直接被反射至传输光纤。没有提供光给接收端之光纤，输出讯号便为“零”。当探头与被测物之距离增加时，接收端之光纤接收之光量也越多，输出讯号便增大，当探头与被测物之距离增加到一定值时，接收端光纤全部被照明为止，此时也被称之为“光峰值”。达到光峰值之后，探针与被测物之距离继续增加时，将造成反射光扩散或超过接收端接收视野。使得输出之讯号与量测距离成反比例关系。

19、如图22曲线所示，一般都选用线性范围较好的前坡为测试区域。图22 光纤位移特性曲线 【实验步骤】1、观察光纤结构：二根多模光纤组成Y形位移传感器。将二根光纤尾部端面(包铁端部)对住自然光照射，观察探头端面现象，当其中一根光纤的尾部端面用不透光纸挡住时，在探头端观察面为半圆双D形结构。2、按图23示意安装、接线。安装光纤：安装光纤时，要用手抓捏两根光纤尾部 的包铁部分轻轻插入光电座中,绝对不能用手抓捏光纤的黑色包皮部分进行插拔，插入时不要过分用力,以免损坏光纤座组件中光电管。测微头、被测体安装：调节测微头的微分筒到5mm处(测微头微分筒的0刻度与轴套5mm刻度对准)。将测微头的安装套插入支架座安

20、装孔内并在测微头的测杆上套上被测体(铁圆片抛光反射面)，移动测微头安装套使被测体的反射面紧贴住光纤探头并拧紧安装孔的紧固螺钉。图23 光纤传感器位移实验接线示意图3、将主机箱电压表的量程切换开关切换到20V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关。调节实验模板上的RW、使主机箱中的电压表显示为0V。4、逆时针调动测微头的微分筒，每隔0.1mm(微分筒刻度010、1020)读取电压表显示值填入表2-1。测量的时候注意回程差，即不要小范围来回调节位移，顺着单方向调节位移。表2-1 光纤位移传感器输出电压与位移数据X（mm）V(v)5、根据表2-1数据，画出如图22 光纤位移特性曲线的实验曲线，并找出线

21、性区域较好的范围计算灵敏度和非线性误差。【注意事项】1保持Y型光纤端面清洁，不要使弯曲半径过小。2电源正负极接线必须正确后方可打开电源开关。【思考题】1光纤位移传感器测位移时对被测物体的表面有些什么要求？2. 光纤位移传感器的位移特性是条曲线，说明原因。实验三 光纤压力传感系统特性实验【实验目的】了解光纤压力传感器的原理和应用。 【实验仪器】 CSY2000G主机箱、光纤温度压力实验模板、气压表（监视气源压力）、三通引压胶管（连接气源气压表与引压口）、光纤（单根装）。【实验原理】按照光纤在传感器中所起的作用，光纤传感器一般分为二大类：1、传感型光纤传感器利用光纤本身的特征把光纤直接作为敏感元件

22、，既感知信息又传输信息，也称为功能型光纤传感器。2、传光型光纤传感器利用其它敏感元件（如温度敏感元件、压力敏感元件等）感知待测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，传输来自远处或难以接近场地的光信号。也称非功能型光纤传感器。本实验模板为传光型光纤传感器，原理简述为：压阻式扩散硅压力传感器将气压（P）转变成电量信号，经集成放大电路处理放大再经电压/电流转换电流调制（内调制）发光二极管光纤传输光光敏二极管接收光信号光电流集成运放电路处理转换放大输出电压。 本类型传感器特点：不仅发挥常规传感器的特点，而且可在其它传输线不适用的环境下（如防电磁干扰、防爆等）进行检测。 【实验步骤】1、按图3-1接线、将实

23、验模板中的引压口用三通胶管连接主机的气压源气压表。、将光纤插入实验模板的光纤口、将实验模板中的+15v、地15v接机箱中电压源的相应插孔中。、将实验模板中的mA处短接（或将主机箱中的电流表显示选择拨到20mA档后接入模板的mA处相应插孔中）、将主机箱的电压表显示选择拨到20v档并与实验模板中的压力传感器输出端相应连接。2、按下实验模板中的温度/压力转换开关，处于压力测量状态。3、合上主机箱总电源和气源开关，调节主机箱气源开关边上的转子流量计旋扭，观察气压表气压显示跟随调节变化，不调节时能达到动态平衡显示某一个压力显示值。4、转动主机箱中的转子流量计旋扭，使气压表显示4kpa，转动调节实验模板中

24、的电位器wp1(压力下限)，使主机箱的电压表显示0.40v。5、转动主机箱中的转子流量计旋扭，使气压表显示在20Kpa上，再调节模板中的电位器Wp2（压力上限）使主机箱的电压表显示2.00v.6、重复4和5步骤（循环3次），反复调节，使压力下限4kp对应0.40v，压力上限20kpa对应2.00v。完成了压力量程上、下限的标定注意Wp1（压力下限）、Wp2（压力上限），不能再碰动）。7、将主机箱电压表由压力传感器输出端转接到光纤传感器输出端U0的相应插孔上，标定光纤传感器输出转换电路，此时调节W零点（光纤下限）和W量程（光纤上限）调节方法与过程同4、5、6步骤（千万不能误调Wp1和Wp2，要小

25、心，否则前功尽弃，要重新标定前级电路）。8、调节转子流量计旋扭观察气压表和光纤传感器输出U0的电压显示，读取记录以下数据P（Kpa）46810.161820U(v)9、根据以上数据，画出P-V实验曲线，并分析计算最大误差，灵敏度，线性误差等指标。【注意事项】1注意调压阀的使用。2注意压力传感电路与光纤传感电路的定标。【思考题】1压力传感电路与光纤传感电路的定标的作用。 实验四 彩色编码摄影及光学/数字彩色图像解码实验【实验目的】1通过彩色编码照相机，加深理解将彩色景物实时地编码记录在黑白编码片上；2掌握光学彩色图像解码技术；3掌握数字彩色图像解码技术。【实验仪器】白光光源 、聚光镜 、小孔滤波

26、器 、平面反射镜 、准直镜 、黑白编码片框架 、傅氏变换透镜 、频谱滤波器 、场镜 、CCD彩色摄像机 、彩色监视器 、白屏等。【实验原理】一阿贝成像理论光学信息处理技术是近20多年来发展起来的新的研究领域，在现代光学中占有重要的位置。光学信息处理可完成对二维图像的识别、增强、恢复、传输、变换、频谱分析等。从物理光学的角度，光学信息处理是基于傅里叶变换和光学频谱分析的综合技术，通过在空域对图像的调制或在频域对傅里叶频谱的调制，借助空间滤波的技术对光学信息（图像）进行处理。光学信息处理的理论基础是阿贝（Abbe）二次衍射成像理论和著名的阿贝波特（AbbePorter）实验。阿贝成像理论认为，物体

27、通过透镜成像过程是物体发出的光波经物镜，在其后焦面上产生夫琅和费衍射的光场分布，即得到第一次衍射的像（物的傅里叶频谱）；然后该衍射像作为新的波源，由它发出次波在像面上干涉而构成物体的像，称为第二次衍射成像，如图1 所示。进一步解释，物函数可以看作由许多不同空间频率的单频（基元）信息组成，夫琅和费衍射将不同空间频率信息按不同方向的衍射平面波输出，通过透镜后的不同方向的衍射平面波分别汇聚到焦平面上不同的位置，即形成物函数的傅里叶变换的频谱，频谱面上的光场分布与物函数(物的结构)密切相关。不难证明，夫琅和费衍射过程就是傅里叶变换过程，而光学成像透镜即能完成傅立叶变换运算，称傅里叶变换透镜。阿贝成像理

28、论由阿贝波特实验得到证明：物面采用正交光栅（网格状物），用平行单色光照明，在频谱面放置不同滤波器改变物的频谱结构，则在像面上可得到物的不同的像。实验结果表明，像直接依赖频谱，只要改变频谱的组份，便能改变像。这一实验过程即为光学信息处理的过程，如图2 所示。如果对物或频谱不进行任何调制（改变），物和像是一致的，若对物函数或频谱函数进行调制处理，由图2 所示的在频谱面采用不同的频谱滤波器，即改变了频谱则会使输出的像发生改变而得到不同的输出像，实现光学信息处理的目的。典型的光学信息处理系统为如图3 所示的4f 傅里叶变换系统：光源S 经扩束镜L产生平行光照射物面（输入面），经傅里叶透镜L1 变换，在

29、其后焦面F 处产生物函数的傅里叶频谱，再通过透镜L2 的傅里叶逆变换，在输出面上将得到所成的像(像函数)。二彩色编码彩色编码是利用光栅对物函数作空间调制，即对图像的不同颜色进行空间彩色编码。让景物的不同颜色部分在黑白底片上呈有不同方向的光栅条纹。这一编码过程是由三色光栅编码器实现的，现称为TOCM（全光彩色调制器）, 图4 为三色光栅示意图,它是由三个不同取向的红黑、绿黑和蓝黑光栅迭加在一起构成的彩色网屏，将它安装在照相机的片门处。当对彩色景物编码拍摄时，三色光栅与黑白底片紧密接触，通过三色光栅的彩色信息在黑白底片上被光栅编码，即景物的红色部分在底片上有水平方向条纹，绿色部分有垂直方向条纹，蓝

30、色部分有斜方向条纹，其它颜色为某两个取向或三个取向的条纹迭加编码，如图5 为彩色编码示意图。拍摄采用该三色光栅编码器，一次拍摄即可完成全彩色编码。这一步称为彩色编码照相, 即用光栅调制的物理方法记录彩色信息，而不是用彩色胶片的化学方法记录彩色信息。三色光栅的数学表达式为： 其中P0 为三色光栅的空间抽样频率，x，x和x"为红、绿、蓝三种光栅的取向。一幅在相机焦平面上的彩色图像可以写成： 于是，当照相机使三色光栅TT(x,y)和景象T(x,y)均成在全色黑白胶片上，经过曝光和冲洗处理后，得到： 如果能控制=2，则得到黑白编码片的振幅透过率为：三光学法彩色解码光学法解码就是将黑白编码片置

31、于如图6 所示的4f 光学解码系统的输入平面P1处，则可通过该光学系统还原出原景物的彩色图像。其解码过程是：自白光点光源发出的光经准直透镜产生平行光，照射在置于输入平面上的黑白编码片上，经白光傅里叶变换透镜在其焦平面上产生其频谱，对三个衍射方向一级频谱分别进行红、绿、蓝滤波后，便在输出像面再现出原景物的彩色图像。将黑白编码片置于如图6 所示的4f光学解码系统的输入平面P1，设其振幅透过率tp，则在P2平面上得到它的频谱： 在P2平面取R、G、B的1 级谱，n=1,而遮蔽其余各项谱称彩色滤波。并通过L2的傅立叶变换，于系统的输出平面P3得： 此即还原的彩色图像。光学的解码方法具有快速、直观和并行

32、的特点。实验中采用一个傅里叶变换透镜，在频谱面进行滤波后，直接在像面还原出彩色图像。由于该彩色图像的光强较弱，为了看得更清楚，则采用一个场镜将其成像在CCD 表面并用彩色监视器显示解码后的彩色图像。四数字解码实际的白光解码系统是一个须经特殊设计的相当复杂的光学系统，它对像差等各种指标要求都很高。采用数字计算机解码代替光学系统进行解码，它有处理手段灵活、方便，系统组成简单，硬件系统只需普通扫描仪和微机组成，便于推广应用，它也可与现代媒体接口在数字网络上传输。图7 给出数字计算机解码实验的流程图：把黑白编码片记录的信息用扫描仪输入到计算机内，根据光学信息处理的解码原理，在计算机内对黑白编码图像进行

33、傅里叶变换、彩色滤波、逆傅里叶变换及图像的合成，最后由彩色监视器或彩色打印输出彩色图像。【实验步骤】1、按照图7 所示的实验系统调好光路.2、调节聚光镜、光源滤波器、准直透镜，产生平行光照射黑白胶片。3、黑白胶片靠近准直透镜放置，在间距为F处依次放置傅里叶透镜L1、频谱滤波器、傅里叶透镜L2。4、将黑白编码片置于系统的输入面内，调节场镜和CCD，在彩色监视器上看到清晰的黑白图像。5、将红、绿、蓝三基色频谱滤波器置于频谱面处，使对应景物的红、绿、蓝一级频谱通过滤波器相应的红、绿、蓝部分。在彩色监视器上可看到解码后的彩色图像。6、在频谱面处放一白纸屏，观察频谱的分布状态。在对应景物的红、绿、蓝一级

34、频谱处依次扎一小孔，观察像面上彩色图像的合成过程。图7 实验系统光路及装置【注意事项】实验光路要调节等高。要微调滤波器，使对应景物的红、绿、蓝一级频谱通过滤波器相应的红、绿、蓝部分。【思考题】1如何实现黑白胶片记录彩色信息？2光学解码时彩色频谱滤波器应如何放置？实验五 菲涅耳全息的记录与再现【实验目的】1通过拍摄漫反射物体的透射全息图，加深对全息照相基本原理的理解；2通过观察透射全息图的重现像，领会并总结全息照相的特点及其与普通照相的本质区别；3了解摄影暗室技术。【实验仪器】He-Ne激光器，曝光定时器，分束镜一个，扩束镜两个，全反射镜两个，被摄物体（如：小鸡，小鸭等）及放置物体的底座，全息干

35、版及底架，暗室技术使用的设备。【实验原理】全息照相的基本原理早在1948年就由伽伯（D. Gabor）发现，但是由于受光源的限制（全息照相要求光源有很好的时间相干性和空间相干性），在激光出现以前，对全息技术的研究进展缓慢，在60年代激光出现以后，全息技术得到了迅速的发展。目前，全息技术在干涉计量、信息存储、光学滤波以及光学模拟计算等方面得到了越来越广泛的应用。伽伯也因此而获得了1971年度的诺贝尔物理学奖。一、全息照相与全息照相术在介绍全息照相的基本原理之前，我们首先来看一下全息照相和普通照相有什么区别。总的来说，全息照相和普通照相的原理完全不同。普通照相通常是通过照相机物镜成像，在感光底片平

36、面上将物体发出的或它散射的光波（通常称为物光）的强度分布（即振幅分布）记录下来，由于底片上的感光物质只对光的强度有响应，对相位分布不起作用，所以在照相过程中把光波的位相分布这个重要的信息丢失了。因而，在所得到的照片中，物体的三维特征消失了，不再存在视差，改变观察角度时，并不能看到像的不同侧面。全息技术则完全不同，由全息术所产生的像是完全逼真的立体像（因为同时记录下了物光的强度分布和位相分布，即全部信息），当以不同的角度观察时，就象观察一个真实的物体一样，能够看到像的不同侧面，也能在不同的距离聚焦。全息照相在记录物光的相位和强度分布时，利用了光的干涉。从光的干涉原理可知：当两束相干光波相遇，发生

37、干涉叠加时，其合强度不仅依赖于每一束光各自的强度，同时也依赖于这两束光波之间的相位差。在全息照相中就是引进了一束与物光相干的参考光，使这两束光在感光底片处发生干涉叠加，感光底片将与物光有关的振幅和位相分别以干涉条纹的反差和条纹的间隔形式记录下来，经过适当的处理，便得到一张全息照片。二、全息照相的基本过程具体来说，全息照相包括以下两个过程：（一）波前的全息记录利用干涉的方法记录物体散射的光波在某一个波前平面上的复振幅分布，这就是波前的全息记录。通过干涉方法能够把物体光波在某波前的位相分布转换成光强分布，从而被照相底片记录下来，因为我们知道，两个干涉光波的振幅比和位相差决定着干涉条纹的强度分布，所

38、以在干涉条纹中就包含了物光波的振幅和位相信息。典型的全息记录装置如图1所示：从激光器发出的相干光波被分束镜分成两束，一束经反射、扩束后照在被摄物体上，经物体的反射或透射的光再射到感光底片上，这束光称为物光波；另一束经反射、扩束后直接照射在感光底片上，这束光称为参考光波。由于这两束光是相干的，所以在感光底片上就形成并记录了明暗相间的干涉条纹。干涉条纹的形状和疏密反映了物光的位相分布的情况，而条纹明暗的反差反映了物光的振幅，感光底片上将物光的信息都记录下来了，经过显影、定影处理后，便形成与光栅相似结构的全息图 全息照片。所以全息图不是别的，正是参考光波和物光波干涉图样的记录。显然，全息照片本身和原

39、是物体没有任何相似之处。设来自物体的单色光波在全息干板平面（平面）上的复振幅分布为： (1)称为物光波。同一波长的参考光波在于平板平面上的复振幅分布为： (2) 称为参考光波。平板上总的复振幅分布为： (3)干板上的光强分布为： (4)将(1)，(2)，(3)式代入(4)式中，得出： (5)适当控制曝光量和冲洗条件，可以使全息图的振幅透过率t(x,y)与曝光量E（与光强I成正比）成线性关系，即 设 (6)其中，为常数。这就是全息图的记录过程。由上面的描述可知，底片上干涉条纹的反衬度为：,其中 。干涉条纹的间距则决定于 随位置变化的快慢。对一定的 、 来说，干涉条纹的明暗对比反映了物光波的振幅大

40、小，即强度因子，干涉条纹的形状间隔反映了物光波的位相分布。因此底片记录了干涉条纹，也就记录了物光波前的全部信息振幅和位相。（二）物光波前的再现物光波前的再现利用了光波的衍射，如图2所示。用一束参考光（在大多数情况下是与记录全息图时用的参考光波完全相同）照射在全息图上，就好像在一块复杂光栅上发生衍射，在衍射光波中将包含有原来的物光波，因此当观察者迎着物光波方向观察时，便可看到物体的再现像。这是一个虚像，它具有原始物体的一切特征。此外还有一个实像，称为共轭像。应该指出，共轭波所形成的实像的三维结构与原物并不完全相似。用与参考光完全相同的光束照射全息图，透过光的复振幅分布是： (7)将(2)，（6）

41、式代入上式，整理得出：（8）(8)式中的第一项，具有再现光的特性，是衰减了的再现光，这是0级衍射。(8)式的第二项，是原来的物光波乘一系数，它具有原来物光波的特性，如果用眼睛接收到这个光波，就会看到原来的“物”。这个再现象是虚像，称为原始像。(8)中的第三项，具有与原物光波共轭的位相：，说明它代表一束会聚光，应形成一个实像。因为有一位相因子存在，这个实像不在原来的方向上。这个像叫共轭像。通常把形成原始像的衍射光称为+1级衍射，把形成共轭像的衍射光称为级衍射。图1 漫反射全息光路图三、全息照相的主要特点1片上的花纹与被摄物体无任何相似之处，在相干光束的照射下，物体图像却能如实重现。2立体感很明显

42、（三维再现性），如某些隐藏在物体背后的东西，只要把头偏移一下，也可以看到。视差效应很明显。3全息图打碎后，只要任取一小片，照样可以用来重现物光波。犹如通过小窗口观察物体那样，仍能看到物体的全貌。这是因为全息图上的每一个小的局部都完整地记录了整个物体的信息（每个物点发出的球面光波都照亮整个感光底片，并与参考光波在整个底片上发生干涉，因而整个底片上都留下了这个物点的信息）。当然，由于受光面积减少，成像光束的强度要相应地减弱；而且由于全息图变小，边缘的衍射效应增强而必然会导致像质的下降。图2 物光波的再现4在同一张照片上，可以重叠数个不同的全息图。在记录时或改变物光与参考光之间的夹角，或改变物体的位

43、置，或改变被摄的物体等等，一一曝光之后再进行显影与定影，再现时能一一重现各个不同的图像。【实验步骤】一、全息记录1打开激光器，参照图1摆好光路，使光路系统满足下列要求：（1）物光和参考光的光程大致相等；（2）经扩束镜扩展后的参考光应均匀照在整个底片上，被摄物体各部分也应得到较均匀照明。（3）使两光束在底片处重叠时之间的夹角约为450。（4）在底片处物光和参考光的光强比约为1:2 1:6。2关上照明灯（可开暗绿灯），确定曝光时间，调好定时曝光器。可以先练习一下快门的使用。3关闭快门挡住激光，将干版从黑袋子中取出装在干版架上，应注意使乳胶面对着光的入射方向。静置2分钟后进行曝光。曝光过程中不能触及

44、防震台，关闭空调以减小空气流动，并保持室内安静。4显影及定影。显影液采用D19，定影液采用F5。它们由实验室提供。显影时间1分钟左右，显影后在清水中轻涮一遍，如室温较高，显影后干版应放在5%冰醋酸溶液中停显后再定影。定影时间510分钟。显影液、定影液温度以20摄氏度最为适宜。定影后的干版应放在清水中冲洗510分钟（长期保存的干版定影后要冲洗20分钟以上），最后将干版晾干或吹干。二、物像再现将全息照片放回原处，遮住物光，用参考光束照亮全息片，可观察到：（1）物的虚像1级衍射光，在全息片后，用眼睛直接地观察，在原物处有物的虚像。改变观察角度，看到虚像有何不同？通过有小孔的纸片观察，在不同的部位看到

45、的虚像有无不同？改变参考光束的强弱与远近，看到的情况有何不同？（2）物的共轭像-1级衍射光（在0级光的另一侧），用毛玻璃屏接收物体的共轭实像。【注意事项】1调整光学元件支架，光束要等高共轴。2物光和参考光束间的夹角常常要小于（在30°60°之间）60°，因为夹角越大，干涉条纹间距越小；条纹越密，对感光材料分辨率的要求也越高。同时被摄物体离全息干版的距离不能太远(约10cm)。【思考题】1与普通照相相比较，全息照相具有那些特点？将全息图片挡去一部分后，为什么重现像仍然是完整的？2为什么在同一张全息底片上可重叠记录多个全息图？3为什么全息照相对光源的相干性有很高的要求

46、？为什么要求物光与参考光的光程相等？又为什么要求在全息照相过程中保持全息台面的稳定？实验六 像面全息图的记录与再现【实验目的】1掌握像全息图的记录与重现原理。2制作一张像面全息图，在白光下观察其重现像。3比较像面全息图与透射全息图的不同之处；【实验仪器】He-Ne激光器，曝光定时器，反射镜（若干），分束镜，扩束镜（若干），透镜（若干），载物台，干板架，毛玻璃，全息干板。【实验原理】像面全息图是一种可用白光再现的全息图，它记录的是物体的几何像，换言之，是把成像光束作为物光波，相当于“物”与全息干板重合。白光再现时，各波长所对应的再现象在空间几乎重叠，把像模糊抑制在最低水平。像面全息图再现时可得到

47、立体感很强的像。被记录物体的几何像可以通过透镜成像法直接得到的，因而只需一步即可完成。其记录与再现原理如图1、图2所示。图1中物O经透镜L成像在全息干板上，R为参考光。当O和R在干板同侧时记录透射像全息图，在异侧时记录反射像全息图。此外，干板的位置可以稍有离焦。图1 像面全息的记录 图2 像面全息的再现【实验步骤】一、光路的设计与排布1、设计：根据像面全息图的制作原理，请自行设计记录透射像面全息图的实验光路。请将光路图画在预习报告上，并说明设计思路。光路设计的原则是：1）所有光束必须出自同一台激光器；2）充分利用全息光学平台的面积，光路的排布应以方便操作为宜；3）尽可能少用光学元件，以免引入能

48、量损失和波面畸变；4）为获得较大视场角，宜用大孔径透镜成像；5）选取合适的物光和参考光夹角，一般取300-450为宜；6）选取合适的路径，使所有相干光等光程。 2、光路的排布：根据所设计的光路图，在光学平台上排布光路。请把光路排布中遇到的问题、解决的思路和办法写在实验报告中。光路排布的原则是：1）各光学元件必须调到共轴，光束走向应相对于台面保持平行，以获得一致的偏振态，避免相干不完全；2）所有元件的支架必须保持稳定，不得有丝毫震动；3）选择反射率较高、且表面不是镜面的东西做为被记录物体；4）物体的几何像可根据需要选取不同的放大率； 5）选取合适的分束镜分束比，以及合适的扩束镜倍数，以获得合适的

49、光强比： 物参光强比通常取1：2到1：10之间，以获得较高的衍射效率；二、记录透射像面全息图1、将银盐干板安装在干板架上，感光胶面应背向物光方向，干板在干板架上被夹持应稳固不摇晃；2、每次曝光前须静台两分钟，曝光过程中应保证全息防震台稳定，室内空气平稳，无大的气流运动；5、银盐干板应严格避光操作，待定影结束后才可见白光。三、银盐干板的后处理对曝光后的干板进行化学处理，应严格按常规的暗室操作规则进行，具体处理步骤如下：1、在D-19 显影液中显影，温度200C，时间1分钟左右；2、清水中轻涮一遍；3、用 F-5 定影液定影，时间5-10分钟；4、流水冲洗5分钟以上；5、自然晾干或吹干；6、为了提

50、高全息图的衍射效率，后处理过程可增加“漂白”过程，使全息图由振幅型转化为位相型，此过程可在4、5两步之间进行。实验室提供的漂白液为铁氰化钾溶液。四、像面全息的白光再现及实验结果分析1、用白光按设计的原参考光方向照射全息图，观察再现像，记录所观察到的结果；2、对再现效果进行分析。【注意事项】1选取合适的记录介质，本实验使用天津型银盐干板；2选取合适的曝光时间。【思考题】1为什么像面全息图可以用白光扩展光源重现？2物参夹角选取300- 450，主要出于哪几方面的考虑？据你所知，至少回答两条。实验七 一步彩虹全息【实验目的】1掌握制作一步彩虹全息图的原理和方法；2制作一张一步彩虹全息图，在白光下观察

51、其重现的准单色像。【实验仪器】He-Ne激光器，曝光定时器，反射镜（若干），分束镜，扩束镜（若干），透镜（若干），可调节狭缝，载物台，干板架，毛玻璃，全息干板。【实验原理】彩虹全息是像全息与狭缝技术相结合的产物，彩虹全息图也可用白光照明重现出物体的像，它又分为一步彩虹全息图与二步彩虹全息图，本实验研究一步彩虹全息图。 一步彩虹全息图与像全息图在记录时的主要差别在于：一步彩虹全息在记录光路中插入了一个狭缝，使物体和狭缝的像同时被记录于全息底片中，当重现物体的像时，狭缝的像也将被重现出来。根据狭缝放置的位置不同，一步彩虹全息图的记录光路有两种：一种是赝像记录光路，另一种是真像记录光路。 （1）真像

52、记录：其原理光路如图（1）所示。物体和狭缝均置于透镜焦点之外，它们都在透镜的另一侧成实像O'和S'，将全息干板H放在两个实像之间。对于干版而言，O'是实物，S'将成为虚物。经曝光、显影、定影、漂白处理后，用原参考光重现时，得到物的原始像是虚像，狭缝的像是实像。当用白光重现时，由于白光波长连续变化，每一波长都在不同的位置形成自己的重现像及狭缝像，从而会出现按彩虹颜色排列的狭缝实像。在这些狭缝像的位置上，人眼便可看到不同色彩的准单色像。当眼睛沿垂直于狭缝实像方向移动时，因人眼的瞳孔大小有限，在一个固定方向只能看到一个准单色的彩色像，因此随着眼睛的移动可依次看到像的颜

53、色的变化，犹如天空的彩虹。彩虹全息图由此得名。图（1）一步彩虹全息真像记录原理光路（2）赝像记录：其原理光路如图（2）所示。用会聚光作参考光，狭缝S置于透镜焦点以内，在透镜的同侧得到其放大的虚像S'；物体仍置于透镜焦点以外，则其像成于透镜另一侧。当用参考光的共轭光R*照明重现时，形成狭缝的实像和物体的虚像，眼睛位于狭缝实像处可以观察到重现的物体虚像O'，它是一个赝像（即重现像的凹凸与物体正好相反）。当用白光照明重现此全息图时，每一种波长的光都将形成一个狭缝实像和物体的虚像，它们的位置随波长而变化，最终形成彩虹全息图。图（2） 一步彩虹全息赝像记录原理光路一步彩虹全息的优点是制作

54、过程简单，噪声小；缺点是视场受透镜孔径限制较大，且由于物体经透镜成像时景深压缩，因此物像相对原物体而言景深较小。 【实验步骤】1.先按图（3）搭起像面全息光路。注意使物光和参考光尽量等光程。物光和参考光的平均夹角在30°60°之间。夹角过大过小均不利于记录和重现。 2. 在像面全息光路的基础上，再在图中加入一狭缝S，制作一步彩虹全息图。布置光路时，因保留物体的横向视差，需要狭缝竖直放置，故要将被拍摄物体水平卧放。观察重现像时，全息图片要在面内旋转90°角。如果拍摄时物体竖放而狭缝横放，则参考光必须从斜上方自上而下入射，光路布置不便。 3.用毛玻璃确定物体实像的位置，调整物距以获得适当的物像大小，并调整物的方向，获得良好的物像。在像后约1cm处放置干板架。再在干板架后面用毛玻璃找狭缝的像，调整狭缝，使狭缝的像到干板架的距离约2530cm，然后通过狭缝的像观察物体的像是否完整。若物的像左右不全，可以加大狭缝宽度，但不要超过1cm。若物的像仍不全，则只有更换小一点的物体（或更换成像透镜，或改变物距和像距，或者改变狭缝的位置）。4.调节分束镜，使参考光与物光的强度之比在干板平面处约为3:1；注意参考光相对物像的入射方向，最好从底部向顶部，因为在用共轭光观察时（赝像记录方式），人们习惯于灯光从顶部向下方照明，否则最终观察到的物像是倒放的。