数字全息术综述

数字全息术综述

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摘要本文对数字全息进行较为全面的叙述，谈及数字全息的发展历史与其应用。传统的全息技术是利用高分辨率记录介质，如银盐全息干板、光刻胶等记录介质来记录全息图，难以实现实时、快速及数字化处理。近年来，随着计算机技术特别是高分辨率CCD电荷耦合器件的发展，全息技术的一个重要发展趋势是利用CCD记录全息图并直接输入计算机进行数字处理与再现，即所谓的数字全息术。数字全息最早由顾德门在1967年提出，它是一种光电混合系统，其记录光路和普通光学全自、基本相同，所不同的是它的记录介质和再现方式。数字全息术可方便的用来进行多种测量，具有较广泛的应用前景。

关键字数字全息发展历史应用

1.1数字全息的发展

图1 传统光学全息术流程图

图2 数字全息术流程图

全息术是英国科学家丹尼斯·加伯(Dennis Gabor)在1947年为提高电子显微镜的分辨率，在布喇格(Bragg)和泽尼克(Zernike)工作的基础上提出的。由于需要高度相干性和大强度的光源，直到1960年激光器出现，以及1962年利思（Leith）—乌帕特尼克斯(Upatnieks)提出离轴全息图以后，全息术的研究才进入了一个新阶段。全息术的出现是光学学科中一个划时代的进展，全息图再现物体三维像的能力是其它技术所无法比拟的。但是，全息图的记录通常涉及曝光，显影、定影等一系列比较繁琐的处理过程，难于做到实时记录和再现。1967年，顾德门最先提出数字全息【1】，它是一种光电混合系统，其记录光路和普通全息基本相同，不同的是用CCD摄像机等光敏电子元件代替普通照相干版来拍摄全息图，并将所记录的数字全息图存入计算机，然后用数字计算的方法对此全息图进行数字再现。同传统全息相比，数字全息有它突出的优点：首先它采用光敏电子元件作记录介质，大大缩短了曝光时间，没有了繁琐的湿处理过程，很适合记录运动物体的各个瞬时状态；其次它采用数字再现，不需要光学元件聚焦，方便、灵活，并且对于记录过程中引入的各种诸如像差、噪声等不利因素可以通过编程来消除其影响，使得再现像的质量大大提高。而且更为重要的是数字全息可定量地得到被记录物体再现像的振幅和位相信息，而不只是光强信息，这也是它较普通全息最为优越的一点，由此可得到被记录物体的表面亮度和形貌分布等信息，因此可方便的用来进行多种测量，具有较广泛的应用前景【2~5】。

由于数字全息对记录设备的精度和计算机的性能要求较高，所以此方法在提出后很长一

段时间里一直没有什么进展。近几年来，随着光电记录材料如CCD(电荷藕合器件)、CID(电荷注入器件)的性能和分辨率的不断提高(目前，见报道的CCD的分辨率可达到4096 X 4096，其成像质量基本可和感光胶片的成像质量一致)，以及快速、大容量PC机的飞速发展，数字全息又引起了人们强烈的兴趣。

数字全自、的记录光路与普通光学全息的记录光路基本相同，根据物光波平均方向与参考光波方向是否同轴，有同轴和离轴两种数字全息。在传统的光学全息中，由于孪生像的问题，同轴全息的应用受到了极大的限制。因此，光学全息主要采用离轴记录，以此来消除共轭像和零级像对原始像的影响。也正因为如此，数字全息最早也是采用离轴装置来记录全息图。然而，目前，数字全息最大的缺陷就是它的记录介质空间分辨率问题。数字全息采用电子器件CCD作为记录介质，CCD靶面的像素密度和传统银盐干板相比要低得多，因此限制了参考光波与物光波的干涉夹角，这样便会导致离轴全息中原始像、共轭像及零级像不能完全分离，因此所再现像的像质差，像的分辨率低。并且，由于离轴全息再现像中同时存在三个不同方向的衍射波，而且再现像总的抽样点数等于CCD点阵的抽样个数，所以它不能有效利用CCD的有限像元个数。而同轴全息中物光波与参考波间的干涉角很小，降低了所拍全息图的空间频率，从而可以有效利用CCD的像元个数，扩大再现像的视场。

与光学同轴全息一样，对于同轴数字全息，孪生像自然也是它最为棘手的一个问题。根据文献【6】，数字全息测量的横向分辨率小于1um，纵向分辨率为1nm,非常适合于微观测量领域【7】。但实际的分辨率要远远低于理论值。出现这种情况的一个直接原因是，数字全息图再现时，除所需要的原始像外，直透光和共轭像也同时在屏幕上以杂乱的散射光形式出现，且扩展范围很宽，二者的存在对再现像的分辨率造成很大的影响，特别是直透光，由于占据了大部分能量而在屏幕的当中形成一个又大又亮的光斑，致使原始像由于亮度相对较低，在屏幕上显示时因为太暗淡而致使细节难以显示出来。如果能将直透光和共轭像去除，数字全息的分辨率将会有大幅度的提高，应用范围也会相应扩大。为了达到消除直透光和共扼像的目的，目前主要有以下几种方法可供选择。一种方法是傅里叶变换法【8】，它也是较为常用一种消除方法。根据离轴全息中再现像的分离条件，对数字全息图进行傅里叶变换和频谱滤波，将其中的零级谱和共轭像的谱去掉而只剩下原始像，这样处理是比较简单且适用性强，但由于需要多次采用傅里叶变换和频谱滤波，计算量大，再现速度慢，而且更重要的是由于采用正反两次快速傅里叶变换和滤波处理，很容易造成部分有用信息的丢失，最终引起再现像的扭曲变形，这在对物体进行形貌测量时非常明显，并且，当零级谱和再现像的频谱重叠时，该方法也是不适用的。第二种方法是用图像处理手段直接对CCD所拍摄的全息图进行预处理【9,10】，如利用拉普拉斯算符提取图像的边界，去除图像中的低频成分，进而也就可以消除再现像中得直透光，还可利用傅里叶光学原理，通过选择一个合适的函数，对图像作卷积运算从而对图像的频谱起到限制和选择作用。这些处理完全在空域下进行，而不需要进行多次的变换和滤波，计算量相对比较小，而且不会造成信息丢失，再现准确性要比傅里叶变换法好。但以上两种方法仅适用于对离轴记录的数字全J息、图所产生的共扼像及零级像进行消除。另一种方法是采用数字滤波技术【11】，它是1987年由L.Onural等提出的消除同轴全息中的共轭像的一种方法，但它仅仅能够处理透过率函数为实数的物体。近年来，两位日本人、Yamaguchi和Zhang提出了一种新的消除零级像、共轭像的数字全息方法——相移数字全法【12,13】，即在数字全息记录过程中加入相移技术，记录多幅全息图，利用不同的相移算法，对所拍的多幅全自图进行处理，消除共扼像，零级像以及自相关像，从而再现出原始像，这种方法去除零级像和共轭像的效果特别好。它既可用于离轴数字全息中，也可用于同轴数字全息中。因此，同轴数字全息中本身的孪生像的问题采用相移方法可以得到很好的解决。

1. 2数字全息的应用

由于数字全息采用CCD电子方法记录，计算机数字重现。因此，物体三维信息的所有数据都被直接读入计算机，包括其形状、位置和方向的全部信息。利用这些数据可以定量分析三维物体的形状及其表面变形，为干涉计量学提供了一种新的方法。数字全息干涉计量同普通的全息干涉计量相比较还有以下的优点：（1）有很高的测量精度（可达到）。传统的光学形貌中一般都采用成像干涉的方法，即先对被测量物体成像，然后采用干涉的方法测量像的位相，并以此来确定物体的形貌。此类方法的测量精度在很大程度上依赖于成像镜头的质量，在一般情况下，不需要注意成像过程中的像差，但随着对测量精度的要求的提高，当在微电子、光纤技术等领域需要进行纳米或深亚微米测量时，镜头质量对测量精度的影响就变得甚为严重。而采用数字全自、方法，可以实现无透镜成像，使得测量精度大为提高。（2）处理速度快，数字全息采用高速计算机配合计算机图像处理系统可进行快速数据处理，几乎可以做到实时再现。（3）在条纹对比度很低的情况下仍能得到良好的结果。（4）相位测量不受背景光强起伏的影响。（5）可同时获得全场各点的相位值。综合测量系统的实用化、自动化、速度、精度及设备的要求，数字全息干涉计量有很突出的优越性。尤其是对于一些不能直接测量的易破损的工程元件或微小的物体，采用普遍的全息术越来越困难，而数字全息利用高分辨率的CCD摄像机，可以实现结构复杂的微小物体测量，即无损测量【14,15】，该方法除具有一般光测量技术的各种优点外，其突出之处就是高分辨率和高灵敏度，能同时获得物体的表面亮度分布和三维形貌分布，它有大的测量深度和高的横向分辨率【16】。由此，它也可用于工业生产中的构件缺陷检测【17】，由于数字全息测试具有很高的灵敏度，利用构件在承载或应力下表面的微量变形的信息，就可判定某些参量，发现缺陷部位，为控制应变，保证产品质量，特别是使用中的安全提供了有效手段。它还可用于振动的测量与分析【18】、粒子与流场分布测定【19】。

数字全息除了测量方面的

应用外，也可用于防伪技术

【20】，利用计算机实现数字

化，能够实现图像加密，增强

全息图的防伪性能。一般全息

图都是高技术产品，原本就具

有防伪性能，实现数字化以后，

又能对全息图的颜色和图像的

点型加密，使全息图的防伪性

能大大提高，为证件、商标的

防伪提供了有利的武器。数字

全息还可用于显微术【21,22】，数字全息显微术的优点是可以获得比普通显微更大的视场、焦深和优良的像质，利用数字再现，可以较为快速地获得被观察物体的任意截面的放大像，而且还可获得其定量的振幅与相位信息。并且也不像普通扫描显微镜那样需要对物体进行机械或电子扫描，几乎可以做到实时观测。当然，它也能对微小物进行三维图像识别【23】，并且灵敏度很高，以及它也可用在医学上，如内窥镜【24】，光学相干层析成像技术等一系列领域。

参考文献

图 3 数字全息干涉测量光路