光学全息的数字实现
数字全息原理
明来实现的， 这种全息过程就是传统的光学全息； 二、计算全息，如图 1（b）：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（CHG），或利用液晶光阀（LCD）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；三、数字全息，如图 1（c）：它是由顾德门在 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
参物光叠加后的全息图光强分布为
I H x, y O R R O R*O O* R
2 2 2
假设全息图经数字化后离散为 N x N y 个点，记录全息图的CCD光敏面尺寸为，空间采 样后记录的数字全息图可表示为
I H k ,l I H x, y rect (
其中 m 和 n 是整数， N x / 2 k N x / 2, N y / 2 l N y / 2 ，
2 d r A= exp i
/ i d r ， 和 是观察平面的采样间隔，它们被定义为再现像
的横向分辨率，其中 drr / Lx , drr / Ly 。
d r3
2 2 2 x y 4
时，其再现的波前可以利用离散的菲涅耳积分求出：
m , n Aexp[
i i 2 2 2 2 m , n ] FFT RD k,l IH k,l exp k 2x2 , l 2y2 dr dr m,n
现代光学第4章 光学全息 数字全息的原理及激光散斑 共192页
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第4章 光学全息、数字全息的原理及激光散斑
图4.2-1中，记录物体为一透明图片，位于透镜的前焦 平面上； 参考点光源(针孔)与物共面，位置坐标为(-b，0)； 记录介质位于透镜的后焦面。用相干单色平面波垂直入射 照明物面时，透明图片后表面上的光波场复振幅分布 即为物光的复振幅，表示为 O(x0,y0)， 在记录平面即透 镜的后焦面上得到其傅里叶变换为
光强分布为
(4.1-3)
(4.1-4)
5
第4章 光学全息、数字全息的原理及激光散斑
在线性记录条件下，全息图的振幅透射系数为
(4.1-5) 再现时，设照明全息图的光波场在全息图上的复振幅 分布为
(4.1-6)
6
第4章 光学全息、数字全息的原理及激光散斑
则透过全息图光波的复振幅分布为
(4.1-7) 式中: 第一项是直射光； 第二项是原始像(含O)； 第三项 是共轭像(含O*)。 这就是全息照相的基本公式。应当指出， 一般情况参考光是平面波或球面波，可看成是点光源； 而 物体都有一定的大小，可看成点光源的线性组合，则
对于原始像,有
可见，原始像和物完全重合。
(4.1-18)
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第4章 光学全息、数字全息的原理及激光散斑
对于共轭像，有 (4.1-19)
14
第4章 光学全息、数字全息的原理及激光散斑
4.1.3 再现像的放大率 1. 横向放大率 当物光和参考光的夹角不大时，横向放大率定义为
(4.1-20)
应用式(4.1-17)，分别求关于xi和xO的一阶导数，得到横向 放大率的显式表达式为
(4.2-4)
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第4章 光学全息、数字全息的原理及激光散斑
全息算法的原理与应用
全息算法的原理与应用1. 引言全息算法是一种基于光学原理的图像处理算法，利用光的波动特性，实现对图像的全面捕捉和再现。
全息算法已广泛应用于三维成像、光学存储、光学实验等领域，具有非常重要的理论和应用价值。
2. 全息算法的原理全息算法的原理是基于光的干涉原理和衍射原理。
在全息图中，物体的信息被记录在光波的相位差中，通过对光波进行干涉和衍射，可以实现对物体信息的还原和再现。
2.1 干涉原理干涉是指两束或多束波相互作用时产生的波的干涉现象。
全息图中，通过将参考光和物体光进行相干叠加，可以记录下物体的相位信息。
当再次利用参考光照射全息图时，光波会与记录下的物体相位信息相干叠加，从而实现对物体信息的还原。
2.2 衍射原理衍射是指波通过障碍物或物体边缘时发生弯曲和扩张的现象。
在全息图中，通过对记录下的物体相位信息进行衍射计算，可以实现对物体信息的再现。
具体而言，光波通过全息图时会受到记录下的物体相位信息的影响，从而呈现出物体的三维形态和纹理。
3. 全息算法的应用全息算法在许多领域都有广泛的应用。
以下列举了几个典型的应用场景：3.1 三维成像全息算法可以实现对真实物体的三维成像。
通过记录物体的相位信息并进行还原，可以实现对物体在空间中的真实呈现。
这在医学影像学、工业检测等领域非常有用。
例如，在医学领域，全息算法可以用于对人体内部的器官进行非侵入式的三维成像，有助于诊断和手术规划。
3.2 光学存储全息算法也可以应用于光学存储领域。
通过将信息记录在全息图中，可以实现对大量数据的高密度存储。
与传统的磁盘和固态硬盘相比，光学存储具有更大的存储容量和更快的读写速度。
这在大数据时代具有重要的意义。
3.3 光学实验在光学实验中，全息算法也发挥着重要的作用。
通过制作全息实验装置，可以模拟实际光学现象，帮助学生更好地理解和掌握光学原理。
全息算法还可以实现对光波的波前调控，有助于光学器件的研发和优化。
4. 总结全息算法是一种基于光学原理的图像处理算法，利用光的干涉和衍射特性实现对物体信息的全面捕捉和再现。
全息技术的原理及应用
全息技术的原理及应用全息技术是一种用于记录和再现光场的技术，它是一种三维成像技术。
全息技术最早于1962年由著名物理学家丹尼尔·费涅尔（Daniel Gabor）提出。
全息技术的最大特点是可以将物体的三维信息完整地改写到一个二维的全息图中，全息图看似一张普通的照片，但是在光源的照射下，它能够重新创造出原来的物体，还原出物体的三维形态，同时还具有非常好的真实感和逼真感。
全息技术的原理全息技术的原理是利用激光将物体的光场记录在照相底片上，形成全息图。
全息图是一种保存了物体三维形态的光学记录，它包含了物体的干涉图案和透明度信息。
全息图利用干涉的性质，可以记录物体的相位信息和振幅信息，能够保存物体的全息图。
记录全息图时，需要将物体和照相底片分别置于两个平行的玻璃板之间。
激光在照射物体时，会将物体的光场反射到照相底片上，形成干涉图案。
底片上的干涉图案是物体光场的等相位面反映出来的图像，它是由物体表面反射的光和费涅尔透镜（一种具有聚焦作用的透镜）所形成的参考光共同构成的。
因为在干涉场中，光波的传播路径长度差非常小，在光波相遇处形成明暗条纹，这些条纹的位置和形状会因物体的形态而发生改变，形成的最终干涉图案记录下来就是全息图。
再现全息图时，需要用与记录时完全相同的激光照射全息图，通过透过全息图的物体表面反射出来的光和记录时的参考光发生干涉，使得原来的物体在远离全息图的位置上重现出来。
全息图的再现实现了物体三维成像，不仅形成物体的轮廓，而且根据物体的距离和形态变化能够变幻不一的视角，充分表现出物体的全貌和空间位置的正确性。
全息技术的应用全息技术的应用领域非常广泛，下面是其中一些主要应用：1. 眼科诊断：全息技术可以记录患者眼球的形态，进而帮助医生进行眼科疾病的诊断和治疗。
如果对眼血管进行全息摄影，医生可以查看容易被遮挡的病变区域。
2. 工业设计：全息技术可以记录产品的三维形态，帮助工业设计师进行产品的设计和开发。
光栅光学全息图像处理的数值模拟与实验研究
光栅光学全息图像处理的数值模拟与实验研究光栅光学是一种将光学和电子学相结合的技术，利用光的干涉现象将信息编码成光栅的形式，然后通过适当的光隔离和光探测手段恢复信息的过程。
其中，光栅是一种具有周期性结构的光学元件，可以把光分成若干平行的光束，并具有高光谱分辨率、高角度分辨率和高信噪比等优点，因此被广泛应用于光学成像、光学计量、光学存储等领域。
而全息图像处理是一种将三维物体信息编码成平面图像的技术，在光栅光学中经常被用来重建三维物体的形态和运动信息。
光栅光学全息图像处理主要有两种方式：傅里叶变换全息术和反射全息术。
前者根据傅里叶变换的性质，将物体的反射折射信息通过干涉条纹记录在全息平面上，然后通过傅里叶变换恢复出物体的信息；后者利用物体反射的光波阵列与参考光波阵列之间的干涉，通过光栅将干涉条纹的信息记录下来，然后通过光学重现技术恢复出物体信息。
然而，由于光栅光学全息图像处理过程中存在一系列的信号处理和光学重现环节，因此需要通过数值模拟和实验研究来深入理解其原理、优缺点及其在不同领域的应用。
下面分别从数值模拟和实验研究两个方面来探讨光栅光学全息图像处理的研究进展。
一、数值模拟研究1、计算机模拟计算机模拟是一种通过对光学系统的数学模型进行计算，从而得到光学系统的传播规律、成像特性等信息的方法。
在光栅光学全息图像处理中，计算机模拟主要是基于光传输理论、傅里叶光学理论和多层反射理论，通过光场传递函数（OTF）和光场重建算法来模拟全息图像的成像过程和图像质量。
例如，一些学者采用了快速傅里叶变换算法和逆变换算法，对模拟全息图像的图像质量进行了研究，得出了一些有价值的结论。
2、数值模拟软件随着计算机技术的发展，许多数值模拟软件被广泛应用于光学领域，其中包括光学系统仿真软件Zemax、光学全息图像处理软件Holofil、Matlab等。
这些软件能够模拟全息图像的光学传输过程、受噪声和失真影响下的图像质量、光栅的设计和参数优化等，为光栅光学全息图像处理的研究提供了强有力的数值分析工具。
物理光学中的全息技术
物理光学中的全息技术全息技术是一项基于物理光学的科技，在我们的日常生活和工业中都有着广泛的应用。
具体来说，全息技术可以利用激光等光源，将物体的全息图像记录在照相底片或数字储存介质中，再通过光束的干涉和衍射来实现全息图像的再现。
本文将探讨物理光学中的全息技术，包括全息图像的记录方式、全息图像的再现原理，以及全息技术的实际应用等方面内容。
一、全息图像的记录方式在全息技术中，全息图像的记录方式主要有两种：透射全息和反射全息。
透射全息是将光源穿过物体，经过透镜后照到记录介质上。
此时透镜会将光束分成两部分，一部分与物体直接相交，被称为物光；另一部分则被透镜折射，与物光相交形成干涉图案，被称为参考光。
参考光和物光交汇后形成全息图像，可以通过激光光源再现。
反射全息则是将光源照射到物体表面，经过反射后再经摄像头或记录介质记录下来。
反射全息通常需要一定的条件，如物体需要有较为光滑的表面。
二、全息图像的再现原理全息图像的再现原理是依靠物体的光的干涉和衍射。
再现全息图像需要使用与记录时相同的波长的激光光源，将相应角度的光束照射到记录介质上。
照射到介质上的光经过干涉和衍射后，可以再现出原来的物体形象。
在再现全息图像时，需要用到解全息图的技术。
解全息图一般有两种方法，一种是使用去模糊技术，即通过复原模糊的进程来还原形象的细节；另一种是使用全息光学重建技术，即通过衍射和干涉来达到图象的重建。
三、全息技术的实际应用全息技术可以用于军事、医疗、艺术等许多领域。
在军事领域，全息技术可以被用于制造易于观察的瞄准器和防伪码。
在医疗领域，全息技术可以被用于制作3D样品和人体模型，有助于疾病的诊断和治疗。
在艺术领域，全息技术可以被用于制作全息画，如灯光装置、雕塑或装饰等。
此外，全息技术也被用于开发新型光存储器，储存数据可以达到很高的容量。
总之，全息技术是一项让光线变得更加神奇的科技。
随着技术的不断发展，全息技术的应用领域也将进一步扩大，带来更多意想不到的应用及其潜力。
全息光学技术在光学成像中的应用研究
全息光学技术在光学成像中的应用研究随着科技的不断发展，现代人们的生活越来越依赖于光学成像技术。
在这一过程中，全息光学技术作为一种先进的光学成像技术，正在被广泛应用于各个领域。
本文将详细介绍全息光学技术的原理及其在光学成像中的应用研究。
一、全息光学技术的原理全息光学技术是一种利用光的波动性进行光学成像的技术。
它的主要原理是通过在介质中记录物体的全息图像，然后再利用光源对全息图像进行恢复，从而实现对物体的三维成像。
具体来说，全息光学技术的实现需要经历三个步骤：第一步，全息图像的记录。
这里涉及到一个名为干涉的物理现象。
当两束光线在空间中相遇时会发生干涉现象。
应用这一原理，我们可以让一束来自光源的参考光线和另一束来自物体的物光线在某个介质中相遇，从而形成一个三维的干涉图案。
这个干涉图案就是物体的全息图像。
在记录全息图像的时候，我们需要用到全息板这种介质。
第二步，全息图像的重建。
这里同样涉及到两束光线的干涉现象。
在全息图像记录完成后，如果我们想要看到物体的三维图像，就需要让一束光线通过全息板，从而恢复出干涉图案。
这时候我们需要使用一个名为参考光的光源。
这个光源会发出一束与全息图像记录时使用的参考光相同的光线。
当这个光线通过全息板时，它会与全息图像产生干涉现象，从而形成一个与物体真实的图像高度相似的三维投影图像。
第三步，三维成像效果的提高。
全息光学技术在三维成像方面具有较高的效果，但同时也有其局限性。
为了提高成像效果，我们需要特别关注全息图像的记录。
一种常用的增强全息图像质量的方法是使用数字全息技术，即用计算机处理全息图像，并且用数字技术对它进行重建。
二、全息光学技术在光学成像中的应用研究随着全息光学技术的完善，它在各个领域的应用也越来越广泛。
下面就来看一下它在光学成像中的应用研究情况。
1、医学成像现代医学成像技术在医学诊断和治疗中扮演着重要的角色。
在医学成像中，全息光学技术可以用于记录和重建人体部位的三维图像，从而更好地观察和分析病变症状。
全息数据处理技术
全息数据处理技术全息数据处理技术是近年来逐渐崭露头角的一种新兴技术。
它的原理是利用光学原理来获取和处理三维图像信息，有着极高的数据精度和稳定性，能够在医学、航天、测绘等众多领域发挥着重要的作用，成为目前科技领域的一项重要技术。
一、全息数据处理技术的原理全息数据处理技术的原理是，将三维物体所发出的光波反射、漫射、透射等情况记录下来，利用激光干涉原理把多路辐射波复合起来形成全息图形，从而实现三维图像的获取和处理。
其实现方法一般包括物体拍摄、全息图制作和全息图还原三个步骤。
在物体拍摄时，需要将物体放置在一定的环境和条件下，用激光束对物体进行照射，然后通过干涉的原理获取物体反射光的相位信息，得到物体的全息图形。
制作全息图时，需要将物体的全息图形记录在一张记录介质（如光敏材料）上，形成全息图。
最后在还原时，将记录介质曝光到一定的光源下，还原出原来物体的三维形状。
这样就完成了一张全息图的制作与还原。
二、全息数据处理技术的优势相对于传统的图像处理技术，全息数据处理技术具有着很多优势。
1.高精度。
全息图的制作是非常精密的过程，可以实现对物体三维信息的精确捕捉。
因此，全息技术可以用来制作高精度的三维模型，如制造逆向工程的复杂零件等。
2.高保真度。
全息技术可以捕捉物体的全息信息，包括物体反射、漫射、透射等所有信息，因此可以达到非常高的保真度。
3.高稳定性。
全息图形式是一种非常稳定的信息，不会随时间和环境的变化而失真。
因此，它可以用来制作长期保存的图像信息，如测绘、天文、地质等领域。
4.易于处理。
全息图形式与人眼视觉非常接近，因此非常容易被人类眼睛捕捉和理解。
此外，全息技术也可以用于数字化处理，可以快速地进行建模和计算机处理，为后续图像处理和数据分析提供更多可能。
三、全息数据处理技术的应用领域全息数据处理技术在众多领域都有着广泛的应用。
1.医学。
全息技术可以用来制作人体骨骼、皮肤等的三维模型，帮助医生进行手术设计和操作。
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图 1 菲涅耳衍射积分计算原理图 Fig . 1 Diag ram o f Fr esnel diff raction integ ral
利用计算机计算菲涅耳衍射积分 , 通常利用 离散 F resnel 变换来 计算衍 射光波 场复 振幅分 布:
Γ(m , n) =exp
- i π (m2 Δξ2 +n2 Δη2 ) λz
2 光学全息的数字模拟原理
2. 1 菲涅耳衍射的数字模拟
考虑光场 E(x0 , y0 )通过衍射屏 S0 后 , 在衍
射屏后 z 距离的菲涅耳衍射光场为 :
E(x
,
y) =e
xp (jkz iλz
)
E(x0 ,y 0 )exp
S0
jk (x - x0 )2 +(y - y 0 )2 2z
d x0 dy 0 =
ted by M AT LAB so ft w are based o n F resnel dif fraction integ ral and digit al reco nst ructions of digit al ho log ram s are accom plished by di scre te F resnel dif f ractio n i nt egral. T he digi tal ho log ram s are processed prope rly by digi tal im ag e pro cessi ng i n o rder to eliminate zero orde r and tw inning im ag es in reconst ruction , and bet te r reco nst ructio n im ag es digit al holo gram are obt ai ned. T he holog raphic t rans-
图 3 给出了物光波和参考光波取不同角度时 的原图 、菲涅耳全息图和再现图 。 模拟过程中原 图 、全息图和再现图大小均为 128 ×128 像素 。
若将全息的数字再现技术应用于计算全息图 的再现过程 , 则可用计算机完成全息图的记录 、再 现全过程 。要获得清晰再现像 , 数字再现像中零 级和孪生像必须消除 。这里介绍一种直接利用数 字图像处理的方法对所得计算全息图进行滤波处
N- 1 N- 1
∑ ∑t(k , l)exp
k =0 l =0
- i λπz (k2 Δx2 +l2 Δy2 )
exp
i 2π
k N - 1 ;n =0 , 1 , … , N - 1 . (3)
其中 t(k , l)为 N ×N 矩阵 , 用来描述全息图的振 幅分布 。 Δx , Δy 和 Δξ, Δη分别为全息图和再现
Digital implementation scheme of optical holograms
P AN Wu , T IAN Yi-li
(Insti tute of MOE MS , Chongqing Univ ersit y of Posts and T elecommuni cations , Chongqi ng 400065 , China)
1 引 言
自从 20 世纪 60 年代第一台激光器问世以 来 , 全息技术才获得空前的发展 。 随着计算机的
发展 , 将计算机技术应用到全息图的制作 , 从而诞 生了计算机制全息图(Com pute r-gene ra ted H olog ram , CG H)[ 1-2] 。 随着 CCD 成像技术的发展 , 利
, 则(1)式变为
E(x , y)=Pz(x , y) E(x0 , y0 )Pz (x 0 , y 0 )
S0
ex p
-
j2π
xx 0 +yy 0 λz
d x0 dy0 . (2)
菲涅耳衍射积分即可由 E(x 0 , y 0)Pz(x0 , y0 )
的傅里叶变换求出 , 其算法原理如图 1 所示[ 1] 。
涅耳衍射积分的复杂性 , 衍射屏及衍射图样取样
间隔的影响 , 使得模拟衍射结果与实际实验结果
有一定误差 。可采用数值计算与可视化编程方
法 , 利用快速汉克尔变化和圆对称将二维数值计
算问题化为一维数值计算问题[ 7] , 使计算机演示
的衍射图样既清晰又符合实际情况 。
增刊
潘 武 , 等 :光学全息的数字实现
本文以菲涅耳全息为例阐述光学全息的计算
机数字模拟原理 。菲涅耳全息图的特点是记录平 面位于物体衍射光场的菲涅耳衍射区 , 物光由物 体直接照到全息记录介质上 。 按照一般光学全息 的记录与再现研究方法 , 以菲涅耳衍射传播为工 具 , 直接完成某一物体的菲涅耳全息记录与再现 模拟 。在进行菲涅耳全息模拟时 , 选择 了以图 3 中所示的原图“光”为记录物体 , 假设物体发出的 物光波为平面光波 , 光波波长为 λ, 初始相位为 0 , 物体上某一点的振幅大小为该点所对应像素的像 素值 , 将此 光波衍 射传播 z 后到达 全息面 上得 O(x , y)。选择参考光波 R(x , y)与 y 方向有 θ偏 角 。 然后将 O(x , y )和 R(x , y )相加得干涉复振 幅分布 U(x , y), 对 U (x , y)取模平方得 I(x , y) 即为全息图上的数据 , 将其以图像形式显示出来 即为全息图 。
理 , 消除了零级像和孪生像 , 获得清晰的数字再现 像的方法[ 8] 。
全息图再现复振幅分布为 U =O*OR * +RR * R * +O* RR * +OR * R * , 式中第 1 项是物体的自相关像 , 第 2 项为直流分 量 , 第 1 、2 项生成零级衍射像 ;第 3 项是物体共 轭像 ;第 4 项是物体的原始像 。 全息图数字再现 前 , 利用数字图像处理方法对所得计算全息图进 行滤波 , 消除零级像和原始像 , 再现时可获得清晰 实像 。对计算全息图用拉普拉斯算符处理 , 可较 好去除图像中的低频成份 , 再现像中的零频成份 能够得到很好的消除 ;同时拉普拉斯滤波还提高 了图像的对比度 , 抑制了噪声的影响 。
c E(x0 , y0 )ex p
S0
x
2 0
+y 20
xx0 +yy 0
jk
-
2z
2z
d x0 dy0 .
(1)
其中 c 为与(x , y)有关的复常量 , 且
c =Pz(x , y)exp
jkz λz
=c′exp
jk 2z
(x2
+y
2)
.
若设 Pz (x , y)=exp
jk 2z
(x2
+y2 )
第 13 卷 增刊
2005 年 11 月
O
p t ics
光学 精密工程
and P recision Eng ineering
V ol. 13 Supp.
N ov. 2005
文章编号 1004-924X(2005)增-0015-06
光学全息的数字实现
Abstract :Digi tal m odeling o f o ptical ho log ram has been researched. T he reconst ructi on met ho ds of digit al holog ram are discussed. T he record and reconst ruction of F resnel ho log ram s have been simula-
潘 武 , 田贻丽
(重庆邮电学院 微光机电系统研究所 , 重庆 400065)
摘要 :研究光学全息的数字模拟 , 探讨数字全息的数字重构方 法 , 以 菲涅耳衍射 积分的实 现方法为 基础 , 采用 M A T L AB 软件实现菲涅耳全息图的数字记录和数字重构模拟 , 给出模拟结果 。 利 用离散菲 涅耳衍射积 分方法完 成数字 全息图 的 数字重构 。 利用数字图像处理方法对所得的数字全息图进行适当滤波处理 , 有利于消除零级像和孪生像 , 获得清晰的 数 字再现像 。 引入全息变换 , 根据全息图的不可撕毁性 , 研究了全息 变换在数字 图像压缩 中的应用 , 对给 定的二 值化图 像 实现压缩存储及解压缩处理 。 关 键 词 :数字全息 ;数字模拟 ;重构 ;图像压缩 中图分类号 :O 438. 1 文献标识码 :A
17
2. 2 光学全息的数字模拟 全息图记录了物光的全部信息(振幅信息和
相位 信息) 。 波 前 记 录 是物 波 波 前 与 参 考波 波 前 的干涉记录 , 它使振幅和相位调制的信息变换成 干涉图的强度调制 。全息图被再现时 , 又起着一 个衍射光屏的作用 。 光波通过这种衍射光屏而产 生的衍射效应 , 使全息图的强度调制信息还原为 波前的振幅和相位信息 , 再现了物光波前 。
f o rm atio n i s int roduced and applied in digit al image co mpression. T he co mpressing sto rage of binary i mages and it s decom pression are di scussed. Key words:dig ital ho log raphy ;digi tal m odeling ;reconstruction ;im age compressio n