数字全息术综述..docVIP

数字全息术综述 zzj 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