数字全息术及其应用.ppt

1,数字全息术及其应用,2,目 录,一 全息技术概述及其原理 二 数字全息技术,3,第一部分 全息技术(Holography)概述及其原理,1.1 全息技术的起源 1.2 全息技术的原理 1.3 全息图的分类及特点 1.4 全息过程的相关理论 1.5 全息图的实际应用 1.6 全息技术的发展趋势,4,1.1 全息技术(holography)的起源,最初由英国科学家丹尼斯伽柏（Dennis Gabor）于1948年提出来。 目的：利用全息术提高电子显微镜的分辨率。 但全息照相理论创建之后经过了漫长的发展过程。主要原因之一：缺少适用的具有足够相干性和高度单色性的照明光源。 1960年，激光器的问世克服了这个障碍。且激光器的迅速实用化以及离轴全息照相术的发展，消除了在观察同轴全息图再现像时，因虚像和实像相互干扰而降低像质的影响，使拍摄反射物体的全息像成为可能，从而能实现对漫反射物体的全息干涉计量。,Dennis Gabor,5,1960年梅曼研制成功了红宝石激光器。 1961年贾范等制成了氦氖激光器，产生了一种全所未有的优质相干光源。 1962年美国科学家E.N.利思和J.乌帕特尼克斯用激光器对伽柏的技术做了划时代的改进，全息术的研究从此获得了突飞猛进的发展。 近40年来，全息技术的研究日趋广泛深入，开辟了全息应用的新领域，成为近代光学的一个重要分支。,6,1.2 全息技术的原理,第一步：利用干涉原理记录物体光波信息。 即拍摄过程：被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束；另一部分激光作为参考光束射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度。从而利用干涉条纹间的反差和间隔，将物体光波的全部信息记录下来。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后，便成为一张全息图或称全息照片。,最常用的作为全息记录感光材料的是由银乳胶涂敷的超微粒干板，即全息干板,7,2 全息技术的原理,8,1.2 全息技术的原理,第二步：利用衍射原理再现物体光波信息。 即成象过程：全息图犹如一个复杂的光栅，在相干激光照射下，一张线性记录的正弦型全息图的衍射光波一般可给出两个象，即原始象和共轭象。再现的图像立体感强，具有真实的视觉效应。 全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像。通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像，而且能互不干扰地分别显示出来。,9,2 全息技术的原理,10,11,1.3 全息图的分类及特点 1、按着制作方法 2、按着光路结构 3、按着再现方式 4、按着实际用途,光学记录全息图 计算机像素全息图,同轴全息图 离轴全息图,单色光全息图,复色 光全 息图,反射全息图 相面全息图 彩虹全息图 假彩色编码全息图 真彩色编码全息图 角度多路合成全息图 多通道全息图,普通：检测,存储等 特殊：加密，防伪等,12,1、图像是三维立体图。 2、得到的是彩色图片，永不变颜色。 3、记录数据量大：每一部分都能再现原物的整个图像。 4、一次拍摄，可以得到两个图像：原始像和共轭象。,1.4全息图的基本特点：,13,全息照相过程分记录、再现两步，它是以干涉、衍射等波动光学的规律为基础的。,普通照相过程是以几何光学的规律为基础的。,全息图所记录的是物体各点的全部光信息，包括振幅和相位。,普通照相底片记录的仅是物体各点的光强（或振幅）,全息照相过程中物体与底片之间是点面对应的关系，即每个物点所发射的光束直接落在记录介质，全息图整个平面上。反过来说中每一个局部都包含了物体各点的光信息。,普通照相过程中物像之间是点点对应的关系，即一个物点对应像平面中的一个像点。,14,全息图能完全再现原物的波前，因而能观察到一幅非常逼真的立体图像。,普通照相得到的只能是二维的平面图像。,全息照相是干涉,因此要求光源有很高的相干性。光源的相干长度越大、波前上相干区越大，就能越有效地实现全息照相。,普通照相只是像的强度记录，并不要求光源的相干性，用普通光源就可以了。,15,全息图片,16,参考光,物光,x0,x,y,z,y0,Hologram Plane,Object Plane,o,若用 和 分别表示全息图平面上的物光波和参考光波分布，则全息图强度表示为,2-1,全息过程的相关理论：,此过程为记录过程。其中第一、第二项为零级衍射项，第三项为原始像，第四像为共轭像。 采用如下形式的球面光波作为再现光波,可在ziz0处的像平面 上得到等大、对称分布的实原始像和实共轭像。再现光场的复振幅分布为,2-2,2-3,然而，由于再现参考光波与记录参考光波不同，式给出的物光场与真实的物光波前之间存在一个二次位相畸变因子。由全息理论，可以推得重建的实原始像的复振幅分布为,由式可以得到再现像的强度和位相分布如下：,2-4,2-5,2-6,在数字全息成像技术中，若采用反射光路，物体表面形貌数据分布与其位相分布之间有如下关系，即给出了数字全息形貌测量的原理。,2-7,20,1.5 全息图的实际应用：,1、全息图像显示： 照片；图片；邮票；书籍、杂志的封皮与插页等。 2、包装和防伪： 产品的包装、标牌和商标；饰品；广告；人民币；银行卡；居民身份证等。 3、全息计量技术 面内和离面位移测量；残余应力测量；振动模式测量；气流分布测量； 粒子大小和分布测量等。 4、全息元件：光栅； 透镜； 波带片等。 5、光学信息处理技术：图像识别； 图像的消模糊和边缘增强；图像的假彩色编码。,21,1.6 全息技术的发展方向：,1、全息元件： 一些特殊作用的全息元件研制等。 2、全息加密技术： 如何进一步提高全息图的技术含量。 3、全息计量技术：（非线性曝光；增加光程差） 如何进一步提高测量的精度 ；干涉条纹 的自动识别和判读的问题。 4、白光全息技术： 克服相干光的缺点（相干噪声大、能量损 失大 4%0）提高全息图质量。,22,1.7、全息技术的新方法： 随着计算机、光机电一体化等技术的发展，又产生了新的全息技术。 （1）计算全息术(CGH- Computer Generated Holography):光学全息技术中引入计算机技术，利用计算机的数值计算来模拟物波模型函数和光学干涉函数. （2）数字全息技术(DH-Digital Holography),23,第二部分 数字全息术（DH-Digital Holography）,2.1 数字全息技术的原理、优点 2.2 数字全息技术的研究现状 2.3 数字全息技术的应用,24,1 数字全息技术的原理,数字全息技术是光学与光电技术、数字计算机技术的结合，用CCD/CMOS记录全息图，并通过计算机数值模拟光学衍射过程再现物光波前，可实时再现逼真的三维物体。,数字全息技术实现了全息图的记录、存储、传输和再现的完全数字化，可通过网络实时传输和异地显示，而且可以方便消除像差、噪声等影响。,在生物医学成像、工业无损检测等方面具有广泛的应用前景。,25,(a) Conventional optical holography,object beam,Beam splitter,Laser,相位调整器,object beam,Beam splitter,CCD,Laser,Photographic plate,(b) Digital holography,reference beam,数字全息技术与传统光学全息技术的比较：,图像记录,26,(a) Conventional optical holography,Virtual image,Laser,(b) Numerical reconstruction with computer,光学全息底片,图像再现,27,数字全息术的优点,用光电图像传感器记录全息图，灵敏度高，响应速度快，因此能够记录运动物体的各个瞬时状态，且对稳定性的要求大大降低，扩展了全息术的应用范围。 省去了繁琐的化学湿处理过程，所记录的数据直接由数据采集卡经A/D转换和量化后送到计算机进行处理，提高了效率，可用于需要实时处理的场合; 可以直接得到记录物体再现像的复振幅分布，物体的表面亮度和轮廓分布都可通过复振幅得到，因而可方便地用于实现多种定量测量; 采用计算机数字再现，可方便地对所记录的数字全息图进行图像处理，减少或消除在全息图记录过程中的噪声等因素的影响。,28,2.2 数字全息技术的研究现状,数字全息技术的研究非常活跃,涉及的领域也非常广泛，涵盖了形貌测量，微电路检测，微小粒子检测，应力场检测，生物细胞观测变形和振动测量，显微成像，记录运动物体状态以及构件缺陷无损检测等领域。 数字全息检测的发展依然是方兴未艾，随着各方面研究的进展，数字全息检测也将得到更加广泛和深入的应用。,29,数字全息技术的可研究方向,提高再现像的像质的研究 1 基于数字图像处理技术： 频域滤波、拉普拉斯算子预处理、 全息图减平均值及数字相减等 应用研究 数字全息显微技术 生物医学成像技术 全息无损检测技术 三维细微检测技术,30,2.3 数字全息术的应用举例,卵巢癌细胞,1. 细胞成像,31,2.利用数字全息实现信息加密,32,3 轮胎全息无损检测：,采用全息干涉法，可检测出轮胎中常发生的剥落、断裂带、脱胶及间隙等缺陷。在两次曝光之间或者在采用实时干涉法观察时，稍稍改变轮胎压力就可以用全息干涉法对轮胎的内外表面进行检测。 办法是把轮胎放入真空室中，在两次曝光之间适当改变真空度，即可使整个轮胎形态发生轻微变形，并使渗入气体的脱胶部位凸起，这是检测轮胎质量的最令人满意的方法，也是全息无损检测最重要的一个应用事例。,33,3 轮胎全息无损检测：,图示，全部光路被布置在轮胎所圈的范围内，每拍摄一张二次曝光全息图只能检查一段轮胎的质量，因此在拍摄一