光学滤波与体全息光存储实验报告

1、光学滤波与体全息光存储实验报告一、 实验目的1. 学习掌握光学信息处理的基本原理和实验技巧；2. 了解体全息存储的基本原理和方法；3. 理解光折变晶体体全息存储过程中动态光栅建立的过程；4. 了解体全息存储光学系统中各光学器件的作用，掌握邻面入射（即90°入射）傅里叶变换谱面全息记录及再现光路系统的搭建和调试；5. 掌握体光栅角度选择性的测量方法及角度复用存储实验系统，体会体全息存储的优势和实现大容量存储的途径。二、 实验原理1. 阿贝成像与空间滤波根据阿贝成像理论，如图1所示，相干成像过程分两步完成，物体通过透镜后形成一系列衍射斑，即物体的空间频谱图样，各衍射斑作为新的次波源发出球

2、面波，在像面上互相叠加，形成物体的像。通过改变谱面上的信息，可以使像产生所希望的变换。4f系统（如图2）是最典型的空间滤波及光信息处理系统，实验中通过在谱面位置放置不同的遮光屏可实现空间滤波以及相应的信息处理。图1 阿贝成像原理傅里叶变换光学图像处理频谱滤波物平面焦平面像平面L1L2ffff图2 4f系统结构在光学信息处理系统中，空间滤波器是位于空间频率平面上的一种吸收膜片，它可以减弱或去掉某些空间频率成份，改变输入信息的空间频谱，从而实现对输入信息的某种变换，得到我们所希望的改变了的像函数。这种对图像作处理的方法称之为空间滤波。空间滤波器的透过率函数一般是复函数 H(,)=A(,)exp j

3、(,) 根据透过率函数的性质，空间滤波器可以分为以下几种： 1、 二元振幅滤波器这种滤波器的复振幅透过率是0或1。由二元振幅滤波器所作用的区间又可以细分为：1) 低通滤波器，它只允许位于频谱面中心及其附近的低通分量通过，去掉频谱面上离光轴较远的高频成份从而滤掉高频噪音，由于仅保留了离轴较近的低频成份，因而图像细结构消失；2) 高通滤波器，它阻挡低频分量而允许高频成份通过，可以实现图像的衬度反转或边缘增强，所以图像轮廓明显。若把高通滤波器的挡光屏变小，仅滤去零频成份，则可除去图像中的背景，提高图像质量； 3) 带通滤波器，它只允许特定空间的频谱通过，可以去除随机噪声；4) 方向滤波器，它仅通过（

4、或阻挡）特定方向上的频谱分量，可以突出某些方向特征。2、 振幅滤波器 这种滤波器仅改变各频谱成份的相对振幅分布，而不改变其相位分布，通常是使感光片上的透过率变化正比于函数A(,)，从而使光场的振幅得到改变。为了作到这一点，必须按一定的函数分布来控制底片的曝光量分布。3、 相位滤波器它只改变空间频谱的相位，不改变它的振幅分布。由于不衰减入射光的能量，具有很高的光学效率。这种滤波器通常用真空镀膜的方法得到，但由于工艺方法的限制，要得到复杂的相位变化是很困难的。4、 复数滤波器这种滤波器对各种频率成份的振幅和相位都同时起调制作用，滤波函数是复函数。它的应用很广泛，但难于制造。1963年范德拉格特用全

5、息方法综合出复数空间滤波器，1965年罗曼和布劳恩用全息技术制作成复数滤波器，从而克服了制作空间滤波器的重大障碍。本实验中所用滤波器为第一种，即二元振幅型滤波器。2. 全息存储原理1、 体全息存储基本原理典型的邻面透射式全息存储构成原理如图3所示，待存储的数据（数字或模拟图像）经空间光调制器SLM（Spatial Light Modulator）上载到物光中，形成二维信息页，然后与参考光在记录介质中发生干涉，利用记录材料的光化学反应形成体全息光栅，完成信息的记录，如图3（a）所示；读出时使用与记录过程中相同的参考光照明全息图，可以再现存储的全息图，然后使用光信号探测器件如CCD（Charge

6、Coupled Device）读出图像并传送给计算机，如图3（b）所示。 图3 体全息存储的记录和读出原理图（a） 记录过程（b）读出过程2、 傅里叶（Fourier）变换谱面全息存储在众多全息记录方式中，为了实现均匀的物像信息再现，通常采用傅里叶变换谱面全息存储方式。Fourier变换谱面全息存储结构是一个典型的4-f系统，如图4所示，物体位于Fourier变换透镜前焦面，在后焦面记录全息图。再现时探测器放置于逆Fourier变换透镜的后焦面，再现像与物图像的比例取决于两个透镜的焦距。图4 傅里叶变换谱面全息记录结构三、 实验仪器1. MGL100mw，532nm绿激光器2. 2套：显微物镜

7、针孔小孔光阑准直透镜3. 2个：Fourier透镜(焦距范围为150mm200mm,)4. 物1：空间光调制器(1024x768)PC电脑5. 物2：鉴别率板一块6. 物3：透明胶片，棋盘格图样7. 探测器：CCD探测器(800x600)PC电脑8. 记录材料：铌酸锂（LiNbO3）晶体9. 偏振片2个10. 532nm波长半波片2个11. 衰减器两片12. 连续衰减器1个13. 光阑若干个14. 滤波器：光阑、狭缝、透明胶片、大头针、黑纸等15. 反射镜3个16. 升降台、旋转台、档板、黑白屏若干17. 532nm偏振分光棱镜1（PBS）1块激光器激光器电源物镜2针孔准直镜2PBS物镜1准直

8、镜1电脑1电脑2晶体CCDIFTFTSLMf1f1f2f2反射镜1反射镜2121/2波片（） 衰减器 1/2波片四、 实验方案图5 实验系统图实验系统置于光学平台上，原理示意图如图6所示。光源为MGL-型全固态激光器，波长532nm，输出功率200mW。激光器发出的光束由衰减器衰减后，通过一块1/2波片，再经偏振分光棱镜（PBS）分为两路线偏振光：反射光束1（参考光束，偏振方向垂直于光学平台）经反射镜1反射偏转90°，经物镜1和准直镜1组成的望远系统扩束后，由反射镜2反射再偏转90°，射向记录晶体（掺铁铌酸锂（LiNbO3）晶体）。透射光束2（物信号光，偏振方向平行于光学平

9、台）经过物镜2和准直镜2组成的望远系统扩束，其中在物镜2的焦点处安装一个直径10m的针孔滤波器，以消除衍射带来的光场强度不均匀。扩束后的准直光，经过光轴与实验平台呈45°角的1/2波片后，其偏振方向偏转90°，由平行于光学平台改为垂直，从而与参考光束一致，以满足干涉条件。此光束照射空间光调制器（SLM），SLM是一个1024×768象素的透射型小液晶显示屏，可实时显示电脑1传来的屏幕图像。SLM与傅立叶变换透镜FT、记录晶体、逆傅立叶变换物镜IFT、CCD摄像头共同组成一个4f系统，彼此间距分别为FT的焦距f1和IFT的焦距f2。经空间光调制器调制后的物信号光束2

10、与参考光束1在铌酸锂晶体中交汇，形成干涉条纹，干涉条纹就记录于晶体中。掺铁铌酸锂（LiNbO3:Fe）光折变晶体作为全息干涉条纹的记录材料，使用时要求晶体C轴方向与两相干光束成45°角，以获得最佳记录效果。五、 实验内容及条件步骤1. 实验内容1、 光学信息处理实验：1） 完成实验系统的搭建，经教师检查无误后，将三种成像物体1）鉴别率板、2）透明胶片、3）空间光调制器分别置于Fourier透镜的前焦面，用白屏接收，在物光4f光路完成3种物图像的频谱和再现，记录并比较各种频谱的特征。2） 通过电脑向空间光调制器输入各种图形，观察其菲涅耳与夫琅和费衍射图样的特征，了解衍射频谱分布与成像图

11、形之间的联系。3） 采用滤波器，对频谱进行各种滤波，分析记录滤波后的再现图像特征，可以用白屏、CCD或远场墙面。4） 用CCD分别采集三种物体1）鉴别率板、2）透明胶片、3）空间光调制器的像、谱及滤波后的图（并注明用的什么滤波器），存为图像文件。2、 体全息图像存储及复用实验：1） 体全息图像存储实验：调整好CCD接收光路，加入参考光，将晶体放置到干涉光路中，将鉴别率板图像记录到晶体中。静置一段时间后，用黑屏遮挡参考光束，通过CCD观察晶体中是否记录了图像。如果记录了一幅图像，然后进行角度复用实验：在同一位置旋转晶体至衍射的记录图像消失，再记录第二幅图像。记录角度复用的间隔。2） 将原物的像和

12、存储后再现的像用CCD采集，存储为图像文件。3） 参与实验的同学绘出实验光路简图和尺寸，各种透镜、物和晶体的参数，并将所采集的图像文件拷贝，或网络传输。以备课后完成实验报告用。4） 讨论：如何改进该实验系统？该实验系统可以应用于什么地方？请在实验报告中提出你的初步方案。5） 自行设计和选做其他实验。例如采用空间光调制器生成不同物图像，然后进行滤波。2. 实验系统调节与实验步骤1） 放置光学元件：按照图5放置各光学元器件，调节其高度，使所有的光学器件大致等高共轴（先不放置晶体）。2） 激光器调节：打开激光器，在远处和近处分别放一孔径光阑，按照方法“行程近点调节位置，行程远点调节角度”，而且调节角

13、度可以使激光光点的位置移动到目标位置的另一侧（可以是对称点，也可以不是），可以加快调节速度（如图6所示，这样调节，最终光线与导轨夹角是收敛的，即光线收敛于理想的虚线位置，且比始终对准的调节方式收敛得快）。激光器位置 靶位置1 靶位置2 图6 激光水平快速调节方法示意图3） 针孔调节：先将针孔取下，调节整个显微物镜高度和孔径位置，使得激光通过物镜中心，在后面能看到刺眼亮斑，且光线水平。放入针孔（本实验使用的针孔为25m针孔），一边缩小物镜与小孔的距离，一边调节小孔位置，使得后面呈现明亮的衍射光斑，且光斑位置在激光器同一高度，直至后面只剩下主极大衍射光斑（圆形均匀亮斑）。4） 透镜及其他元件调节：

14、依次调节光学元器件，使从PBS出射的两束光偏振态为垂直偏振（S光），调节物镜1，准直镜1及物镜2，准直镜2，使准直镜后的光束均匀且光斑大小不变，调节载物台位置，使其中心点处于傅里叶变换透镜的后焦点与逆变换透镜的前焦点交汇处，调节反射镜使物光与参考光交汇在载物台中心。每一个元件调节步骤：光斑处于透镜或反射镜中心处，反射光能原路返回，以此保证激光垂直透过光学表面。5） 调偏振和功率比：偏振光通过光学元件后偏振态会发生改变，为了使物光和参考光偏振方向一致，需要利用检偏器来检验入射到晶体表面的参考光主偏振方向，在将检偏器放在物光后面，在前面加入半波片，调节偏振方向与参考光一致。最后，调节激光器出光口后

15、的半波片，使参考光、物光光功率大致相等。6） 用挡光片遮住参考光，完成滤波实验，并记录光谱和图像。7） 加入晶体，使两束光相交在晶体中适当位置。注意：晶体在记录光栅前不能被强光曝光，否则会影响后面记录光栅的质量，所以调光路的时候要将晶体取下或是在激光器出口处加衰减器，并总是要挡掉物、参其中的一束光。实验过程中应注意保护晶体（防划伤碎裂），用正确的方法拿取晶体（取拿晶体的时候要戴软质材料制作的手套，严禁用手直接接触晶体的四个抛光表面，否则会留下指纹，影响成像质量）。晶体上若有灰尘或其他的脏物可用丙酮擦洗。晶体光轴方向为沿45°指向倒角棱。正确摆放晶体位置，使形成的干涉条纹面方向和晶轴方

16、向垂直。8） 完成体全息存储图像，并记录图像。六、 实验结果与分析1. 空间滤波实验1） 鉴别率板图7为鉴别率板滤波结果，可以看到带通滤波保留相应空间频率的信息，而低通滤波只保留了大轮廓的信息，而细节则丢失，表现为细节不可见。图8为频谱面上的频谱图。图7 鉴别率板滤波结果（左上：原图；右上：竖直通过；左下：右斜45°通过；右下：小孔低通滤波）图8 鉴别率板频谱图2） 幻灯片图9为幻灯片的频谱，解调后的图像见第二部分内容。图9 幻灯片频谱图3） SLM图10为SLM的频谱图，内容为4个字“清华大学”，图像见第二部分。图10 SLM 频谱图2. 体全息存储实验1) 鉴别率板图11 鉴别率

17、板全息存储结果（左边为原图，右边为存储结果，下同）从图11中会发现水平方向频谱信息较多，表现为数值的条纹较清楚。后面实验中，我们将晶体转一个角度则发现同样的结果。另外一组同学的结果则没有这种情况，不同的是，他们的晶体较长。这里猜测是参考光与物光交叠的空间的有限大小本身对光谱进行了空间滤波导致。图12是将晶体旋转一个小角度，同时将物旋转一个角度，得到的另一幅图，验证了角度复用。图12 鉴别率板全息存储结果（左边为原图，右边为存储结果，下同）2) 幻灯片图13 幻灯片全息存储结果3) SLM图14 SLM全息存储结果七、 改进设想及实验体会实验中，实验装置的条件占主要工作，尤其是器件位置和高度的调

18、节，如果能将整个光路置于带标尺的一维移动台上，则整个系统精度和条件效率都将提高不少。晶体不仅可以实现角度复用，也可以实现位置多用，毕竟参考光和物光的交叠大小较整个晶体而言是有限的，实验中没有去验证不同空间位置的存储。光学系统的调节是及其复杂困难的，往往一个器件的失误就要推到重来，所以高效完成整个调节过程的要义就是“有备无患”，提前摸清整个调节流程和调节方法，就像前面步骤中所述。另外，在实验过程中，要注意不能随便改变某一个元件的位置，否则会对整个系统产生影响，造成实验结果的不理想。最后，小组两个人或三个人的配合也是很重要的，对条件过程和方法要保持一致的意见，否则各自为营只能导致调节的失败。八、

19、思考题1）如何将点光源变为平行光？将点光源置于一个准直透镜的物方焦点处即可在透镜后获得平行光，若要获得较均匀的光斑，可再加入一个带针孔的倒置开普勒望远镜扩束器。把准直镜放到一定位置使扩束镜处于准直镜的前焦面上，然后在准直镜后放一挡板，不断前后纵向移动挡板，观察挡板上圆形光斑的到大小是不是发生变化，如果发生变化，就再前后移动准直镜的位置，再前后移动挡板，观察圆形光斑的大小，如果变化，重复以上工作，直到光斑大小不发生变化位置。（2）如何在光路中加入透镜？在合适的位置加入透镜并用眼睛观察，调节其位置，使透镜与其他光学元件的中心大致在一条直线上，再用挡板观察并比较离开透镜不同距离处的光斑大小，微调透镜

20、的俯仰、高度、左右位置等，使得各个位置光斑的中心和加入透镜前的位置相同，即透镜与前面已加入的光学元件共轴。（3）全息记录存储对光学偏振有什么要求？如何通过光学元器件控制光的偏振态？全息记录存储要求使用两路偏振方向相同的线偏振光进行干涉。半波片可以改变线偏振光的偏振方向，偏振分束器可以将一个方向的线偏振光分解为两个相互垂直方向的偏振光。（4）要实现高质量的图像存储，体全息光存储实验系统对参考光束和记录光束的光强有何要求？如何调整两路光强的比例？高质量的图像存储要求干涉条纹的对比度较高，即要求参考光束和记录光束的光强接近，通过调节激光器后的半波片来改变入射到PBS上的线偏振光的偏振方向，从而改变参考光束和记录光束的光强比例。（5）记录傅里叶变换全息图时为什么要有一定的离焦量？参考光光强为什么要比物光光强强？由于位于透镜后焦面上的光强过于集中，物光波的高频部分和低频部分的强度与参考光强度之比不一样，使再现像的质量下降。因此，为提高再现像的质量，在实际的存储中，多采用离焦法。由于物光经过的光学元件比参考光多，而且经过傅里叶变换透镜后，物光的低频保留，高频损失较多，因而参考光光强比物光光强强。（6）两块Fourier成像物镜在实验系统中的作用是什么？傅里叶变换透镜用于将物光转换为其频谱，在透镜的后焦面上与参考光干涉并记录在