全息光学信息存储

1、光信息专业实验：谱线宽度测量实验中山大学光信息专业实验报告：全息图像存储实验人：何杰勇（11343022） 合作人：徐艺灵 组号B13 （2014年4月24日星期四）【实验目的】1. 了解全息照相的基本原理和基本规律。2. 了解傅立叶变换全息图的基本原理。3. 掌握全息图像的存储和提取信息的方法。【实验用具】He-Ne激光器、 4f系统、防震台、秒表、尺子、底片、毛玻璃屏D76显影剂、F5定影液、夹子、电吹风机、抹布【实验原理】激光全息存储技术是一种利用激光干涉原理将图文等信息记录在感光介质上的大容量信息存储技术。目前，这种信息存储技术是通过将缩微胶片上的影像转变为光信息，然后制出存储密度很大

2、的全息图。所谓全息照片就是一种记录被摄物体反射（或透射）光波中全部信息的先进照相技术。全息照片不用一般的照相机，而要用一台激光器。激光束用分光镜一分为二，其中一束照到被拍摄的景物上，称为物光束；另一束直接照到感光胶片即全息干板上，称为参考光束。当光束被物体反射后，其反射光束也照射在胶片上，就完成了全息照相的摄制过程。反射激光全息图像成像原理是将入射激光射到透明的全息乳胶介质上，一部分光作为参考光，另一部分透过介质照亮物体，再由物体散射回介质作为物光，物光和参考光相互干涉，在介质内部生成多层干涉条纹面，介质底片经处理后在介质内部生成多层半透明反射面(例如6微米厚的乳胶层里可以有20多个反射面)，

3、用白光点光源照射全息图，介质内部生成的多层半透明反射面将光反射回来，迎着反射光可以看到原物的虚像，因而称为反射激光全息图。全息照相主要分为两步，即全息记录和波前再现。1.全息记录如图1所示,将激光器输出的光束分为两束，一束投射到记录介质上，称为参考光束；另一束投射到物体上，经物体反射或透射后，产生物光束，也到达记录介质。两光束在记录介质上形成干涉条纹，把干涉条纹记录下来即得到全息图。干涉条纹的明暗对比程度反映了物体上各处发光的相对强度。因为射到底片上的参考光的强度是各处一样的，各处物光的强度不同，其分布由物体的发光决定，这样参考光和物光干涉时形成的干涉条纹在底片上各处的浓淡也不同。这浓淡就反映

4、了物体上各处发光的相对强度。干涉条纹的密度和方向反映了物体上各处发的光到达底片时的相位不同。设a，b为某相邻两条暗纹所在位置。要形成暗纹，在a，b两处的物光和参考光必须都反相。由于参考光在a，b两处是同相的，所以到达a，b两处的物光与参考光的光程差必须是。由图3几何关系可知 (1) 即 (2)这一公式说明，在底片上同一处，来自物体上不同发光点的光，由于它们的或r不同，与参考光形成的干涉条纹的间距就不同，因此底片上各处干涉条纹的间距，以及条纹的方向就反映了物光光波的相位的不同，这实际上反映了物体上各发光点的位置的不同。整个底片上形成的干涉条纹，实际上是物体上各发光点，发出的物光与参考光所形成的干

5、涉条纹的叠加。波前再现如图3所示,用一束同参考光束的波长和传播方向完全相同的光束照射全息图，则用眼睛可以观察到一幅逼真的原物图像。全息图上的任一点均记录了物光束的全部信息，所以用全息图的任一部分均可重现被照物体。波前再现的原理为：布满干涉条纹的全息图相当于一个光栅，照明光束经全息底片衍射后，产生衍射场，其中包含了原物的波前，人眼看到的是这个再现波前产生的虚像。本实验使用4f成像系统进行实验，实验系统分为两部分，一部分实现全息存储（图2），另一部分实现全息再现（图3）。底片处理分曝光、显影和定影三个过程。曝光：曝光就是使感光底片感光，感光底片的感光作用是由感光材料引起的。目前所用的感光材料主要是

6、卤化银。感光过程基本上是一种光化作用结果。在光照射下，卤化银中的银离子还原成银原子，然后聚积在受光点附近，形成一个银斑，这银斑常称为“潜影”。显影：把感光后的底片放到D76显影液里，靠近“潜影”的银离子继续还原，使银斑的密度加大，直到形成可以清楚辨认的黑斑。定影：用F5定影液把未分解的卤化银溶解掉。经过定影的底片已无感光物质，因此即使底片暴露在光线下它也不再被感光，这样就保证只有原来被曝光处有潜影，把原来的影像在某种程度上固定了。曝光、显影和定影三个过程的时间控制,对实验的成败影响很大。【实验注意事项】1、一定不能用手或其他东西接触光学元件以保持清洁不损。这是光学实验室的一般常识，在全息照相实

7、验室尤为重要，因为一个尘埃就可以引起一套衍射环，将对全息图引入噪声。2、要求激光器具有TEM00模，这样可以达到较高的空间相干性，否则光强不均匀不稳定，给实验带来很大困难。此外尽量要使物和参考光等光程，其差值至多在几个cm之内，保证很好的时间相干性。3、为取得对比度较好的全息图，实验必须要在隔振台上进行，且曝光时不要走动，大声说话，不要接触台面上的任何器件，以保证光程稳定。一般振动、热或声波等引起光程差的变化在曝光时不得超过。4、对底板的曝光时必须使曝光的动态部分处在底板的乳剂特性曲线的线性部分以保证通过率（，E为曝光量，T为曝光时间）。为此常使参考光与物光光强之比约三到六；若隔振条件不理想和

8、实验室内杂散光太大，则该比例向1：1靠近。5、全息图上干涉条纹的宽度为，为物与参考光之间的夹角。因此必须选用分辨开干涉条纹的底板或控制使能被感光板分辨开。天津生产的全息感光板的分辨率在3000/mm以上已是足够用了。但使用时应注意底板胶面朝向物光。鉴别胶面时用手摸底板边缘，不要触摸底板中央的使用部分。显影时胶面向上放入显影盘中，并且要经常摇动显影盘以使显影均匀。【实验操作】He-Ne激光器发出的一束激光经分束镜分成两束，透射光经全反镜M1、扩束镜及准直系统之后照射景物，经透镜聚焦至底片上（称为物光）。另一束从分束镜表面反射，经全反镜M2照射底片（称为参考光）。这两束光在底片上相遇，当其光程在激

9、光的相干长度范围内便产生干涉，放上底片便能拍摄到很多干涉条纹，这些干涉条纹能以光的强弱（振幅）的形式记录下物光的振幅和位相（见图2全息存储）。我们采用D76显影液，具体显影定影时间为28s。重现物光时仍采用He-Ne激光照射底片，透过这组干涉条纹就像透过光栅一样，经过光栅衍射，便可重现物光波的波前，在接受屏上看到物像（见图3全息再现）。图2 全息存储图3 全息再现实际的实验台及其光路器具如图4所示，从左到右依次对应图3。图4 实验台及光路器具图1、光路调节：1)打开激光器进行预热2分钟，待激光器发光稳定后再进行实验。2)按图2所示，在防震平台上布置光路。要求激光参考光从分光镜经反射镜到底片支架

10、，注意使物光与参考光的光程近似相等，并且两光束要在同一水平面上。为使物光和参考光的光强比值约为1/6至1/3，我们是光束打在分光镜原色最淡(透射率最高)的部分。3)放上透镜L2调节其主光轴与激光束重合，放入L1使其焦点与L2的前焦点重合，这时光路出射的为一束半径约为L2半径大小的平行光束。4)放上透镜L3用毛玻璃在干板支架上找出其后焦点，并测量L3的焦距。然后把干板支架从L3的后焦点处开始向后移动4mm，然后把此光路的所有器件都固定。5)调节参考光束使其光斑在毛玻璃板上与物光的光斑重合，而且两光束的夹角要尽量小。应注意激光在分束镜中会发生多次反射，应取反射光的第一级光束。6)把透明物放在L3的

11、前面1到2倍焦距之间，透明物要能够均匀照明。2、曝光：1)确保关闭所有白光光源，包括激光电源的指示电筒应朝下放置，以杜绝白光泄露导致曝光失败。2)在黑暗情况下取出底片，放在原来后屏位置，注意必须保证焦点可打在感光物质上，且曝光点应位于感光片较中心位置。其中含感光物质一面为粗糙面，为曝光正面。底片感光面的判别方法：用湿润的手指轻轻瞬间触摸玻璃表面，若有沙子版粗糙感即为感光面。3)用B门快门设定曝光时间，按住光阑快门按钮，此时光阑打开，激光正常通过光路发生曝光；待到计时器到时间时，放开快门按钮，此时光阑关闭，激光被光阑挡住，曝光结束。注意曝光过程中严禁走动、说话，关闭实验室所有的灯及空调、抽风机等

12、，也不要碰到全息台及以上任何器件，保持光程不变以保证光程稳定。3、显影、定影：将曝光完毕的底片拿到暗室进行显影和定影。暗室中可以开一绿光灯，因为底片对绿光不敏感，其间绝对不能有白光。显影：时间45秒左右，感光面向上。定影：时间8分钟左右，感光面向上。定影完毕后，再用清水冲洗干净。然后用吹风筒吹干底片。显影液和定影液用过后倒回原容器中以供重复利用。4、波前再现：1)将底片放置在光座上，距离氦氖激光出射点约1.5m，调整底片位置使激光照射到底片上的小黑点中心。2)若投射在墙上，光强太弱无法分辨。可以手持A4纸作为再现屏，转动底片角度，到纸上出现原物体像为止。3)由于在曝光的时候，光是以一定的角度射

13、在底片上的，所以慢慢转动底片，特定的角度下在底片后用一张白纸来承接全息像，看见有两个成像，一个是倒立像，一个是正立像。【实验记录与分析】1、实验主要参数如下物光与参考光光斑面积之比： 1:3至1:6物光从分光镜到底板距离： 132cm参考光从分光镜到底板距离： 137cm2、实验过程，现象以及实验分析第一次实验：波片到物镜L2距离：14.8cm波片的曝光位置以及对应的曝光时间（药面正对）：（6）25.8s（5）23.7s（4）21.8s（1）15.8s（2）17.8s（3）19.8s图5 第一次实验波片曝光点图波片显影时间：44s左右。波片定影时间：8min。实验结果：实验只有2个曝光点有效，

14、而且图像很暗很模拟，实验失败。失败的可能原因：1.波片到物镜L2的距离太近，使物点的斑点面积太小，使激光对整个曝光点的影响太大，造成产生的变换图像不清晰，最终导致再现模糊或者失败。2.在实验过程中我们发现底片的承载底座不稳，实验过程中可能使波片有一定角度的偏移，可能这个小角度的偏移使某个点的很大部分的离焦程度太大，导致成像不均匀，最终使实验失败。第二次实验：波片到物镜L2距离：14.5cm波片的曝光位置以及对应的曝光时间（药面正对）：（6）25.8s（5）23.8s（4）21.8s（1）15.7s（2）17.9s（3）19.9s图6 第二次实验波片曝光点图波片的显影时间：43.66s。波片定影

15、时间：8min。实验结果：实验0个曝光点有效，无图像再现，实验失败。失败的原因：1.人为操作失误。实验之后发现可能是在实验过程中将波片放反了。也就是将药面背对激光，这导致了银离子的还原是从内部开始的，这会使波片形成的全息干涉图被完全打乱。使实验失败。2.在实验过程中我们发现底片的承载底座不稳，实验过程中可能使波片有一定角度的偏移，可能这个小角度的偏移使某个点的很大部分的离焦程度太大，导致成像不均匀，最终使实验失败。第三次实验：波片到物镜L2距离：15.0cm波片的曝光位置以及对应的曝光时间（药面正对）：（6）25.7s（5）23.8s（4）21.7s（1）16.0s（2）17.8s（3）19.

16、8s图7 第三次实验波片曝光点图波片的显影时间：46.80s。波片定影时间：8min。实验结果：实验6个曝光点都有效，图像能完整再现，实验成功。我们对六个样本中第六个点（曝光时间为25.7s的曝光点）进行拍照。如下图8：图8 实验再现图实验现象分析：实验能够成功的主要原因有三：一、我们用了新的波片进行全息信息存储，和之前的波片相比，其亮度和成功率有了很大的提高。二、波片到物镜L2 的距离合适，这有利于参考光束和物光能形成很好的干涉图样，同时也减小了激光光强所带来的影响。三、在每次移动波片被曝光位置时，我们都会注意不让波片的承载台有很大角度的偏转。第六个点的图像的亮度时最大的，原因是曝光时间的选

17、取合适，合适的曝光时间可以让银离子更充分的还原成银原子，进而使干涉图样更加明清晰，当激光打在干涉图样上时，产生的衍射效应就更明显。图片发生了左右的颠倒，原因是我们放置物屏的时候是左右颠倒放置的。第四次实验：波片到物镜L2距离：15.0cm波片的曝光位置以及对应的曝光时间（药面正对）：（6）14.8s（5）20.0s（4）24.8s（1）14.9s（2）19.8s（3）24.7s图9 第四次实验波片曝光点图波片的显影时间：41.70s。波片定影时间：8min。其中第（4）（5）（6）个点的物到物镜L2的距离为11.9cm，第（1）（2）（3）点到物镜L2的距离为58.5cm实验结果：实验6个曝光

18、点都有效，图像能完整再现，实验成功。我们依次对六个样本中第（3）（4）（6）（1）进行拍照。如下图10： 第（3）点 第（4）点 第（6）点 第（1）点图10 第四次实验全息再现图图像变成了正立的，是因为我们将左右颠倒的物屏还原了。可以发现物距离物镜L2较远的（3）、（1）相对于较近的（4）、（6）全息再现图的图样更加清晰。而且曝光时间最小的反而其全息再现图亮度最大。分析原因可能是：1.物屏离物镜较近时，使平行的光束可能由于光与物屏边缘的相互作用（衍射）等原因，最终打在物镜上的图像清晰度下降；2.曝光时间对图像的亮度有一定的影响但是还是无法确定其相关程度，原因是在全息再现时人为操作带来的影响更

19、大（操作不熟练使再现角度不合适导致亮度不均匀等）。关于出现一倒立和一正立的像的解释：1)设待储存的透明图像的振幅透过率为，在其频谱面得到的傅立叶变换为，其中，此处用一均匀的参考光和频谱干涉，产生傅立叶变换全息图。干涉条纹的强度为：其中参考点等效于前焦面上点光源，其傅立叶变换应是代入有：上式中的第三项是原始物象中的空间频谱全息像，在图像识别技术中这个光抢拍下的全息图可作空间滤波器用。经显影、定影后，全息图所具有的透过率，此全息图可经一次逆傅立叶变换而还原图像，在傅式透镜的后焦面上可得到物的再现图，如下式：从上式可知，经过逆傅立叶变换之后，原来透明物与参考点的相对位置b变为-b，即如果原来透明物在

20、参考点上方则经过变换之后的像位于参考点下方，所以得到的像是倒立的。2)全息底片相当于一个光栅，当光照射到底片上时，会发生衍射，衍射斑从中间向两侧依次是0级、1级、2级、3级条纹，而且越向外条纹越弱，因为衰减很快可见条纹并不多。在最中间的是0级条纹，这个条纹是入射光直射通过底片形成的，只是一个斑点，不会在这里出现物体的像。在底片右下侧，衍射汇聚光可形成实像点，在左下侧是发散的衍射光，虽可以形成亮点，但不是物点的像。用屏观察，右下方有一位置亮点最小，这就是再现实像点；在进底片处，衍射光先是汇聚后发散。左下方的衍射光自底片处开始，衍射光斑随距离增加而变大，这是形成虚像的衍射光。由于是细光束衍射，故用

21、屏观察，容易误认为是再现虚像，这种“实像”是由于虚像点衍射所形成，故与真实实像互为倒立。我们尝试用基于MATLAB软件来模拟出全息图像的存储原理：1.用PS软件做出我们在实验（第三次实验）中用到的物图（左右颠倒）的黑白图样。白色代表光线可以通过（1值），黑色代表光不可以通过（0值），如下图11示：图11 物图原图物光经过物镜L2（傅里叶变换）后在焦面上的图样为图12（a）所示，在实验中所形成的图样点包含了此图所有的频谱信息，所以当有一定光程差L的参考光与之干涉时，我们认为其整个频域都参与了干涉，干涉后得到的图样如图12（b）所示：图12 （a）物光的频谱图样 （b）全息干涉的频谱图样在肉眼下此

22、频谱图没有很显而易见的信息。若我们以得到的频谱图作为空间滤波器，得到的衍射图样即为频谱做傅里叶变换还原后的图像。如图13：图13 全息再现图中间的点为主极大。可以观察到，在激光光线垂直面的左上角以及右下角可以看到还原后的图像，其中左上角的图像是倒立的像，右下角的图像是正立的像，和理论相符。【附录】1.原模拟程序代码：clcclearclose alltic;k=2*pi/632.8e-9;%波矢L=0.05; %物光与参考光的光程差t=imread('D:1.bmp','bmp'); %物图原图，用PS作图读取之t=rgb2gray(t); %灰度化j=(t&g

23、t;128);%二值处理j=j(:,end:-1:1);%物屏左右颠倒Size=size(j);figure;imshow(j);title('物图原图');L_1=imread('D:2.bmp','bmp'); %扩束后平行激光图，用PS作图读取之L_1=(rgb2gray(L_1)>128);L_1=L_1.*j;j_F=fftshift(fft2(L_1,2*Size(1),2*Size(2);j_FF=(abs(j_F); figure;imshow(j_FF./600);title('物图频谱图'); %对物光做

24、傅里叶变换处理L_2=exp(1i.*k.*L).*ones(size(j_F);L_0=abs(j_F./max(max(j_F)+L_2./max(max(L_2); %物光与参考光干涉figure;imshow(L_0./3);title('全息干涉条纹图样');L_F=fftshift(fft2(L_0,2*Size(1),2*Size(2);L_FF=abs(L_F);figure;imshow(L_FF/50);title('全息再现图'); %全息再现（傅里叶变换）toc;2.PS作图原图： 1.bmp 2.bmp【思考】1、什么叫4f信息处理系统

25、，为什么全息图像存储要在全息台上用4f信息处理系统?答：如图6所示，4f信息处理系统由两个焦距相同的透镜组成，其中一个透镜实现物光波前的全息存储，另一个则实现物光波前的再现。因为从实物到它经全息底片重现出来的像的距离刚好为透镜焦距的4倍，所以把这个系统称为4f信息处理系统。物光和参考光在底片相遇，当其光程在激光的相干长度范围内便产生干涉，在底片上产生干涉条纹。可见这个实验对于光程差的要求是十分严格的。所以我们利用全息光学平台，可以减小外界震动对光程的影响。ffffSLcy1x1y21x21y31x31L1L2P1P2P3图6 4f相干光学信息系统2、能否用白光实现全息图像存储？为什么？答：可以。全息图像存储的原理是要把物光的波前信息全部存储起来，而且这种存储要能通过用相同的光照射底片得到与原物光波前相同的光。因为白光中含有多种波长的光，因而不能用通常的底片，我们可以用有厚乳胶层的干版做底片。白光的全息纪录也是利用分离的相干光束进行叠加，物光和参考光分别从记录介质的两侧入射，两束光之间的夹角接近于180°。两光束在全息记录介质内建立起驻波，形成接近平行于记录介质的表面的干涉条纹，这些条纹也纪录了物光的所有波前信息。只要把这些条纹纪录下来，经过显影和定影