数字全息术及其应用

数字全息术及其应用2021/6/271目录一全息技术概述及其原理二数字全息技术2021/6/272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2021/6/2731.1全息技术(holography)的起源最初由英国科学家丹尼斯·伽柏（DennisGabor）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。DennisGabor2021/6/2741960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。2021/6/2751.2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2021/6/2762全息技术的原理2021/6/2771.2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。2021/6/2782全息技术的原理2021/6/2792021/6/27101.3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2021/6/27111、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：2021/6/2712全息照相普通照相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。2021/6/2713

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。全息照相普通照相2021/6/2714全息图片2021/6/27152021/6/2716参考光物光x0xyzy0HologramPlaneObjectPlaneo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：2021/6/2717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2-22-32021/6/2718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：2-42-52-6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。2-72021/6/27191.5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。2021/6/27201.6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。2021/6/27211.7、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-ComputerGeneratedHolography):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-DigitalHolography)2021/6/2722第二部分数字全息术（DH-DigitalHolography）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2021/6/27231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。2021/6/2724(a)ConventionalopticalholographyobjectbeamBeamsplitterLaser相位调整器objectbeamBeamsplitterCCDLaserPhotographic

plate(b)Digitalholographyreferencebeam数字全息技术与传统光学全息技术的比较：图像记录2021/6/2725(a)ConventionalopticalholographyVirtualimageLaser(b)Numericalreconstructionwithcomputer光学全息底片图像再现2021/6/2726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。2021/6/27272.2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。2021/6/2728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2021/6/27292.3数字全息术的应用举例卵巢癌细胞1.细胞成像2021/6/27302.利用数字全息实现信息加密2021/6/27313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。2021/6/27323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，因此在拍摄一个方位后，要让轮胎转