运用数字全息显示物体

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1、. . . . 目录摘要- 1 -Abstract- 2 -第一章绪论- 3 -1.1光学全息概述- 3 -1.2数字全息技术的概述- 3 -1.3数字全息技术的应用以与发展状况- 4 -第二章全息技术的基本理论- 6 -2.1光学全息的原理- 6 -2.1.1全息记录- 6 -2.1.2再现- 7 -2.2同轴全息与离离轴全息- 9 -2.2.1同轴全息- 10 -2.2.2离全息轴- 11 -2.3数字全息的原理- 12 -2.3.2数字全息的记录- 12 -2.3.3数字全息的再现- 14 -2.4菲涅耳衍射重现的算法- 14 -2.4.1菲涅耳衍射理论- 14 -2.4.2菲涅耳全息图

2、的数值重现算法- 15 -2.5本章小结- 15 -第三章数字全息实验研究- 16 -3.1数字全息光路分析- 16 -3.2平面透明物体的数字全息实验- 17 -3.2立体三维物体的数字全息实验- 19 -3.3本章小结- 22 -第四章总结与展望- 23 -参考文献- 24 -致- 25 - 25 - / 26摘要数字全息是利用CCD、CMOS摄像机等数字光敏电子元件来代替普通光学全息中的银盐干板记录全息图，用计算机模拟光学全息再现过程将物体准确的再现出来。这是一种将全息术、计算机技术和光电成像技术结合起来实现光学全息图的记录与再现的新型成像技术。本论文从光学全息的原理出发，介绍了光学全息

3、与数字全息的基本理论，并对二维透明物体与三维立体物体进行了数字全息实验。关键词：信息光学；光学全息；数字全息AbstractDigital photosensitive electronic element is used in digital holography, such as CCD and CMOS camera. It records holograms in these instruments instead of silver holographic plate in traditional optical holography. The object is reconstru

4、cted exactly by the computer, which is used to simulate the reconstruction process of optical hologram.This paper starts with the theory of optical holography. It illustrates the basic principles of optical holography and digital holography. Making experiments about two-dimensional transparent objec

5、ts and there-dimensional objects.Keywords: information optics; optical holography; digital holography第一章 绪论1.1光学全息概述1948年英国物理学家伽伯(D.Gabor)为了提高电子显微镜的分辨本领而提出了全息原理，并开始了全息照相的研究工作。当时，人们以汞灯作为光源，制作出了同轴全息图（物光与参考光在同一光路上）。这一时期的全息图被称为第一代全息图，标志着全息术的萌芽。第一代全息图存在两个严重问题，一个是再现的原始像和共轭像分不开，另一个是光源的相干性太差。因此在这十多年中，全息术进展缓

6、慢。1960年激光的问世，为全息术提供了一种高相干性光源，以与1962年美国科学家利思(Leith)和乌帕特立克斯(Upatnieks)将通信理论中的载频概念推广到空域中，提出离轴全息图，使全息术得到了新生，进入了迅速发展的年代1。他们提出，如果将信号信息（物体衍射的光波）叠加在一个载频（离轴参考光波）上，则两个再现的光波应当就是这个过程的边带，并且可以彼此分开。从光学的观点看，如果使物体衍射的光波与一个离轴的（而不是盖伯那种同轴的）参考光波相干，则所形成的全息图就相当于是一种光栅结构的形式。再现过程将给出两个光波。即为光栅的两个一级衍射波。人们应用这个原理，用离轴的参考光与物光干涉形成全息图

7、。这就是离轴全息术，这是全息术发展的第二阶段。第二代全息术解决了光源的问题，并且在立体成像、干涉计量检测、信息存贮等应用领域中获得巨大进展。到1964年后期，全息术几乎成了光学研究中最活跃的领域。在此期间，各种不同的全息方法相继提出，如各种彩色全息术、虹全息以与白光再现合成全息等。1.2数字全息技术的概述1967年，J.W.Goodman和R.W.Lawrence将全息术、计算机技术和光电成像技术结合起来实现光学全息图的记录与再现，这就是数字全息技术的思想2。由于受到数字全息技术对于计算机性能和电子成像记录设备精度的制约，此后相当长时间，数字全息技术没有太大进展。直到二十世纪九十年代中期，随着

8、计算机技术的飞速发展和电荷耦合器（charge coupled device, 简称CCD）等高质量数字光敏元件的出现，数字全息才有一些突破。1994年，U. Schnars 和W. Juptner利用CCD直接记录并用计算机数字再现菲涅耳全息图。其实，数字全息与光学全息不一样的地方，就是数字全息利用如CCD、CMOS摄像机等数字光敏电子元件来代替普通光学全息中的银盐干板来记录全息图，用计算机模拟光学全息再现过程使物体准确的再现出来。另外，数字全息分为记录和再现。物光波和参考光波互相干涉形成干涉条纹，用CCD采集干涉条纹，经模数转换后得到全息图的数字矩阵形式，即数字全息图，并存储在计算机。接着

9、，利用傅里叶变换或者菲涅耳衍射公式的变换，对数字全息图进行数值再现，即用计算机模拟光学全息图的再现过程，获得光场的复振幅分布，在计算机屏幕上显示出强度分布和相位分布，从而得到物体的再现像。由于数字全息图的记录过程中会产生图像畸变，为了得到更好的再现结果，一般情况下，在对数字全息图进行计算机再现之前会对图像的畸变进行补偿消除，如图像几何变形、光电探测器转换的非线性、随机噪声，包括调整全息图条纹的对比度。与传统的光学全息相比，数字全息有其突出的优点。数字全息最大的特点就是利用CCD等数字光敏电子元件作为记录介质，代替了传统光学全息中利用银盐干板作为记录介质，省去了定影、显影、漂白等一系列化学湿处理

10、过程，使整个记录过程变得数字化，因此，可以很方便的加入数学处理方法，消除相差、噪声以与干板特性曲线的非线性等因素带来的影响，提高全息图的质量。数字全息的再现过程用计算机处理，缩短了再现周期，可以快速、实时的进行获取和处理。数字再现全息图得到的是物光场的复振幅分布，可以定量的得到被记录物体再现像的振幅和相位信息，从而实现了各种复振幅的运算和操作，可以方便的进行多种测量。数字重建还可以方便地进行数字聚焦，容易实现三维观测。利用数字全息图，可以实现全息图的相加减、增减背景图像、图像叠加等操作。数字全息图以数据的形式保存在计算机中，可方便的进行存储、复制和传输，大大增强了全息图的可移植性。以上这些，在

11、传统的光学全息中基本上都是很难做到的，而数字全息却能在很短的时间完成，说明了数字全息有很强的实用性。然而，数字全息却也存在一些难以忽视的缺点。现有CCD的像素远远不与传统光学全息用到的干板的像素，因而在全息记录过程中必须严格控制物光波与参考光波的夹角。另外，由于CCD的靶面有限，影响了被记录物体的大小、再现像的景深以与再现像的清晰程度。1.3数字全息技术的应用以与发展状况近些年来，由于CCD的分辨率越来越高，对数字全息理论方面的研究以与去除再现像的散斑噪声的研究越来越多，数字全息的应用围也越来越广，主要应用涉与以下几个方面：（1）数字全息干涉度量学：记录物体变化前后的数字全息图，利用数字全息技

12、术再现物体变化前后的光场复振幅分布，通过计算变化前后的相位差，就可以得到物体的变化信息。如将数字全息应用于力学变形测量。（2）数字全息形貌测量：利用全息术再现物体的形貌进行测量一直是研究的热点，利用光学全息已经能很好的再现物体的形貌，然而，数字全息的出现，克服了光学全息的缺点，能够更加方便快捷实时的对物体的形貌进行测量。（3）数字全息显微7：数字全息技术特别适合显微成像和测量，目前，在数字全息显微方面的研究很多。（4）数字全息防伪加密技术9：利用数字全息对图像进行加密和解密，提高了印刷品的防伪能力。（5）数字全息粒子场测试8：全息术应用于粒子场测试是全息术的一个重要应用。传统的方法大多是利用光

13、学全息方法记录和再现粒子场，然后采用计算机进行逐层扫描分析。而数字全息进行粒子场测试则是利用快速傅里叶变换(FFT)或卷积运算得到粒子场的数字再现，通过数字聚焦，可以得到粒子场在不同焦平面上的分布。（6）相移数字全息：在数字全息记录过程中拍摄多幅数字全息图，采用相移技术算法，对多幅数字全息图进行运算，可以消除零级像和共轭像。该方法同轴全息与离轴全息均适用，去除零级像与共轭像的效果也好，只是记录的时候必须记录多幅全息图。第二章 全息技术的基本理论2.1光学全息的原理 普通照相是应用几何光学与透镜系统，将三维物体成像在二维底片上。实际上物光所带的物体信息是由光波的振幅（光强度）和相位两个方面组成的

14、。普通照相只能记录物体的光波振幅，但全息照相可以同时记录光波的振幅与相位。全息照相利用光的干涉把物光波的振幅和相位记录下来，再利用光的衍射，使物光波在一定条件下再现，其过程分为记录和再现两步5。2.1.1全息记录图2.1 全息图的全息记录将激光器输出的光束分为两束，一束投射到物体上，经物体反射或透射，产生物光波，到达感光板；另外一束投射到感光板上，称为参考光波。参考光与物光相干叠加，在感光板上形成干涉条纹，其光强的分布不仅取决于振幅，而且取决于相位差，这记录有干涉图样的底片就是一全息图。用眼睛直接观察全息图，它只是一灰蒙蒙的片子，没有任何被照物体的任何形象。 光源S在空间某点P的光振动为： （

15、2-1） 其中r为P点到光源S的距离，为光波自光源S传到P点引起的相位。利用尤拉公式把上式简谐波函数写成复数形式 （2-2）（2-2）式中称为复振幅。在全息图上建立xy坐标，则所以光波在底片上的复振幅分布为： （2-3）其中为振幅,为相位。所以物光波复振幅函数为： (2-4)参考光波复振幅函数为： (2-5)所以总光强为： （2-6）（2-6）式中的前两项是物光和参考光的强度分布，基本上是常数，作为偏置项，仅与振幅有关，与相位无关。第三项是干涉项，包含了物光波的振幅和位相信息。参考光波作为一种高频载波，它的振幅和位相都受到物光波的调制，干涉条纹则是参考光波的振幅和相位受到物光波调制的结果。参考

16、光波的作用正好是完成了物光波波前的位相分布转换成干涉条纹的强度分布的任务。最常用的作为全息记录感光材料的是由细微粒卤化银乳胶涂敷的超微粒干板，即全息干板。它的作用相当于一个线性变换器，它把曝光期间的入射光强线性地变换为显影后负片的振幅透过率。一般的，全息图的振幅透过率可记 （2-7）式中，和均为常数，为曝光时间和之乘积。将(2-6)式代入(2-7)式，则（2-8） （2-8）式中，,，如果参考光波是平面波，表示均匀的偏置透过率。2.1.2再现为了观察所记录的物体图像，需要相干的再现光波照射全息图。全息图可以当成一块复杂的光栅，再现光波经全息图衍射后，就含有再现的物光波，观察者迎着再现光波的方向

17、，透过全息图就可以看到物体的虚像。全息图犹如一个窗口，当人们移动眼睛从不同角度观察时，就好样面对原物一样看到它不同侧面的形象。因此，再现就是一个衍射过程。用一束复振幅分布为的相干光波照射全息图，则透过全息图的光场为： （2-9） (2-10) 由(2-10)可以看出，中系数，这两项均为常数，它们的作用仅仅改变再现光波C的振幅，不能改变的相位。另外，中系数也只能调制再现光波的振幅信息，这实际上是再现光波经历分布的一底片的衍射，使再现光波多少有些离散而出现杂光，这是一种“噪声”，实验上可以采取一定的手段来减小这种噪声。总之，和基本上保留了照明光波的特性，是全息图衍射场中的零级光波。包含了物光波信息

18、，包含了物光波的共轭信息。下面，利用不同的再现光波进行波前重建。1. 用原参考光波进行再现，即，则此时 (2-11) (2-12)是均匀的再现光波光强，因此，是原理物光波波前的准确再现，可以观察到物体的虚像，如图2.2所示，这一项是全息图衍射光场中的级光波。由于的位相因子一般无法消除，会成为并不严格与原物镜像对称的汇聚波，观察到的是实像，由于受到的调制，实像会变形，这一项是全息衍射光场的级光波。只有当照明光波和参考光波都是正入射的平面波时，和的系数都是实数，全息图衍射场中的级光波才严格地镜像对称。图2.2 用原参考光波再现2. 用原参考光波的共轭光波进行再现，即，则此时(2-13) (2-14

19、)这时，再现原始物体的虚像由于受到的调制，虚像会变形，产生畸变。而再现了物光波前的共轭波，给出了原始物体的一个实像，但是出现了景深反演，即原来近的部位变远了，原来远的部位变近了，通常称之为赝实像，如图2.3所示。图2.3 用共轭参考光波再现2.2同轴全息与离离轴全息如上分析可知，对全息图进行再现时会产生四个分量，能否将它们分离并提取出原物光波的有效信息就成了整个全息技术的关键，而这很大程度上是依赖于实验所采用的记录光路。2.2.1同轴全息所谓同轴全息图，即物光波与参考光波处于同一轴上。如图2.4所示为同轴全息图的记录与再现过程。(a)(b)图2.4 同轴全息图的记录与再现：(a)记录；(b)再

20、现伽伯(D.Gabor)最初所提出和实现的全息图就是一种同轴全息图。在同轴全息中，物光波与参考光波之间的光轴夹角为零。记录同轴全息图的光路如图2.4(a)所示。若用一平面光波垂直照射全息图，则衍射光场在2-10式的四项分量中，第一项是透过全息图的受到均匀衰减的平面波;第二项正比于弱的散射光的光强，可以忽略不计;第三项正比于物光波复振幅，再现了原始物光波前，产生原始物体的一个虚像;第四项则在全息图另一侧与虚像对称位置产生物体的实像，如图2.4(b)所示。而这四项分量都在同一方向传播，其中直接透射光波大大降低了像的衬度，且虚像和实像相距，构成不可分离的孪生像。当对实像聚焦时，总是伴随一离焦的虚像。

21、孪生像的存在也大大降低了再现像质量。另外，因为同轴全息图是由透射光场相干而成，其最大的局限还在于我们必须假定物体是高度透明的，否则第二项场分量将严重影响响的质量。这一假定极限制了同轴全息术的应用围。2.2.2离全息轴离轴全息图，即偏斜参考光全息图，物光与参考光成一定的夹角投射到全息记录介质上。图2.5所示为离轴全息图的记录与再现。离轴全息图不仅可以消除同轴全息图中共轭像的干扰，还能使成像光波不与零级衍射光波重叠。(a)(b)图2.5 离轴全息图的记录与再现：(a)记录；(b)再现为了消除同轴全息图孪生像的相互干扰，美国Michgan大学的E.N.Leith和J.upatnieks于1962年提

22、出离轴全息图记录方法，也叫做偏斜参考光全息术，其记录光路如图2.5(a)所示。准直光束一部分直接照射振幅透过率物体，另一部分经物体之上的棱镜P偏折，以倾角透射到全息干板上。全息干板上的振幅分布即为物体透射波和倾斜参考波叠加的结果。在实际情况下，只要选择适当的物参夹角，就可以在全息图再现的时候令其衍射光场的零级衍射光和级衍射光在方向上相互分离，从而提高再现像的衬度，也使得孪生像之间不会发生干扰。这也正是离轴全息的最主要的优点。再现的光路如图2.5(b)所示。2.3数字全息的原理与传统的光学全息相比，数字全息可以消除噪声以与记录过程中底片非线性等因素的影响，整个过程简单，有利于进行定量分析和测量;

23、并且便于图像的数字化储存和实时处理，有利于全息术更广泛的应用。2.3.2数字全息的记录图2.6为数字全息的记录和再现原理图，平面是物平面，平面是全息图平面，也就是CCD靶面所在的位置，平面是再现像平面。全息记录平面和再现像平面到全息图平面的距离分别为和。就是物体至CCD靶面的距离。图2.6 数字全息的记录和再现原理设全息记录平面上的物光波和参考光波的复振幅分布分别为和，则全息记录平面上干涉条纹的强度分布为： (2-15)数字全息的记录介质是CCD，而CCD记录的是离散的光强分布。一个CCD摄像机拍摄图像质量的好坏取决于像素密度、像素的大小以与像素的深度等因素。单位面积的像素数目亦即像素密度决定

24、了所拍摄图像的分辨率。图像的分辨率可以表示为一块CCD芯片所能够捕获的影像信息的数量。像素的数目越高，图像分辨率就越高，图片/影像质量也越好。芯片所能够提供像素的尺寸，是鉴别影像质量以与最终图像输出尺寸的最容易的方法。像素的尺寸围通常在几微米到十几微米之间。像素的尺寸越小，芯片所具有的分辨率越高。除了以上有关CCD芯片的尺寸之外，采集到的图像的质量还受像素的深度影响，像素深度又称比特深度，它是一幅图像中为描绘每一个像素所能够给予的比特数量，决定了图像的灰度等级。比特深度越大，就可以使图像表现出更多的细节和层次。另外，CCD还存在着散粒噪声、转移噪声和热噪声等问题，所以在实验和数据处理过程中，也

25、需要考虑这些因素，以减少其对实验结果带来的负面影响。如图2.7是CCD的像素结构的示意图。CCD的尺寸为，横向和纵向的像素数分别为和，称为CCD的填充因子，和分别是像素的横向和纵向间距，则像素的尺寸为。图2.7 CCD的像素结构设为像素的积分孔径，通常CCD的孔径为矩形形状，CCD的孔径表示为，则像素的积分孔径为： (2-16)则数字全息记录平面(即CCD靶面)上干涉条纹的强度分布为： (2-17)式中*表示卷积。由上式可见，CCD的积分效应使得CCD对全息图的记录不是一个理想的采样过程。一般情况下，CCD靶面的像素间隔不到单个像素尺寸的1%，因此，可忽略CCD像素之间的间隔，即，则，上式可变

26、为： (2-18)若再不考虑CCD象元在采样过程中的积分效应，则CCD靶面上干涉条纹的强度分布为：(2-19)CCD记录的干涉光强由数据采集卡采集并量化后送到计算机中保存起来，其结果是一个数值矩阵，称为数字全息图。2.3.3数字全息的再现设再现光波的复振幅为，则其离散形式为： (2-20)用该再现光波再现数字全息图后，其透射光波场可表示为： (2-21)其中上角标代表复共轭。其相应的离散形式为： (2-22)与光学全息一样，数字全息图再现后，仍然有四项。前两项是全息图衍射场中的零级光波。第三项包含了物光波信息，是级像。第四项包含了物光波的共轭信息，是级像。2.4菲涅耳衍射重现的算法全息的记录是

27、一个干涉过程，再现是一个衍射过程，在第三章中的实验中，我们将用此算法重现图像。2.4.1菲涅耳衍射理论几何光学的基本定理光沿直线传播，只是光的波动理论的近似。作为电磁波，光的传播需要应用衍射理论才能准确说明。衍射是波传播过程的普遍属性，也是光具有波动性的表现。而我们本文所讨论的全息成像理论也正是建立在菲涅尔衍射基础之上的，所以有必要先对光波的菲涅尔衍射理论作一简要的回顾探讨。当一束光波传播经过一个孔径平面，在孔径后的衍射光场中，不同平面上会出现不同的光波图样:在紧靠孔径后的平面上，光场分布基本与孔径的形状一样，这个区域称为几何投影区;随着传播距离的增加，衍射图样与孔的不相似性逐渐增加，这个区域

28、称为菲涅尔衍射区，或者称为近场衍射(相对于夫琅和费衍射，亦即远场衍射)。2.4.2菲涅耳全息图的数值重现算法从CCD记录光波场，到以数字形式存储全息图，再到数值重现全息图，数字全息技术的这一过程可以看作是一个数字化的相干光学成像系统，它能产生一个复波场，而这个复波场是被原始物体折射或衍射的像。对于这个成像系统，只要在物场给定一个输入函数，就能在像场得到一个输出函数。对于图2.6所示的坐标关系，根据菲涅耳衍射公式 （2-23）可以得到物光波在全息平面上的衍射光场分布为: （2-24）其中,在全息平面上，设参考光波的分布为，则全息平面的光强分布与为: (2-25)其中上角标代表复共扼。用于参考光波

29、一样的重现光波照明全息图时，全息图后的光场分布为。2.5本章小结本章介绍了光学全息的基本原理，并对其中的同轴与离轴系统分别作了分析，还介绍了数字全息的基本原理，并讲解了CCD的结构。第三章 数字全息实验研究在此章中，我们将应用上面所讲的原理，做一些数字全息实验，在这些实验中，我们均将采用离轴系统。3.1数字全息光路分析由于数字全息是使用CCD代替全息干板来记录全息图，因此想要获得高质量的数字全息图，并完好地重现出物光波，必须保证全息图表面上的光波的空间频率与记录介质的空间频率之间的关系满足奈奎斯特采样定理，即记录介质的空间频率必须是全息图表面上光波的空间频率的两倍以上。但是，由于CCD的分辨率

30、比全息干板等传统记录介质的分辨率低得多，而且CCD的耙面面积很小，因此数字全息的记录条件不容易满足，记录结构的考虑也有别于传统全息。目前数字全息技术仅限于记录和重现较小物体的低频信息，且对记录条件有其自身的要求，因此要想成功地记录数字全息图，就必须合理地设计实验光路。设物光和参考光在全息图表面上的最大夹角为，则CCD平面上形成的最小条纹间距为： （3-1）所以，全息图表面上光波最大空间频率为： （3-2）一个给定CCD象素大小为，根据采样定理，一个条纹周期要至少等于两个象素周期，即，记录的信息才不会失真。由于在数字全息的记录光路中，所允许的物光和参考光的夹角很小，因此，有 （3-3）所以， （

31、3-4）从式2-18中可以看到，在数字全息图的记录光路中，参考光与物光的夹角围受到CCD分辨率的限制。由于现有的CCD分辨率比较低，因此只有尽可能地减小参考光和物光之间的夹角，才能保证携带物体信息的物光中的振幅和相位信息被全息图完整地记录下来。一般来说当下列条件满足时，在CCD平面上的所有点都能满足夕足够小，达到抽样定理的要求:（1）物体的横向尺寸很小。（2）物体被放在离CCD很远的地方。（3）被大物体折射的光波场通过一个透镜被光学压缩。与传统全息记录材料相比，一方面，由于记录数字全息的CCD耙面尺寸小，仅适应于小物体的记录;另一方面，目前数字记录全息图的CCD象素尺寸大，分辨率低，使记录的参

32、物光夹角小，因此只能记录物体空间频谱中的低频部分，从而使重现像的分辨率低，像质较差。综上，在数字全息中要想获得较好的重现效果，需要综合考虑实验参数，合理地设计实验光路。3.2平面透明物体的数字全息实验设计实验光路如图3.1所示。图3.1 数字全息实验光路、为全反镜，为分束镜，、为扩束透镜，、为准直透镜，BS是分光棱镜。He-Ne激光经过后被分为两束光：一束光准直之后照射在二维透明物体上，再由物体透射后经过BS照射到CCD靶面上；另一束光经准直直接由和BS反射后也照射到CCD靶面上，形成数字全息记录光路。图3.2为平面透明物体的数字全息实验光路。图3.2平面透明物体的数字全息实验光路在本实验中，

33、我们选用光栅作为平面透明物体，其中图3.3为实验得到的全息图，图3.4为全息图再现后得到的影像，图3.5为再现图的强度分布。图3.3光栅的全息图图3.4全息再现图图3.5再现图的强度分布3.2立体三维物体的数字全息实验图3.6立体三维物体的实验光路图立体三维物体的实验光路图如图3.6所示，、为全反镜，为分束镜，、为扩束透镜，为准直透镜，BS是分光棱镜。He-Ne激光经过后被分为两束光：一束光准直之后经反射照射到上，再经过BS照射到CCD靶面上；另一束光由反射到上，再照射到物体上，再经BS反射后也照射到CCD靶面上，形成全息记录光路。图3.7为立体三维物体的数字全息实验光路。在本实验中，我们选用

34、一分钱硬币作为立体三维物体，其中图3.8为实验得到的全息图，图3.9为全息图再现后得到的影像，图3.10为再现图的强度分布。图3.7三维立体物体的数字全息实验光路图3.8一分钱硬币的全息图图3.9再现后的图像图3.10再现图的强度分布3.3本章小结在本章中，我们对数字全息实验光路做了基本分析，并分别对平面透明物体与三维立体物体进行了数字全息实验，并用菲涅耳衍射算法重现了图像。在实际应用中，平面透明物体比较容易成像，但三维立体物体的成像效果比较差，此时，我们可以采用多光束数字全息技术，能够成功地同时再现三维物体的多个表面。得到的全息图也都有干扰，我们可以用相移技术，频域滤波法等方法去除零级像，再

35、用双线性插值，中值滤波等方法来减弱再现像的散斑噪声，这样得到的再现像就比较清晰。第四章 总结与展望本文讲述光学与数字全息的基本理论，并分别对二维透明物体和三维不透明物体进行了实验。在实验中由于条件限制，成像可能不清楚。我们可以多光束照射，无直透光和共轭像的处理方法，用分辨率更高的CCD，双线性插值和中值滤波的方法去除了再现像的散斑噪声。当然，目前的全息技术也有着局限性，它对环境与光源的要求非常高，导致它只能在实验室等少数地方使用。数字全息就其实现方式和效果上都有许多优愈传统全息的方面。从实现上看，近年来，随着计算机的改进，计算机的软件功能已经很强大了，再加上计算机的硬件配置的优化。要模拟或者是

36、直接记录几幅全息图到计算机中进行数字化，已经是很方便的了。这是其一，其二是计算机的图象处理功能也很强大了，要把一幅全息图用计算机模拟再现出来也不是一件难事，这样一来，数字全息的发展将会很有优势，会很快的发展起来。而且数字全息还有它的优越之处就是可以在数字化分析和图像处理的基础上，可以很容易地消除像差，也可以用相减的办法计算出误差，而不是象传统全息那样只能够用肉眼来观察。因此，数字全息的应用将更加的广泛，如细胞的数字全息图的再现算法，也将使得数字全息在生物、医学等方面作出新的贡献；在纸币上加上水印防伪；对珍贵物品进行数字全息拍摄，可以详细记录物体信息，并建立数字信息；随着彩色全息技术的完善，未来

37、的照片与电影技术都面临着巨大的变革，使得图像更立体，更真实等等。数字全息技术是一门正在发展中的新兴技术，有着广阔的应用前景，它不仅降低了传统全息图片的制作成本，而且可以直接在计算机上实现数字全息图的再现，它集中了光学全息和计算全息的优点，特别是同轴数字全息能够对微小物体的三维形貌进行测量，这些都是其他的技术所无法企与的，但目前来说数字全息方面存在的主要问题是CCD的分辨率不够高，数字重建的方法还不够完善。随着CCD技术的不断提高和研究者们不断地寻找新的数字重建方法，重建的原始像会更清晰，数字全息技术在国会得到更快的发展，其优点将会在应用中得到进一步的体现。参考文献1 显渝，继。信息光学M，大学

38、，1995。2 王永昭。光学全息M，机械工业，1981。3 钟丽云，以谟，吕晓旭等。数字全息图再现像的分析计算J。中国激光，2004，31（5）：570-574。4 诚，良钰，银柱等。无直透光和共轭像的数字全息J。光学学报，2002，22（4）：427-431。5 过祥龙，董慎行，晏世雷。基础物理学（下册），大学，2003，72-74。6 雯，周皓，顾济华，宋瑛林，智，锦虎，高本利。多光束数字全息的研究。教育部现代光学技术重点实验室，大学物理科学与技术学院， 215006。7 高本利，顾济华，周皓，雯。预放大离轴菲涅耳全息对细胞的研究。大学物理科学与技术学院，中国 215006。8 吕且妮,

39、宝臻, 罗文国, 慧影, 贺家, 以谟。数字全息术与其在粒子场测试中的研究进展。大学精密仪器与光电子工程学院, 光电子信息技术科学教育部重点实验室, 300072。9 施鹏飞，立初。数字水印技术的研究。交通大学图象处理与模式识别研究所200030。10 Lei Xu，Xiaoyuan Peng， Zhixiong Guo， Jianmin Miao， Anand Asundi. Imaging analysis of digital holography. School of Engineering, Rutgers, the State University of New Jersey, Piscataway, NJ08854.11 黎南。数字全息理论与应用研究。硕士学位论文，理工大学，2007。12 梁柳娟。数字全息技术的初步研究。硕士学位论文，理工大学，2005。13 宁。数字全息技术研究。硕士学位论文，暨南大学，2004。致在本论文完成之际，首先要衷心地感我的指导老师顾济华教授。整个论文从选题、资料搜集、理论研究，都是在顾老师直接指导和关怀下进行的。其次要感周皓老师，在实验与论文写作过程，多次得到了他的帮助。在写作过程中，在软件应用与资料方面也得到了同学们的帮助，和很多意见，所以也要特别感他们。