數(shù)字全息術(shù)及其應用ppt課件

1、1數(shù)字全息術(shù)及其應用數(shù)字全息術(shù)及其應用2目 錄一 全息技術(shù)概述及其原理二 數(shù)字全息技術(shù)3第一部分第一部分 全息技術(shù)全息技術(shù)(Holography)概述及其原理概述及其原理1.1 全息技術(shù)的起源1.2 全息技術(shù)的原理1.3 全息圖的分類及特點1.4 全息過程的相關(guān)理論1.5 全息圖的實際應用1.6 全息技術(shù)的發(fā)展趨勢41.1 全息技術(shù)全息技術(shù)(holography)的起源的起源n最初由英國科學家丹尼斯伽柏（Dennis Gabor）于1948年提出來。n目的：利用全息術(shù)提高電子顯微鏡的分辨率。n但全息照相理論創(chuàng)建之后經(jīng)過了漫長的發(fā)展過程。主要原因之一：缺少適用的具有足夠相干性和高度單色性的照明光

2、源。n1960年，激光器的問世克服了這個障礙。且激光器的迅速實用化以及離軸全息照相術(shù)的發(fā)展，消除了在觀察同軸全息圖再現(xiàn)像時，因虛像和實像相互干擾而降低像質(zhì)的影響，使拍攝反射物體的全息像成為可能，從而能實現(xiàn)對漫反射物體的全息干涉計量。Dennis Gabor5v 1960年梅曼研制成功了紅寶石激光器。v 1961年賈范等制成了氦氖激光器，產(chǎn)生了一種全所未有的優(yōu)質(zhì)相干光源。v 1962年美國科學家E.N.利思和J.烏帕特尼克斯用激光器對伽柏的技術(shù)做了劃時代的改進，全息術(shù)的研究從此獲得了突飛猛進的發(fā)展。v 近40年來，全息技術(shù)的研究日趨廣泛深入，開辟了全息應用的新領(lǐng)域，成為近代光學的一個重要分支。

3、61.2 全息技術(shù)的原理 第一步：利用干涉原理記錄物體光波信息。即拍攝過程：被攝物體在激光輻照下形成漫射式的物光束；另一部分激光作為參考光束射到全息底片上，和物光束疊加產(chǎn)生干涉，把物體光波上各點的位相和振幅轉(zhuǎn)換成在空間上變化的強度。從而利用干涉條紋間的反差和間隔，將物體光波的全部信息記錄下來。記錄著干涉條紋的底片經(jīng)過顯影、定影等處理程序后，便成為一張全息圖或稱全息照片。最常用的作為全息記錄感光材料的是由銀乳膠涂敷的超微粒干板，即全息干板72 全息技術(shù)的原理81.2 全息技術(shù)的原理 第二步：利用衍射原理再現(xiàn)物體光波信息。即成象過程：全息圖猶如一個復雜的光柵，在相干激光照射下，一張線性記錄的正弦型

4、全息圖的衍射光波一般可給出兩個象，即原始象和共軛象。再現(xiàn)的圖像立體感強，具有真實的視覺效應。 全息圖的每一部分都記錄了物體上各點的光信息，故原則上它的每一部分都能再現(xiàn)原物的整個圖像。通過多次曝光還可以在同一張底片上記錄多個不同的圖像，而且能互不干擾地分別顯示出來。92 全息技術(shù)的原理10111.3 全息圖的分類及特點 1、按著制作方法 2、按著光路結(jié)構(gòu) 3、按著再現(xiàn)方式 4、按著實際用途 光學記錄全息圖計算機像素全息圖同軸全息圖離軸全息圖單色光全息圖復色光全息圖反射全息圖相面全息圖彩虹全息圖假彩色編碼全息圖真彩色編碼全息圖角度多路合成全息圖多通道全息圖普通：檢測,存儲等特殊：加密，防偽等12

5、1、圖像是三維立體圖。 2、得到的是彩色圖片，永不變顏色。 3、記錄數(shù)據(jù)量大：每一部分都能再現(xiàn)原物的整個圖像。 4、一次拍攝，可以得到兩個圖像：原始像和共軛象。 1.4全息圖的基本特點：13全息照相全息照相普通照相普通照相 全息照相過程分記錄、再現(xiàn)兩步，它是以干全息照相過程分記錄、再現(xiàn)兩步，它是以干涉、衍射等波動光學的規(guī)律為基礎(chǔ)的。涉、衍射等波動光學的規(guī)律為基礎(chǔ)的。 普通照相過程是以幾何光學普通照相過程是以幾何光學的規(guī)律為基礎(chǔ)的。的規(guī)律為基礎(chǔ)的。 全息圖所記錄的是物體各點的全部光信息，全息圖所記錄的是物體各點的全部光信息，包括振幅和相位。包括振幅和相位。 普通照相底片記錄的僅是物普通照相底片記

6、錄的僅是物體各點的光強（或振幅）體各點的光強（或振幅） 全息照相過程中物體與底片之間是點面對應全息照相過程中物體與底片之間是點面對應的關(guān)系，即每個物點所發(fā)射的光束直接落在記的關(guān)系，即每個物點所發(fā)射的光束直接落在記錄介質(zhì)，全息圖整個平面上。反過來說中每一錄介質(zhì)，全息圖整個平面上。反過來說中每一個局部都包含了物體各點的光信息。個局部都包含了物體各點的光信息。 普通照相過程中物像之間是普通照相過程中物像之間是點點對應的關(guān)系，即一個物點點點對應的關(guān)系，即一個物點對應像平面中的一個像點。對應像平面中的一個像點。14 全息圖能完全再現(xiàn)原物的波前，因而能觀察全息圖能完全再現(xiàn)原物的波前，因而能觀察到一幅非常逼

7、真的立體圖像。到一幅非常逼真的立體圖像。 普通照相得到的只能是二維普通照相得到的只能是二維的平面圖像。的平面圖像。 全息照相是干涉全息照相是干涉,因此要求光源有很高的相因此要求光源有很高的相干性。光源的相干長度越大、波前上相干區(qū)越干性。光源的相干長度越大、波前上相干區(qū)越大，就能越有效地實現(xiàn)全息照相。大，就能越有效地實現(xiàn)全息照相。 普通照相只是像的強度記錄，普通照相只是像的強度記錄，并不要求光源的相干性，用普并不要求光源的相干性，用普通光源就可以了。通光源就可以了。全息照相全息照相普通照相普通照相15全息圖片全息圖片1617參考光物光x0 xyzy0Hologram PlaneObject Pl

8、aneo若用 和 分別表示全息圖平面上的物光波和參考光波分布，則全息圖強度表示為 222,h x yu x y r x yu x yr x yu x y r x yr x y u x y,u x y,r x y2-1全息過程的相關(guān)理論：18 222,= 1234h x yu x y r x yu x yr x yu x y r x yr x y u x yUUUU 此過程為記錄過程。其中第一、第二項為零級衍射項，第三項為原始像，第四像為共軛像。 采用如下形式的球面光波作為再現(xiàn)光波220exp,2iiiiijkUxxF h x yz,yy220,exp2jkC x yxyz 可在ziz0處的像平

9、面 上得到等大、對稱分布的實原始像和實共軛像。再現(xiàn)光場的復振幅分布為iix y2-22-319 然而，由于再現(xiàn)參考光波與記錄參考光波不同，式給出的物光場與真實的物光波前之間存在一個二次位相畸變因子。由全息理論，可以推得重建的實原始像的復振幅分布為220,exp,iriririroxxyyjxxyyF h x yz由式可以得到再現(xiàn)像的強度和位相分布如下：,iiiIx yF h x yIm,arctanRe,iiiiiiio x yx yo x y2-42-52-6 在數(shù)字全息成像技術(shù)中，若采用反射光路，物體表面形貌數(shù)據(jù)分布與其位相分布之間有如下關(guān)系，即給出了數(shù)字全息形貌測量的原理。,4iiiii

10、h x yx y2-7201.5 全息圖的實際應用：1、全息圖像顯示：照片；圖片；郵票；書籍、雜志的封皮與插頁等。2、包裝和防偽：產(chǎn)品的包裝、標牌和商標；飾品；廣告；人民幣；銀行卡；居民身份證等。3、全息計量技術(shù)面內(nèi)和離面位移測量；殘余應力測量；振動模式測量；氣流分布測量； 粒子大小和分布測量等。4、全息元件：光柵； 透鏡； 波帶片等。5、光學信息處理技術(shù)：圖像識別； 圖像的消模糊和邊緣增強；圖像的假彩色編碼。211.6 全息技術(shù)的發(fā)展方向：1 1、全息元件：、全息元件： 一些特殊作用的全息元件研制等。一些特殊作用的全息元件研制等。2 2、全息加密技術(shù)：、全息加密技術(shù)： 如何進一步提高全息圖的

11、技術(shù)含量。如何進一步提高全息圖的技術(shù)含量。3 3、全息計量技術(shù)、全息計量技術(shù)：（非線性曝光；增加光程差）：（非線性曝光；增加光程差） 如何進一步提高測量的精度如何進一步提高測量的精度 ；干涉條紋；干涉條紋 的自動識別和判讀的問題。的自動識別和判讀的問題。4、白光全息技術(shù)：、白光全息技術(shù)： 克服相干光的缺點（相干噪聲大、能量損克服相干光的缺點（相干噪聲大、能量損 失大失大 4%0）提高全息圖質(zhì)量。）提高全息圖質(zhì)量。221.7、全息技術(shù)的新方法：、全息技術(shù)的新方法： 隨著計算機、光機電一體化等技術(shù)的發(fā)展，又產(chǎn)生了新的全息技術(shù)。隨著計算機、光機電一體化等技術(shù)的發(fā)展，又產(chǎn)生了新的全息技術(shù)。（1）計算全

12、息術(shù)）計算全息術(shù)(CGH- Computer Generated Holography):光學全息技術(shù)中光學全息技術(shù)中引入計算機技術(shù)，利用計算機的數(shù)值計算來模擬物波模型函數(shù)和光學干涉函數(shù)引入計算機技術(shù)，利用計算機的數(shù)值計算來模擬物波模型函數(shù)和光學干涉函數(shù).（2）數(shù)字全息技術(shù)）數(shù)字全息技術(shù)(DH-Digital Holography)23第二部分第二部分 數(shù)字全息術(shù)（數(shù)字全息術(shù)（DH-Digital Holography）2.1 數(shù)字全息技術(shù)的原理、優(yōu)點2.2 數(shù)字全息技術(shù)的研究現(xiàn)狀2.3 數(shù)字全息技術(shù)的應用241 數(shù)字全息技術(shù)的原理25(a) Conventional optical holo

13、graphyobject beamBeam splitterLaser相位調(diào)整器object beamBeam splitterCCDLaserPhotographic plate(b) Digital holographyreference beam數(shù)字全息技術(shù)與傳統(tǒng)光學全息技術(shù)的比較：圖像記錄26(a) Conventional optical holographyVirtual imageLaser(b) Numerical reconstruction with computer光學全息底片圖像再現(xiàn)27數(shù)字全息術(shù)的優(yōu)點n用光電圖像傳感器記錄全息圖，靈敏度高，響應速度快，因此能夠記錄運動

14、用光電圖像傳感器記錄全息圖，靈敏度高，響應速度快，因此能夠記錄運動物體的各個瞬時狀態(tài)，且對穩(wěn)定性的要求大大降低，擴展了全息術(shù)的應用范物體的各個瞬時狀態(tài)，且對穩(wěn)定性的要求大大降低，擴展了全息術(shù)的應用范圍。圍。n省去了繁瑣的化學濕處理過程，所記錄的數(shù)據(jù)直接由數(shù)據(jù)采集卡經(jīng)省去了繁瑣的化學濕處理過程，所記錄的數(shù)據(jù)直接由數(shù)據(jù)采集卡經(jīng)A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換和量化后送到計算機進行處理，提高了效率，可用于需要實時處理的場合和量化后送到計算機進行處理，提高了效率，可用于需要實時處理的場合; ;n可以直接得到記錄物體再現(xiàn)像的復振幅分布，物體的表面亮度和輪廓分布都可以直接得到記錄物體再現(xiàn)像的復振幅分布，物體的表面亮度

15、和輪廓分布都可通過復振幅得到，因而可方便地用于實現(xiàn)多種定量測量可通過復振幅得到，因而可方便地用于實現(xiàn)多種定量測量; ;n采用計算機數(shù)字再現(xiàn)，可方便地對所記錄的數(shù)字全息圖進行圖像處理，減少采用計算機數(shù)字再現(xiàn)，可方便地對所記錄的數(shù)字全息圖進行圖像處理，減少或消除在全息圖記錄過程中的噪聲等因素的影響。或消除在全息圖記錄過程中的噪聲等因素的影響。282.2 數(shù)字全息技術(shù)的研究現(xiàn)狀 數(shù)字全息技術(shù)的研究非?；钴S,涉及的領(lǐng)域也非常廣泛，涵蓋了形貌測量，微電路檢測，微小粒子檢測，應力場檢測，生物細胞觀測變形和振動測量，顯微成像，記錄運動物體狀態(tài)以及構(gòu)件缺陷無損檢測等領(lǐng)域。 數(shù)字全息檢測的發(fā)展依然是方興未艾，隨

16、著各方面研究的進展，數(shù)字全息檢測也將得到更加廣泛和深入的應用。29數(shù)字全息技術(shù)的可研究方向n提高再現(xiàn)像的像質(zhì)的研究提高再現(xiàn)像的像質(zhì)的研究1 基于數(shù)字圖像處理技術(shù)： 頻域濾波、拉普拉斯算子預處理、頻域濾波、拉普拉斯算子預處理、 全息圖減平均值及數(shù)字相減等全息圖減平均值及數(shù)字相減等n應用研究應用研究n數(shù)字全息顯微技術(shù)n生物醫(yī)學成像技術(shù)n全息無損檢測技術(shù)1.三維細微檢測技術(shù)302.3 數(shù)字全息術(shù)的應用舉例1. 細胞成像312.利用數(shù)字全息實現(xiàn)信息加密利用數(shù)字全息實現(xiàn)信息加密323 輪胎全息無損檢測： 采用全息干涉法，可檢測出輪胎中常發(fā)生的剝落、斷裂帶、脫膠及間隙等缺陷。在兩次曝光之間或者在采用實時干涉法觀察時，稍稍改變輪胎壓力就可以用全息干涉法對輪胎的內(nèi)外表面進行檢測。 辦法是把輪胎放入真空室中，在兩次曝光之間適當改變真空度，即可使整個輪胎形態(tài)發(fā)生輕微變形，并使?jié)B入氣體的脫膠部位凸起，這是檢測輪胎質(zhì)量的最令人滿意的方法，也是全息無損檢測最重要的一個應用事例。333 輪胎全息無損檢測： 圖示