数字全息术及其应用.pdf

数字全息术及其应用目录-全息技术概述及其原理 二数字全息技术2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1、1全息技术(holography)的起源L最初由英国科学家后尼斯伽柏(Denn%Gabor)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。I96 0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估计，从而能实现对漫 反射物体的全息干涉计量。Dennis Gabor 1960年梅曼研制成功了红宝石激光器。1961年贾范等制成了氨怎激光器，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。Is 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才巴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。光材料的是由银乳胶涂2全息技术的原理7Is 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，即原始象和共车厄象。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 过多次曝光还能够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。2全息技术的原理9L 3全息图的分类及特点1、按着制作方法光学记录全息图 计算机像素全息图2、按着光路结构同轴全息图 离轴全息图3、按着再现方式4、按着实际用途色全图 复光息f单色光全息图r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 I多通道全息图 普通检测,存储等 特别:加密,防伪等11Is 4全息图的基本特点:1、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，能够得到两个图像:原始像和共 辗象。12全息照相普通照相全息照相过程分记录、再现两普通照相过程是以步,它是以干涉、衍射等波动光学几何光学的规律为基的规律为基础的。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 所发射的光束直截了当落在记录 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。13全息照相普通照相能完全再现原物的波前,因而能观察到一幅特别逼确实立体图像。普通照相得到的只 能是二维的平面图像。全息照相是干涉，因此要求光源有特别高的相干性。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 源就能够了。14全息图片162h(x,y)=u(x,y)r(x,y)-w(x,y)2+r(%,y)2+(羽(羽=U1+U2+U3+U4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，第四像为共趣像。采纳如下形式的球面光波作为再现光波C(%,y)=exp-广仁+力 2-2可在在。处的像平面0 y，.上得到等大、对称分布的实原始像和实共拆像。再现光场的复振幅分布为。,(七，yj=exp(xz2+y)F/z(x,y)2-3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,能够推得重建 的实原始像的复振幅分布为o（一七+芍，y+力）考（、由式能够得到再现像的强度和位相分布如下:4（4必）=，）2-42-54（x，y）=arctanIm（o（埠Re（o（七,2-6在数字全息成像技术中，若采纳反射光路，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。Is 5全息图的实际应用：1、全息图像显示：照片;图片油B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;残余应力测量方辰动模式测量;气流分布 测量;粒子大小和分布测量等。4、全息、元彳牛: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。20Is 6全息技术的发展方向:1、全息元件：一些特别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%o）提局全息图质量。211.1.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。计算全息术(CGH puter GeneratedHolography):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 2数字全息技术(DHDigital Holography)22第二部分数字全息术(DH-Digital Holography)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231数字全息技术的原理百的含用CCD/CMOS记录全息鼠可实时再现遇确 实三维物体。酬的融字化,剧飒网络实时传输和异地显am示,面啊幽喇喀在生物医学成像、工业无损检测财数字全息技术与传统光学全息技术的比较:(a)Conventional optical holographyLaser 相位调整器(b)Digital holography图像记录I25(a)Conventional optical holography(b)Numerical reconstruction with puter图像再现26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，所记录的数据直截了当由数据采集卡经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；能够直截了当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；采纳计算机数字再现,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。272、2数字全息技术的研究现状数字全息技术的研究特别活跃，涉及的领域也特别广泛,涵盖了形貌测量彳微电路检测彳微小粒子检测，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。28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 1.2.3.4.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2、3数字全息术的应用举例1、细胞成像卵巢癌细胞302、利用数字全息实现信息加密图3.2(a)原始图 图3.2(b)加密图313轮胎全息无损检测:采纳全息干涉法，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纳实时干涉法观 察时，稍稍改变轮胎压力就能够用全息干涉法对轮胎的内外表面 进行检测。方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。323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,要让轮胎转到另一个方位,关于整个轮胎的检测，大约需要拍摄六 张全息图。334、数字全息水印技术数字水印技术，是指在数字化的数据内容中嵌入不明显的记 号。被嵌入的记号通常是不可见的，但通过一些操作能够被 检测或被提取。数字水印技术利用数字作品中普遍存在的 冗余数据与随机性，使水印隐藏在原始数据（如:图像、音频、视频数据）中,成为其不可分离的一部分。数字水印是一种 保护数字图象作品版权的技术。34(b)水印图像 Peppers I.bmp(e)B分量的菲涅耳CGH35感谢您的聆听!