1、蘇州大學本科生畢業設計（論文）目錄摘要- 1 -Abstract- 2 -第一章 緒論- 3 -1.1光學全息概述- 3 -1.2數字全息技術的概述- 3 -1.3數字全息技術的應用以及發展狀況- 4 -第二章全息技術的基本理論- 6 -2.1光學全息的原理- 6 -2.1.1全息記錄- 6 -2.1.2再現- 7 -2.2同軸全息與離離軸全息- 9 -2.2.1同軸全息- 10 -2.2.2離全息軸- 11 -2.3數字全息的原理- 12 -2.3.2數字全息的記錄- 12 -2.3.3數字全息的再現- 14 -2.4菲涅耳衍射重現的算法- 14 -2.4.1菲涅耳衍射理論- 14 -2.4

2、.2菲涅耳全息圖的數值重現算法- 15 -2.5本章小結- 15 -第三章數字全息實驗研究- 16 -3.1數字全息光路分析- 16 -3.2平面透明物體的數字全息實驗- 17 -3.2立體三維物體的數字全息實驗- 19 -3.3本章小結- 22 -第四章總結與展望- 23 -參考文獻- 24 -致謝- 25 - 25 -摘要數字全息是利用CCD、CMOS攝像機等數字光敏電子元件來代替普通光學全息中的銀鹽干板記錄全息圖，用計算機模擬光學全息再現過程將物體準確的再現出來。這是一種將全息術、計算機技術和光電成像技術結合起來實現光學全息圖的記錄與再現的新型成像技術。本論文從光學全息的原理出發，介紹了

3、光學全息與數字全息的基本理論，并對二維透明物體與三維立體物體進行了數字全息實驗。關鍵詞：信息光學；光學全息；數字全息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 recon

4、structed 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 o

5、bjects and there-dimensional objects.Keywords: information optics; optical holography; digital holography第一章 緒論1.1光學全息概述1948年英國物理學家伽伯(D.Gabor)為了提高電子顯微鏡的分辨本領而提出了全息原理，并開始了全息照相的研究工作。當時，人們以汞燈作為光源，制作出了同軸全息圖（物光與參考光在同一光路上）。這一時期的全息圖被稱為第一代全息圖，標志著全息術的萌芽。第一代全息圖存在兩個嚴重問題，一個是再現的原始像和共軛像分不開，另一個是光源的相干性太差。因此在這十多年中，全息

6、術進展緩慢。1960年激光的問世，為全息術提供了一種高相干性光源，以及1962年美國科學家利思(Leith)和烏帕特立克斯(Upatnieks)將通信理論中的載頻概念推廣到空域中，提出離軸全息圖，使全息術得到了新生，進入了迅速發展的年代1。他們提出，如果將信號信息（物體衍射的光波）疊加在一個載頻（離軸參考光波）上，則兩個再現的光波應當就是這個過程的邊帶，并且可以彼此分開。從光學的觀點看，如果使物體衍射的光波與一個離軸的（而不是蓋伯那種同軸的）參考光波相干，則所形成的全息圖就相當于是一種光柵結構的形式。再現過程將給出兩個光波。即為光柵的兩個一級衍射波。人們應用這個原理，用離軸的參考光與物光干涉形

7、成全息圖。這就是離軸全息術，這是全息術發展的第二階段。第二代全息術解決了光源的問題，并且在立體成像、干涉計量檢測、信息存貯等應用領域中獲得巨大進展。到1964年后期，全息術幾乎成了光學研究中最活躍的領域。在此期間，各種不同的全息方法相繼提出，如各種彩色全息術、虹全息以及白光再現合成全息等。1.2數字全息技術的概述1967年，J.W.Goodman和R.W.Lawrence將全息術、計算機技術和光電成像技術結合起來實現光學全息圖的記錄與再現，這就是數字全息技術的思想2。由于受到數字全息技術對于計算機性能和電子成像記錄設備精度的制約，此后相當長時間內，數字全息技術沒有太大進展。直到二十世紀九十年代

8、中期，隨著計算機技術的飛速發展和電荷耦合器（charge coupled device, 簡稱CCD）等高質量數字光敏元件的出現，數字全息才有一些突破。1994年，U. Schnars 和W. Juptner利用CCD直接記錄并用計算機數字再現菲涅耳全息圖。其實，數字全息與光學全息不一樣的地方，就是數字全息利用如CCD、CMOS攝像機等數字光敏電子元件來代替普通光學全息中的銀鹽干板來記錄全息圖，用計算機模擬光學全息再現過程使物體準確的再現出來。另外，數字全息分為記錄和再現。物光波和參考光波互相干涉形成干涉條紋，用CCD采集干涉條紋，經模數轉換后得到全息圖的數字矩陣形式，即數字全息圖，并存儲在計

9、算機內。接著，利用傅里葉變換或者菲涅耳衍射公式的變換，對數字全息圖進行數值再現，即用計算機模擬光學全息圖的再現過程，獲得光場的復振幅分布，在計算機屏幕上顯示出強度分布和相位分布，從而得到物體的再現像。由于數字全息圖的記錄過程中會產生圖像畸變，為了得到更好的再現結果，一般情況下，在對數字全息圖進行計算機再現之前會對圖像的畸變進行補償消除，如圖像幾何變形、光電探測器轉換的非線性、隨機噪聲，包括調整全息圖條紋的對比度。與傳統的光學全息相比，數字全息有其突出的優點。數字全息最大的特點就是利用CCD等數字光敏電子元件作為記錄介質，代替了傳統光學全息中利用銀鹽干板作為記錄介質，省去了定影、顯影、漂白等一系

10、列化學濕處理過程，使整個記錄過程變得數字化，因此，可以很方便的加入數學處理方法，消除相差、噪聲以及干板特性曲線的非線性等因素帶來的影響，提高全息圖的質量。數字全息的再現過程用計算機處理，縮短了再現周期，可以快速、實時的進行獲取和處理。數字再現全息圖得到的是物光場的復振幅分布，可以定量的得到被記錄物體再現像的振幅和相位信息，從而實現了各種復振幅的運算和操作，可以方便的進行多種測量。數字重建還可以方便地進行數字聚焦，容易實現三維觀測。利用數字全息圖，可以實現全息圖的相加減、增減背景圖像、圖像疊加等操作。數字全息圖以數據的形式保存在計算機中，可方便的進行存儲、復制和傳輸，大大增強了全息圖的可移植性。

11、以上這些，在傳統的光學全息中基本上都是很難做到的，而數字全息卻能在很短的時間內完成，說明了數字全息有很強的實用性。然而，數字全息卻也存在一些難以忽視的缺點。現有CCD的像素遠遠不及傳統光學全息用到的干板的像素，因而在全息記錄過程中必須嚴格控制物光波與參考光波的夾角。另外，由于CCD的靶面有限，影響了被記錄物體的大小、再現像的景深以及再現像的清晰程度。1.3數字全息技術的應用以及發展狀況近些年來，由于CCD的分辨率越來越高，對數字全息理論方面的研究以及去除再現像的散斑噪聲的研究越來越多，數字全息的應用范圍也越來越廣，主要應用涉及以下幾個方面：（1）數字全息干涉度量學：記錄物體變化前后的數字全息圖

12、，利用數字全息技術再現物體變化前后的光場復振幅分布，通過計算變化前后的相位差，就可以得到物體的變化信息。如將數字全息應用于力學變形測量。（2）數字全息形貌測量：利用全息術再現物體的形貌進行測量一直是研究的熱點，利用光學全息已經能很好的再現物體的形貌，然而，數字全息的出現，克服了光學全息的缺點，能夠更加方便快捷實時的對物體的形貌進行測量。（3）數字全息顯微7：數字全息技術特別適合顯微成像和測量，目前，在數字全息顯微方面的研究很多。（4）數字全息防偽加密技術9：利用數字全息對圖像進行加密和解密，提高了印刷品的防偽能力。（5）數字全息粒子場測試8：全息術應用于粒子場測試是全息術的一個重要應用。傳統的

13、方法大多是利用光學全息方法記錄和再現粒子場，然后采用計算機進行逐層掃描分析。而數字全息進行粒子場測試則是利用快速傅里葉變換(FFT)或卷積運算得到粒子場的數字再現，通過數字聚焦，可以得到粒子場在不同焦平面上的分布。（6）相移數字全息：在數字全息記錄過程中拍攝多幅數字全息圖，采用相移技術算法，對多幅數字全息圖進行運算，可以消除零級像和共軛像。該方法同軸全息與離軸全息均適用，去除零級像與共軛像的效果也好，只是記錄的時候必須記錄多幅全息圖。第二章 全息技術的基本理論2.1光學全息的原理 普通照相是應用幾何光學與透鏡系統，將三維物體成像在二維底片上。實際上物光所帶的物體信息是由光波的振幅（光強度）和相

14、位兩個方面組成的。普通照相只能記錄物體的光波振幅，但全息照相可以同時記錄光波的振幅與相位。全息照相利用光的干涉把物光波的振幅和相位記錄下來，再利用光的衍射，使物光波在一定條件下再現，其過程分為記錄和再現兩步5。2.1.1全息記錄 圖2.1 全息圖的全息記錄將激光器輸出的光束分為兩束，一束投射到物體上，經物體反射或透射，產生物光波，到達感光板；另外一束投射到感光板上，稱為參考光波。參考光與物光相干疊加，在感光板上形成干涉條紋，其光強的分布不僅取決于振幅，而且取決于相位差，這張記錄有干涉圖樣的底片就是一張全息圖。用眼睛直接觀察全息圖，它只是一張灰蒙蒙的片子，沒有任何被照物體的任何形象。 光源S在空

15、間某點P的光振動為： （2-1） 其中r為P點到光源S的距離，為光波自光源S傳到P點引起的相位。利用尤拉公式把上式簡諧波函數寫成復數形式 （2-2）（2-2）式中稱為復振幅。在全息圖上建立xy坐標，則 所以光波在底片上的復振幅分布為： （2-3）其中為振幅,為相位。所以物光波復振幅函數為： (2-4)參考光波復振幅函數為： (2-5)所以總光強為： （2-6）（2-6）式中的前兩項是物光和參考光的強度分布，基本上是常數，作為偏置項，僅與振幅有關，與相位無關。第三項是干涉項，包含了物光波的振幅和位相信息。參考光波作為一種高頻載波，它的振幅和位相都受到物光波的調制，干涉條紋則是參考光波的振幅和相位

16、受到物光波調制的結果。參考光波的作用正好是完成了物光波波前的位相分布轉換成干涉條紋的強度分布的任務。最常用的作為全息記錄感光材料的是由細微粒鹵化銀乳膠涂敷的超微粒干板，即全息干板。它的作用相當于一個線性變換器，它把曝光期間內的入射光強線性地變換為顯影后負片的振幅透過率。一般的，全息圖的振幅透過率可記 （2-7）式中，和均為常數，為曝光時間和之乘積。將(2-6)式代入(2-7)式，則 （2-8） （2-8）式中，,，如果參考光波是平面波，表示均勻的偏置透過率。2.1.2再現為了觀察所記錄的物體圖像，需要相干的再現光波照射全息圖。全息圖可以當成一塊復雜的光柵，再現光波經全息圖衍射后，就含有再現的物

17、光波，觀察者迎著再現光波的方向，透過全息圖就可以看到物體的虛像。全息圖猶如一個窗口，當人們移動眼睛從不同角度觀察時，就好樣面對原物一樣看到它不同側面的形象。因此，再現就是一個衍射過程。用一束復振幅分布為的相干光波照射全息圖，則透過全息圖的光場為： （2-9） (2-10) 由(2-10)可以看出，中系數，這兩項均為常數，它們的作用僅僅改變再現光波C的振幅，不能改變的相位。另外，中系數也只能調制再現光波的振幅信息，這實際上是再現光波經歷分布的一張底片的衍射，使再現光波多少有些離散而出現雜光，這是一種“噪聲”，實驗上可以采取一定的手段來減小這種噪聲。總之，和基本上保留了照明光波的特性，是全息圖衍射

18、場中的零級光波。包含了物光波信息，包含了物光波的共軛信息。下面，利用不同的再現光波進行波前重建。1. 用原參考光波進行再現，即，則此時 (2-11) (2-12)是均勻的再現光波光強，因此，是原理物光波波前的準確再現，可以觀察到物體的虛像，如圖2.2所示，這一項是全息圖衍射光場中的級光波。由于的位相因子一般無法消除，會成為并不嚴格與原物鏡像對稱的匯聚波，觀察到的是實像，由于受到的調制，實像會變形，這一項是全息衍射光場的級光波。只有當照明光波和參考光波都是正入射的平面波時，和的系數都是實數，全息圖衍射場中的級光波才嚴格地鏡像對稱。 圖2.2 用原參考光波再現2. 用原參考光波的共軛光波進行再現，

19、即，則此時 (2-13) (2-14)這時，再現原始物體的虛像由于受到的調制，虛像會變形，產生畸變。而再現了物光波前的共軛波，給出了原始物體的一個實像，但是出現了景深反演，即原來近的部位變遠了，原來遠的部位變近了，通常稱之為贗實像，如圖2.3所示。圖2.3 用共軛參考光波再現2.2同軸全息與離離軸全息如上分析可知，對全息圖進行再現時會產生四個分量，能否將它們分離并提取出原物光波的有效信息就成了整個全息技術的關鍵，而這很大程度上是依賴于實驗所采用的記錄光路。2.2.1同軸全息所謂同軸全息圖，即物光波與參考光波處于同一軸上。如圖2.4所示為同軸全息圖的記錄與再現過程。(a) (b)圖2.4 同軸全

20、息圖的記錄與再現：(a)記錄；(b)再現伽伯(D.Gabor)最初所提出和實現的全息圖就是一種同軸全息圖。在同軸全息中，物光波與參考光波之間的光軸夾角為零。記錄同軸全息圖的光路如圖2.4(a)所示。若用一平面光波垂直照射全息圖，則衍射光場在2-10式的四項分量中，第一項是透過全息圖的受到均勻衰減的平面波;第二項正比于弱的散射光的光強，可以忽略不計;第三項正比于物光波復振幅，再現了原始物光波前，產生原始物體的一個虛像;第四項則在全息圖另一側與虛像對稱位置產生物體的實像，如圖2.4(b)所示。而這四項分量都在同一方向傳播，其中直接透射光波大大降低了像的襯度，且虛像和實像相距，構成不可分離的孿生像。

21、當對實像聚焦時，總是伴隨一離焦的虛像。孿生像的存在也大大降低了再現像質量。另外，因為同軸全息圖是由透射光場相干而成，其最大的局限還在于我們必須假定物體是高度透明的，否則第二項場分量將嚴重影響響的質量。這一假定極大地限制了同軸全息術的應用范圍。2.2.2離全息軸離軸全息圖，即偏斜參考光全息圖，物光與參考光成一定的夾角投射到全息記錄介質上。圖2.5所示為離軸全息圖的記錄與再現。離軸全息圖不僅可以消除同軸全息圖中共軛像的干擾，還能使成像光波不與零級衍射光波重疊。(a)(b)圖2.5 離軸全息圖的記錄與再現：(a)記錄；(b)再現為了消除同軸全息圖孿生像的相互干擾，美國Michgan大學的E.N.Le

22、ith和J.upatnieks于1962年提出離軸全息圖記錄方法，也叫做偏斜參考光全息術，其記錄光路如圖2.5(a)所示。準直光束一部分直接照射振幅透過率物體，另一部分經物體之上的棱鏡P偏折，以傾角透射到全息干板上。全息干板上的振幅分布即為物體透射波和傾斜參考波疊加的結果。在實際情況下，只要選擇適當的物參夾角，就可以在全息圖再現的時候令其衍射光場的零級衍射光和級衍射光在方向上相互分離，從而提高再現像的襯度，也使得孿生像之間不會發生干擾。這也正是離軸全息的最主要的優點。再現的光路如圖2.5(b)所示。2.3數字全息的原理與傳統的光學全息相比，數字全息可以消除噪聲以及記錄過程中底片非線性等因素的影

23、響，整個過程簡單，有利于進行定量分析和測量;并且便于圖像的數字化儲存和實時處理，有利于全息術更廣泛的應用。2.3.2數字全息的記錄圖2.6為數字全息的記錄和再現原理圖，平面是物平面，平面是全息圖平面，也就是CCD靶面所在的位置，平面是再現像平面。全息記錄平面和再現像平面到全息圖平面的距離分別為和。就是物體至CCD靶面的距離。圖2.6 數字全息的記錄和再現原理設全息記錄平面上的物光波和參考光波的復振幅分布分別為和，則全息記錄平面上干涉條紋的強度分布為： (2-15)數字全息的記錄介質是CCD，而CCD記錄的是離散的光強分布。一個CCD攝像機拍攝圖像質量的好壞取決于像素密度、像素的大小以及像素的深

24、度等因素。單位面積的像素數目亦即像素密度決定了所拍攝圖像的分辨率。圖像的分辨率可以表示為一塊CCD芯片所能夠捕獲的影像信息的數量。像素的數目越高，圖像分辨率就越高，圖片/影像質量也越好。芯片所能夠提供像素的尺寸，是鑒別影像質量以及最終圖像輸出尺寸的最容易的方法。像素的尺寸范圍通常在幾微米到十幾微米之間。像素的尺寸越小，芯片所具有的分辨率越高。除了以上有關CCD芯片的尺寸之外，采集到的圖像的質量還受像素的深度影響，像素深度又稱比特深度，它是一幅圖像中為描繪每一個像素所能夠給予的比特數量，決定了圖像的灰度等級。比特深度越大，就可以使圖像表現出更多的細節和層次。另外，CCD還存在著散粒噪聲、轉移噪聲

25、和熱噪聲等問題，所以在實驗和數據處理過程中，也需要考慮這些因素，以減少其對實驗結果帶來的負面影響。如圖2.7是CCD的像素結構的示意圖。CCD的尺寸為，橫向和縱向的像素數分別為和，稱為CCD的填充因子，和分別是像素的橫向和縱向間距，則像素的尺寸為。圖2.7 CCD的像素結構設為像素的積分孔徑，通常CCD的孔徑為矩形形狀，CCD的孔徑表示為，則像素的積分孔徑為： (2-16)則數字全息記錄平面(即CCD靶面)上干涉條紋的強度分布為： (2-17)式中*表示卷積。由上式可見，CCD的積分效應使得CCD對全息圖的記錄不是一個理想的采樣過程。一般情況下，CCD靶面的像素間隔不到單個像素尺寸的1%，因此

26、，可忽略CCD像素之間的間隔，即，則，上式可變為： (2-18)若再不考慮CCD象元在采樣過程中的積分效應，則CCD靶面上干涉條紋的強度分布為： (2-19)CCD記錄的干涉光強由數據采集卡采集并量化后送到計算機中保存起來，其結果是一個數值矩陣，稱為數字全息圖。2.3.3數字全息的再現設再現光波的復振幅為，則其離散形式為： (2-20)用該再現光波再現數字全息圖后，其透射光波場可表示為： (2-21)其中上角標代表復共軛。其相應的離散形式為： (2-22)與光學全息一樣，數字全息圖再現后，仍然有四項。前兩項是全息圖衍射場中的零級光波。第三項包含了物光波信息，是級像。第四項包含了物光波的共軛信息

27、，是級像。2.4菲涅耳衍射重現的算法 全息的記錄是一個干涉過程，再現是一個衍射過程，在第三章中的實驗中，我們將用此算法重現圖像。2.4.1菲涅耳衍射理論幾何光學的基本定理光沿直線傳播，只是光的波動理論的近似。作為電磁波，光的傳播需要應用衍射理論才能準確說明。衍射是波傳播過程的普遍屬性，也是光具有波動性的表現。而我們本文所討論的全息成像理論也正是建立在菲涅爾衍射基礎之上的，所以有必要先對光波的菲涅爾衍射理論作一簡要的回顧探討。當一束光波傳播經過一個孔徑平面，在孔徑后的衍射光場中，不同平面上會出現不同的光波圖樣:在緊靠孔徑后的平面上，光場分布基本與孔徑的形狀相同，這個區域稱為幾何投影區;隨著傳播距

28、離的增加，衍射圖樣與孔的不相似性逐漸增加，這個區域稱為菲涅爾衍射區，或者稱為近場衍射(相對于夫瑯和費衍射，亦即遠場衍射)。2.4.2菲涅耳全息圖的數值重現算法從CCD記錄光波場，到以數字形式存儲全息圖，再到數值重現全息圖，數字全息技術的這一過程可以看作是一個數字化的相干光學成像系統，它能產生一個復波場，而這個復波場是被原始物體折射或衍射的像。對于這個成像系統，只要在物場給定一個輸入函數，就能在像場得到一個輸出函數。對于圖2.6所示的坐標關系，根據菲涅耳衍射公式 （2-23）可以得到物光波在全息平面上的衍射光場分布為: （2-24）其中,在全息平面上，設參考光波的分布為，則全息平面的光強分布與為

29、: (2-25)其中上角標代表復共扼。用于參考光波相同的重現光波照明全息圖時，全息圖后的光場分布為。2.5本章小結本章介紹了光學全息的基本原理，并對其中的同軸與離軸系統分別作了分析，還介紹了數字全息的基本原理，并講解了CCD的結構。第三章 數字全息實驗研究在此章中，我們將應用上面所講的原理，做一些數字全息實驗，在這些實驗中，我們均將采用離軸系統。3.1數字全息光路分析由于數字全息是使用CCD代替全息干板來記錄全息圖，因此想要獲得高質量的數字全息圖，并完好地重現出物光波，必須保證全息圖表面上的光波的空間頻率與記錄介質的空間頻率之間的關系滿足奈奎斯特采樣定理，即記錄介質的空間頻率必須是全息圖表面上

30、光波的空間頻率的兩倍以上。但是，由于CCD的分辨率比全息干板等傳統記錄介質的分辨率低得多，而且CCD的耙面面積很小，因此數字全息的記錄條件不容易滿足，記錄結構的考慮也有別于傳統全息。目前數字全息技術僅限于記錄和重現較小物體的低頻信息，且對記錄條件有其自身的要求，因此要想成功地記錄數字全息圖，就必須合理地設計實驗光路。設物光和參考光在全息圖表面上的最大夾角為，則CCD平面上形成的最小條紋間距為： （3-1）所以，全息圖表面上光波最大空間頻率為： （3-2）一個給定CCD象素大小為，根據采樣定理，一個條紋周期要至少等于兩個象素周期，即，記錄的信息才不會失真。由于在數字全息的記錄光路中，所允許的物光

31、和參考光的夾角很小，因此，有 （3-3）所以， （3-4）從式2-18中可以看到，在數字全息圖的記錄光路中，參考光與物光的夾角范圍受到CCD分辨率的限制。由于現有的CCD分辨率比較低，因此只有盡可能地減小參考光和物光之間的夾角，才能保證攜帶物體信息的物光中的振幅和相位信息被全息圖完整地記錄下來。一般來說當下列條件滿足時，在CCD平面上的所有點都能滿足夕足夠小，達到抽樣定理的要求:（1）物體的橫向尺寸很小。（2）物體被放在離CCD很遠的地方。（3）被大物體折射的光波場通過一個透鏡被光學壓縮。與傳統全息記錄材料相比，一方面，由于記錄數字全息的CCD耙面尺寸小，僅適應于小物體的記錄;另一方面，目前數

32、字記錄全息圖的CCD象素尺寸大，分辨率低，使記錄的參物光夾角小，因此只能記錄物體空間頻譜中的低頻部分，從而使重現像的分辨率低，像質較差。綜上，在數字全息中要想獲得較好的重現效果，需要綜合考慮實驗參數，合理地設計實驗光路。3.2平面透明物體的數字全息實驗設計實驗光路如圖3.1所示。圖3.1 數字全息實驗光路、為全反鏡，為分束鏡，、為擴束透鏡，、為準直透鏡，BS是分光棱鏡。He-Ne激光經過后被分為兩束光：一束光準直之后照射在二維透明物體上，再由物體透射后經過BS照射到CCD靶面上；另一束光經準直直接由和BS反射后也照射到CCD靶面上，形成數字全息記錄光路。圖3.2為平面透明物體的數字全息實驗光路

33、。圖3.2平面透明物體的數字全息實驗光路在本實驗中，我們選用光柵作為平面透明物體，其中圖3.3為實驗得到的全息圖，圖3.4為全息圖再現后得到的影像，圖3.5為再現圖的強度分布。圖3.3光柵的全息圖圖3.4全息再現圖圖3.5再現圖的強度分布3.2立體三維物體的數字全息實驗圖3.6立體三維物體的實驗光路圖立體三維物體的實驗光路圖如圖3.6所示，、為全反鏡，為分束鏡，、為擴束透鏡，為準直透鏡，BS是分光棱鏡。He-Ne激光經過后被分為兩束光：一束光準直之后經反射照射到上，再經過BS照射到CCD靶面上；另一束光由反射到上，再照射到物體上，再經BS反射后也照射到CCD靶面上，形成全息記錄光路。圖3.7為

34、立體三維物體的數字全息實驗光路。在本實驗中，我們選用一分錢硬幣作為立體三維物體，其中圖3.8為實驗得到的全息圖，圖3.9為全息圖再現后得到的影像，圖3.10為再現圖的強度分布。圖3.7三維立體物體的數字全息實驗光路圖3.8一分錢硬幣的全息圖圖3.9再現后的圖像圖3.10再現圖的強度分布3.3本章小結在本章中，我們對數字全息實驗光路做了基本分析，并分別對平面透明物體與三維立體物體進行了數字全息實驗，并用菲涅耳衍射算法重現了圖像。在實際應用中，平面透明物體比較容易成像，但三維立體物體的成像效果比較差，此時，我們可以采用多光束數字全息技術，能夠成功地同時再現三維物體的多個表面。得到的全息圖也都有干擾

35、，我們可以用相移技術，頻域濾波法等方法去除零級像，再用雙線性插值，中值濾波等方法來減弱再現像的散斑噪聲，這樣得到的再現像就比較清晰。第四章 總結與展望本文講述光學與數字全息的基本理論，并分別對二維透明物體和三維不透明物體進行了實驗。在實驗中由于條件限制，成像可能不清楚。我們可以多光束照射，無直透光和共軛像的處理方法，用分辨率更高的CCD，雙線性插值和中值濾波的方法去除了再現像的散斑噪聲。當然，目前的全息技術也有著局限性，它對環境與光源的要求非常高，導致它只能在實驗室等少數地方使用。數字全息就其實現方式和效果上都有許多優愈傳統全息的方面。從實現上看，近年來，隨著計算機的改進，計算機的軟件功能已經

36、很強大了，再加上計算機的硬件配置的優化。要模擬或者是直接記錄幾幅全息圖到計算機中進行數字化，已經是很方便的了。這是其一，其二是計算機的圖象處理功能也很強大了，要把一幅全息圖用計算機模擬再現出來也不是一件難事，這樣一來，數字全息的發展將會很有優勢，會很快的發展起來。而且數字全息還有它的優越之處就是可以在數字化分析和圖像處理的基礎上，可以很容易地消除像差，也可以用相減的辦法計算出誤差，而不是象傳統全息那樣只能夠用肉眼來觀察。因此，數字全息的應用將更加的廣泛，如細胞的數字全息圖的再現算法，也將使得數字全息在生物、醫學等方面作出新的貢獻；在紙幣上加上水印防偽；對珍貴物品進行數字全息拍攝，可以詳細記錄物體信息，并建立數字信息；隨著彩色全息技術的完善，未來的照片與電影技術都面臨著巨大的變