[转载]数字全息与计算全息

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原文地址：数字全息与计算全息作者：低调行者

在相当长的一段时期内，如何同时记录物波所携带的物体的强度信息与相位信息成为困扰光学工作者的一大难题。1942 年，F. Zernike为解决弱相位物体的光学显微成像问题，提出了利用光的衍射特性将物波中不可见的相位信息变换为可见的强度信息的相衬滤波显微原理，并因此获得1953 年度诺贝尔物理学奖，从而开创了光学波前变换的先河。1949 年，D. Gabor[为消除象差、提高电子显微镜的分辨率提出了利用波的干涉和衍射特性记录和重现物波波前的原理，即全息术原理，并因此获得了1971 年度诺贝尔物理学奖。自20 世纪60年代激光器出现以后，光全息术得到了迅速的发展，成为最有效和应用最普遍的一种波前测量方法，在科学研究、工程技术的许多领域都得到了成功的应用。

波前变换就是改变入射波前的振幅和(或)相位分布，使其满足特定的需要。在日常生活和科学研究中广泛使用的球面透镜就是最典型的波前变换器件，用它可以改变入射波前的相位分布，从而实现成像功能。随着科学研究的深入开展，传统的基于几何光学的波前变换已经不能满足日益复杂的波前变换需要。如何灵活地改变入射光波的波前，使其满足不同领域的特殊需要，成为现代光学领域重要的研究内容之一。

波前测量和波前变换，由于都涉及到对光波波前振幅和相位信息的记录和处理，是两个密切相关的问题。例如，一物波和一束参考波相干叠加形成的干涉图样，即全息图，一方面可用来测量分析被记录物波的波前特性，另一方面，它本身又构成了一种特殊的波前变换器件，可以将与参考光相同的入射波前变换成与物波相同的波前。与传统的几何光学变换方式相比，这种基于衍射的波前变换方式具有更大的灵活性。计算全息(CGH Computer-Generated Hologram)或衍射光学元件(DOE－Diffractive Optical Element)就是在此基础上发展起来的新的波前变换器件。随着微加工技术的成熟，衍射光学元件已经成功应用于激光波前整形、X射线显微成像、光记录和光存储设备等许多领域。波前测量和波前变换研究领域的一个最新发展趋势是数字、实时、动态。如用CCD (Charge Coupled Device) 数码相机代替传统的光学记录材料记录全息图，并直接输入计算机进行数据处理和波前信息的提取，这种方法通常又称为数字全息(Digital Holography)。在波前变换方面，通过计算机设计的计算全息图或衍射光学元件，无需利用昂贵费时的微加工工艺进行加工制作，而是直接输出显示到计算机控制的高分辨空间光调制器（本课题主要研究扭曲向列型液晶空间光调制器 TN-LCSLM），实时、动态地改变入射光波的波前。这种数字波前测量和波前变换方法在数字全息显微、三维形貌测量、图像识别、图像防伪和加密和医学诊断、三维层析成像(Tomographic)等研究领域具有广阔的应用前景。

1 数字全息数字全息术(Digital Holography) 采用CCD数码相机代替传统的光学记录材料记录全息图，并直接输入计算机进行数据处理和波前信息的提取。由于采用光敏电子元件作记录介质，数字全息图不需要显影、定影等繁琐的后续处理，因此曝光时间可以很短，适合记录运动物体的全息图；由于采用计算机数字再现，不需要光学元件聚焦就能方便、灵活地再现不同截面上的物波分布；全息图以数据形式存贮在计算机中可移植性大大增强，便于通过计算机编程来消除各种像差、噪声等因素对再现像的影响，提高再现像的像质；更为重要的是数字全息可以分别定量地得到被记录物体再现像的振幅和位相信息。

数字全息与传统全息的最大区别是数字记录与数字再现.数字全息采用的光路与传统全息没有太大区别，区别在于记录过程，数字全息采用数码相机（CCD或者 CMOS）进行记录，全息图以二维数据的形式存储在计算机中，再现过程是通过算法实现的.借助于计算机软件（本人常用MATLAB DIGFFRACTIC）进行数据处理，得到再现的图像.

2 计算全息随着数字计算机与计算技术的迅速发展，人们广泛地使用计算机模拟、运算、处理各种光学过程．在计算机科学和光学相互促进和结合的发展近程中，1965年在美国IBM公司工作的德国光学专家罗曼使用计算机和计算机控制的绘图仪做出了世界上第—个计算全息图．计算全息图不仅可以全面地记录光波的振幅和相位，而且能综合复条的．或者世间不存在物体的全息图，因而具有独特的优点和极大的灵活性．从光学发展的历史上看，计算全息首次将计算机引入光学处理领域．很多光学现象都可以用计算机来进行仿真．计算全息图成为数字信息和光学信息之间有效的联系环节，为光学和计算机科学的全面配合拉开序幕．

光学全息图是直接用光学干涉法在记录介质上记录物光波和参考光波叠加后形成的干涉图样．假如物体并不存在，而只知道光波的数学描述，也可以利用电子计算机，并通过计算机控制绘图仪或其它记录装置(例如阴极射线管、电子束扫描器等)将模拟的干涉图样绘制和复制在透明胶片上．这种计算机合成的全息图称为计算全息图．计算全息图和光学全息围一样，可以用光学方法再现出物光波，但两者育本质的差别．光学全息唯有实际物体存在时才能制作，而计算全息的合成中，最要在计算机中输入实际物体或虚构物体的数学模型就行了．计算全息再现的二维修是现有技术所能得到的唯一的三维虚构像，具有重要的科学意义．

计算全息的发展受到两个木同因素的刺激，一个是全息学的发展处扩极盛时期，另一个是电子计算机控制绘图刚开始普及．罗曼在光学研究方面的成就，加上他在 IBM公司工作，使他很容易地走上了计算全息研究的这条路．据罗曼说，他摘计算全息的动机开始于1965年，那年夏天他在密执安人学暑期班授课时，密执安大学研究所的柯兹马和他谈起用计算机绘制振幅滤波器的问题，同年罗曼征19M工作时，由于激光器坏了，又要做全息因．在危急时刻，他用计算机代替激光器做出了全息图，这是第一个记录振幅和相位信息的计算全息图．虽然他的方法在准确性方面存在一些缺点，但因原理简单，到目前为止初学的人还常常采用他的方法． 1967年巴里斯把快速傅里叶变换算法应用到快速傅里叶变换计算全息图中，并且与罗曼一起完成了几个用光学方法很难实现的空间滤波．显示了计算全息的优越性．1969年赖塞姆等人又提出相息图，1974李威汉提出计算全息干涉图的制作技术．计算全息的主要应用范围是：①二维和三维物体像的显示；②在光学信息处理中用计算全息制作各种空间滤波器；③产生特定波面用十全息干涉计量；④激光扫描器；⑦数据存贮．

计算全息图的制作和再现过程主要分为以下几个步骤：1抽样．得到物体或波面在离散样点上的值．2.计算．计算物光波在全息平面上的光场分布．3.编码．把全息平面上光波的复振幅分布编码成全息图的透过率变化．4.成图．在计算机控制下，将全息图的透过率变化在成图设备上成图．如果成图设备分辨率不够，再经光学缩版得到实用的全息图．5.再现．这—步骤在本质上与光学全息图的再现没有区别．

计算全息的优点很多，最主要的是可以记录物理上不存在的实物，只要知道该物体的数学表达式就可能用计算全息记录下这个物体的光波，并再现该物体的像．这种性质非常适宜于信息处理中空间滤波的合成，干涉计量中产生特殊的参考波面，三维虚构物体的显示等．计算全息制作过程采用数字定量计算，精度高，特别是二元全总图，透过率函数只有二个取值，抗干扰能力强，噪声小，易于复制．要制作一张高空间带宽积的全息图．对计算机的存贮容量、计算速度和成图设备的分辨率都有很高的要求．随着大容量、高速计算机的不断出现，电子束、离子束成团技术的发展，计算全息必将显示更大的优越性，扩展更多的应用领域．

载自：http://scorpioliwei.bokee.com/viewdiary.11713173.html

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