數(shù)字全息綜合實(shí)驗(yàn)

1、數(shù)字全息綜合實(shí)驗(yàn)實(shí) 驗(yàn) 講 義、夕 4,刖百傳統(tǒng)全息實(shí)驗(yàn)通過(guò)干涉記錄與衍射再現(xiàn)描述了物體的振幅與相位信息， 并使用銀鹽或光致聚合物干板做為記錄介質(zhì)，通過(guò)使用不同濃度、溫度的藥液，經(jīng)過(guò)顯影定影，再現(xiàn)物體信息，拍攝過(guò)程對(duì)環(huán)境要求較高，沖洗存在一定的安全隱患，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不方便進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)使用高精度 CMOS!機(jī)和空間光調(diào)制器件（SLM進(jìn)行采集和再現(xiàn)，降低了對(duì)環(huán)境（暗室、防震）的要求，免去了沖洗的不安全隱患，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，如濾波、存儲(chǔ)、傳輸、加密安全等，拓展了全息的應(yīng)用領(lǐng)域，使經(jīng)典光學(xué)再現(xiàn)現(xiàn)現(xiàn)代風(fēng)采。1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康腶. 通過(guò)本實(shí)驗(yàn)掌握數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)原理和方法；b. 通過(guò)本實(shí)驗(yàn)熟悉空

2、間光調(diào)制器的工作原理和調(diào)制特性；c. 通過(guò)本實(shí)驗(yàn)理解光信息安全的概念和特點(diǎn)；2. 實(shí)驗(yàn)原理全息技術(shù)利用光的干涉原理，將物體發(fā)射的光波波前以干涉條紋的形式記錄下來(lái)， 達(dá)到凍結(jié)物光波相位信息的目的；利用光的衍射原理再現(xiàn)所記錄物光波的波前，就能夠得到物體的振幅（強(qiáng)度）和位相（包括位置、形狀和色彩）信息，在光學(xué)檢測(cè)和三維成像領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于傳統(tǒng)全息是用鹵化銀、重鉻酸鹽明膠（DCG和光致抗蝕劑等材料記錄全息圖，記錄過(guò)程煩瑣（化學(xué)濕處理） 和費(fèi)時(shí)，限制了其在實(shí)際測(cè)量中的廣泛應(yīng)用。數(shù)字全息技術(shù)是由Goodma Lawrence在1967年提出的，具基本原理是用光敏電子成像器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)全息記錄材料記錄

3、全息圖，用計(jì)算機(jī)模擬再現(xiàn)取代光學(xué)衍射來(lái)實(shí)現(xiàn)所記錄波前的數(shù)字再現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了全息記錄、存儲(chǔ)和再現(xiàn)全過(guò)程的數(shù)字化， 給全息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用增加了新的內(nèi)容和方法。目前常用的光敏電子成像器件主要有電荷耦合器件 CCD CMO及感器和電荷注入器件CID三類。（一 ）數(shù)字全息技術(shù)的波前記錄和數(shù)值重現(xiàn)過(guò)程可分為三部分：a. 數(shù)字全息圖的獲取。將參考光和物光的干涉圖樣直接投射到光電探測(cè)器上，經(jīng)圖像采集卡獲得物體的數(shù)字全息圖，將其傳輸并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)。b. 數(shù)字全息圖的數(shù)值重現(xiàn)。本部分完全在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，需要模擬光學(xué)衍射的傳播過(guò)程，一般需要數(shù)字圖像處理和離散傅立葉變換的相關(guān)理論，這是數(shù)字全息技術(shù)的核心部分。c. 重

4、現(xiàn)圖像的顯示及分析。輸出重現(xiàn)圖像并給出相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。與傳統(tǒng)光學(xué)全息技術(shù)相比，數(shù)字全息技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是：（1）由于用CC/圖像傳感器件記錄數(shù)字全息圖的時(shí)間，比用傳統(tǒng)全息記錄材料記錄全息圖所需的曝光時(shí)間短得多，因此它能夠用來(lái)記錄運(yùn)動(dòng)物體的各個(gè)瞬間狀態(tài)，其不僅沒(méi)有煩瑣的化學(xué)濕處理過(guò)程，記錄和再現(xiàn)過(guò)程都比傳統(tǒng)光學(xué)全息方便快捷；（2） 由于數(shù)字全息可以直接得到記錄物體再現(xiàn)像的復(fù)振幅分布，而不是光強(qiáng)分布，被記錄物體的表面亮度和輪廓分布都可通過(guò)復(fù)振幅得到，因而可方便地用于實(shí)現(xiàn)多種測(cè) 量； （3） 由于數(shù)字全息采用計(jì)算機(jī)數(shù)字再現(xiàn)，可以方便地對(duì)所記錄的數(shù)字全息圖進(jìn)行圖像處理，減少或消除在全息圖記錄過(guò)程中

5、的像差、噪聲、 畸變及記錄過(guò)程中CC湍件非線性等因數(shù)的影響，便于進(jìn)行測(cè)量對(duì)象的定量測(cè)量和分析。目前 , 數(shù)字全息技術(shù)已開(kāi)始應(yīng)用于材料形貌形變測(cè)量、振動(dòng)分析、三維顯微觀測(cè)與物體識(shí)別、粒子場(chǎng)測(cè)量、生物醫(yī)學(xué)細(xì)胞成像分析以及MEMSS件的制造檢測(cè)等各種領(lǐng)域。雖然國(guó)內(nèi)外在數(shù)字全息技術(shù)方面已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究工作，但對(duì)于這一全息學(xué)領(lǐng)域的最新發(fā)展成果及其相關(guān)知識(shí)的傳播和教學(xué)方面目前明顯落后于科研，在全息學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)上仍然以傳統(tǒng)全息成像方法為主，很少涉及現(xiàn)對(duì)此，我們 ,該系統(tǒng)不僅代數(shù)字全息學(xué)知識(shí)，特別是缺少相關(guān)的數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備 設(shè)計(jì)了可用于數(shù)字全息成像實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣義數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)包含了數(shù)字全息

6、圖記錄、圖像處理、重構(gòu)再現(xiàn)的算法及其學(xué)習(xí)操作軟件系統(tǒng)，還涉及了空間光調(diào)制器在全息再現(xiàn)的應(yīng)用和光信息安全方面的知識(shí)，不但可以演示數(shù)字全息記錄與成像過(guò)程，而且可自主學(xué)習(xí)和研究不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下的數(shù)字全 息成像特性。（二）數(shù)字全息記錄和再現(xiàn)的基本理論數(shù)字全息的記錄原理和光學(xué)全息一樣，只是在記錄時(shí)用數(shù)字相機(jī)來(lái)代替全息 干板，將全息圖儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)內(nèi)，用計(jì)算機(jī)程序取代光學(xué)衍射來(lái)實(shí)現(xiàn)所記錄物場(chǎng) 的數(shù)值重現(xiàn)，整個(gè)過(guò)程不需要在暗室中進(jìn)行顯影、 定影等物理化學(xué)過(guò)程，真正實(shí) 現(xiàn)了全息圖記錄、存儲(chǔ)、重現(xiàn)和處理全過(guò)程的數(shù)字化。a.數(shù)字全息的光路分析由于數(shù)字全息是使用數(shù)字相機(jī)代替全息干板來(lái)記錄全息圖，因此想要獲得高質(zhì)量的

7、數(shù)字全息圖，并完好地重現(xiàn)出物光波，必須保證全息圖表面上的光波的空 問(wèn)頻率與記錄介質(zhì)的空間頻率之間的關(guān)系滿足奈奎斯特采樣定理，即記錄介質(zhì)的空間頻率必須是全息圖表面上光波的空間頻率的兩倍以上。但是，由于數(shù)字相機(jī)的分辨率（約100線/mm）比全息干板等傳統(tǒng)記錄介質(zhì)的分辨率（達(dá)到5000線/mm） 低得多，而且數(shù)字相機(jī)的靶面面積很小，因此數(shù)字全息的記錄條件不容易滿足， 記錄結(jié)構(gòu)的考慮也有別于傳統(tǒng)全息。目前數(shù)字全息技術(shù)僅限于記錄和重現(xiàn)較小物 體的低頻信息，且對(duì)記錄條件有其自身的要求，因此要想成功地記錄數(shù)字全息圖， 就必須合理地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)光路。設(shè)物光和參考光在全息圖表面上的最大夾角為max,則數(shù)字相機(jī)平面上

8、形成2 x的最小條紋間距 emin為:emin2sin max 2所以全息圖表面上光波的最大空間頻率為:f max2sin 2 max 一個(gè)給定的數(shù)字相機(jī)像素大小為 x,根據(jù)采樣定理，一個(gè)條紋周期 e要至 少等于兩個(gè)像素周期，即e 2 x ,記錄的信息才不會(huì)失真。由于在數(shù)字全息的 記錄光路中，所允許的物光和參考光的夾角 很小，因此sin tan ，有：所以max 2 x在數(shù)字全息圖的記錄光路中，參考光與物光的夾角范圍受到數(shù)字相機(jī)分辨率 的限制。由于現(xiàn)有的數(shù)字相機(jī)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(lái)。數(shù)字

9、相機(jī)像素的尺寸一般在 510 m范圍內(nèi)，故所能記錄的最大物參角在24度范圍內(nèi)。只要抽樣定理滿足，參考光可以是任何形式的，可以使用準(zhǔn)直光或是發(fā)散光, 可以水平入射到數(shù)字相機(jī)或是以一定的角度入射。與傳統(tǒng)全息記錄材料相比，一方面，由于記錄數(shù)字全息的數(shù)字相機(jī)靶面尺寸 小，僅適應(yīng)于小物體的記錄；另一方面，目前數(shù)字記錄全息圖的數(shù)字相機(jī)像素尺 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(xiàn)像的分辨率低，像質(zhì)較差。綜上,在數(shù)字全息中要想獲得較好的重現(xiàn)效果，需要綜合考慮實(shí)驗(yàn)參數(shù)，合理地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)光路。 b.數(shù)字全息記錄和再現(xiàn)算法yHXhu xy物平面OhiH Xh, yH記

10、錄面 u x,y重現(xiàn)面圖數(shù)字全息圖記錄和重現(xiàn)結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)系示意圖圖給出了數(shù)字全息圖記錄和重現(xiàn)結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)系示意圖。物體位于xoy平面上 與全息平面XHOHyH相距d,即全息圖的記錄距離，物體的復(fù)振幅分布為u x, y。數(shù)字相機(jī)位于Xh Oh yH面上，h Xh , yH是物光和參考光在全息平面上的干涉光強(qiáng)分布。xo'y'面是數(shù)值重現(xiàn)的成像平面，與全息平面相距d',也稱為重現(xiàn)距離。ux,y是重現(xiàn)像的復(fù)振幅分布，因?yàn)樗且粋€(gè)二維復(fù)數(shù)矩陣，所以可以同時(shí)得到重現(xiàn)像的強(qiáng)度和相位分布對(duì)于圖的坐標(biāo)關(guān)系，根據(jù)菲涅耳衍射公式可以得到物光波在全息平面的衍射光場(chǎng)分布O xH , yH為:O Xh

11、 , yHjkd ej djk2u x, y exp x xH2d2.1y yH dxdy其中為波長(zhǎng)，k 2/為波數(shù)。全息平面上，設(shè)參考光波的分布為R Xh , yH ，則全息平面的光強(qiáng)分布iH Xh )h 為:i H XH , yHO Xh , yHR Xh , yHO Xh ,yHR Xh , yH其中上角標(biāo)*代表復(fù)共腕。用于參考光波相同的重現(xiàn)光波 R Xh , yH全息圖時(shí),全息圖后的光場(chǎng)分布為iH Xh , yHR Xh , yH在滿足菲涅耳衍射的條彳下，重現(xiàn)距離為d'時(shí)，成像平面上的光場(chǎng)分布''u X , y 為:jkd e u x , y j dXh , y

12、Hjk '2R Xh , Yh exp ; X Xh y2dyh2dxHdyH將式中二次相位因子2xXh，2 一y Yh展開(kāi)，則式可寫為:jkd e ；expj dLx'2d2yCj2iH Xh , Yh R Xh, Yh exp 一: Xh d2YhYhY dxHdyHs 1exp j2 r xHx d在數(shù)字全息中，為了獲彳#清晰的重現(xiàn)像，d必須等于d （或者 d）,當(dāng)d d 0時(shí)，原始像在焦，重現(xiàn)像的復(fù)振幅分布為:jkd.'' ej22u x , y exp x yj d dF 1 iH Xh , Yh R Xh , Yh exp2Xh2Yh同理，當(dāng)d

13、9; d 0時(shí)，共扼像在焦，重現(xiàn)像的復(fù)振幅分布為:jkd.' eI22u X , y- expx yj d d22xhyHijF iH Xh , yH R Xh , yH exp - d這樣，利用傅立葉變換就可以求出重現(xiàn)像，這也是稱之為傅立葉變換算法的 原因。在式和式中，傅立葉變換的頻率為：y d根據(jù)頻域采樣間隔和空域采樣間隔之間的關(guān)系，可得:，f _L_ yM XhN yH其中和N分別為兩個(gè)方向的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。所以，全息平面的像素大小和重現(xiàn)像 面的像素大小之間的關(guān)系為：d' dx y M xhN yH式標(biāo)明，重現(xiàn)像的象素大小和重現(xiàn)距離d成正比，重現(xiàn)距離越大，x和y 就越大，分辨

14、率就越低。在數(shù)值重現(xiàn)的整個(gè)計(jì)算過(guò)程中， 數(shù)字圖像的象素總數(shù)是 保持不變的，因此，重現(xiàn)像的整體尺寸也與重現(xiàn)距離有關(guān)， 隨著重現(xiàn)距離的增大 而增大。如果利用數(shù)字圖像處理方法對(duì)全息圖iH Xh，Yh進(jìn)行預(yù)處理，然后再進(jìn)行重現(xiàn)，則可以消除重現(xiàn)像中零級(jí)亮斑以及共扼像 （或原始像）離焦所帶來(lái)的影響。C.數(shù)字全息再現(xiàn)像質(zhì)量提高的方法如果采用離軸方式記錄全息圖，只要在全息圖的記錄過(guò)程中滿足再現(xiàn)像的分 離條件，在重現(xiàn)過(guò)程中就可以使再現(xiàn)像、共扼像和直透光分開(kāi)。但是，數(shù)字全息 在重現(xiàn)時(shí)，除實(shí)驗(yàn)需要的原始圖像外，直透光和共扼像也同時(shí)在屏幕上以雜亂的 散射光形式出現(xiàn)，而且擴(kuò)展范圍很寬，二者的存在對(duì)再現(xiàn)像的清晰度造成很大

15、影 響，特別是直透光，由于占據(jù)了大部分能量而在屏幕的當(dāng)中形成一個(gè)亮斑，致使再現(xiàn)像由于亮度相對(duì)較低，在屏幕上顯示時(shí)因?yàn)樘档率辜?xì)節(jié)難以顯示出 來(lái)。如果能將直透光和共扼像去除，數(shù)字全息的再現(xiàn)像質(zhì)量將會(huì)有大幅度的提高， 應(yīng)用范圍也會(huì)相應(yīng)擴(kuò)大。為了達(dá)到上述目的，目前主要有三類方法可供選擇，第一類方法是基于實(shí)驗(yàn) 方案，如利用相移技術(shù)消除直透光和共扼像。 這種方法不但去除效果好，而且可 以擴(kuò)大再現(xiàn)的視場(chǎng)，但至少需要記錄4幅全息圖，而且實(shí)驗(yàn)裝置比較復(fù)雜，同時(shí) 對(duì)環(huán)境的穩(wěn)定性要求也比較高，更重要的是這種方法不能適用于對(duì)生物細(xì)胞等非 靜止的物體的記錄，因而應(yīng)用范圍受到限制，在這里不做詳細(xì)的介紹。第二類方 法

16、是對(duì)數(shù)字全息圖進(jìn)行傅立葉變換和頻譜濾波，將其中的直透光和共扼像的頻譜 濾掉。這種方法只需要記錄一幅全息圖，但是由于要進(jìn)行一次傅立葉變換和反變 換，不僅浪費(fèi)時(shí)間，而且在運(yùn)算過(guò)程中，有用信息也會(huì)丟失，會(huì)使再現(xiàn)結(jié)果產(chǎn)生 較大的誤差。第三類方法就是應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)，直接在空域?qū)θD進(jìn)行 處理。這種方法不僅處理效果好，而且容易實(shí)現(xiàn)。下面對(duì)后兩類方法做詳細(xì)分析。頻譜濾波法對(duì)于離軸數(shù)字全息圖的頻譜，如果載波的頻率大于成像目標(biāo)的最高頻率的3倍，其零級(jí)亮斑、原始像和共扼像的頻譜是彼此分開(kāi)的，這也為應(yīng)用頻譜濾波法提供了可能性。全息圖的強(qiáng)度分布為：_*Ihx, y R x, yOx, y R x, yO x,

17、y_2 _2_*_*_R x, y O x, y R x, y O x, y O x, y R x, y 對(duì)（14）式的全息圖光強(qiáng)分布I作傅立葉變換可以得到：F IAo fx, fy Al fx, fy fo A2 fx, fy fo22其中，fo為參考光的頻率，Ao fx, fy F Rx,y| O x,y| , *A fx,fy fo F R x, y O x,y , A2 fx, fy fo F O x, y R x, y如果物函數(shù)Ox,y是帶限的，具最高空間頻譜為fmax,帶寬為2fmax,全息 圖的頻譜如圖所示，其中，2B為物體的頻率帶寬，Ao為頻譜平面坐標(biāo)原點(diǎn)上的 函數(shù)和物函數(shù)自相

18、關(guān)頻譜的和，其中心位于原點(diǎn)，但是其帶寬擴(kuò)展到4fmax；Ai 和A2分別表示物光波的 1級(jí)頻譜，其中心分別位于 fo處帶寬為2fmax。圖示可 以看到，當(dāng)滿足條件fo3fmax 時(shí)，Afx,fy、Alfx, fyfo、Afx, fyfo三項(xiàng)在頻譜面上是彼此分離的。將 Ai fx, fy fo取出來(lái)，即物光波的頻譜，再進(jìn) 行逆傅立葉變換，可以得到頻譜濾波后的數(shù)字全息圖， 然后對(duì)其進(jìn)行重現(xiàn)，就能 獲得無(wú)零級(jí)亮斑和共扼像的重現(xiàn)像。該方法充分利用了離軸全息圖頻譜分離這一 特點(diǎn)，從而消除零級(jí)亮斑和共扼像所造成的干擾，具體的操作過(guò)程如圖所示。圖頻譜濾波法的操作流程圖在頻譜濾波法中，濾波窗口的選擇至關(guān)重要，

19、選取的原則是：既要讓物體的 高頻信息通過(guò)，又要最大限度地過(guò)濾掉噪聲，盡量選取較窄的頻譜寬度。實(shí)際上， 物體的頻譜一般主要集中于低頻部分， 而且在頻譜的中心部分強(qiáng)度很大，集中了 很大一部分能量；相對(duì)而言，其它的頻譜成分集中的能量要小得多。 在濾波窗口 中，往往噪聲也被選中作為物場(chǎng)的一部分得以重現(xiàn)，具結(jié)果會(huì)增加噪聲對(duì)重現(xiàn)像 的影響。一般情況下，對(duì)數(shù)字全息圖的頻譜做二維濾波處理， 濾波窗口需要是封 閉的二維圖形，通常用矩形窗口就能得到較好的結(jié)果， 當(dāng)然，濾波窗口也可以是 圓形或者橢圓形的，這需要根據(jù)物體頻譜分布的實(shí)際情況來(lái)確定。利用頻譜濾波技術(shù)，只選擇原始像的頻譜部分用于數(shù)值重現(xiàn)， 可以削弱或消 除

20、零級(jí)亮斑、共扼像以及噪聲的影響，有效改善重現(xiàn)像的質(zhì)量。雖然頻譜濾波法有其突出的優(yōu)點(diǎn)，即只需要拍攝一幅全息圖，不增加實(shí)驗(yàn)裝 置的復(fù)雜性。但是頻譜濾波法需要預(yù)先設(shè)計(jì)濾波器， 而且對(duì)不同的全息圖，濾波 器的參數(shù)也不一樣。一般這種濾波器的參數(shù)需要對(duì)全息圖有先驗(yàn)認(rèn)識(shí)或先對(duì)全息 圖進(jìn)行頻譜分析才能確定，操作過(guò)程比較復(fù)雜，并且要對(duì)全息圖進(jìn)行多次變換操 作，容易造成數(shù)值誤差。數(shù)字相減法如果全息圖頻譜不滿足頻譜分離條件，那么上面的方法就無(wú)法得到不受干擾 的再現(xiàn)像，在這種情況下可以采用全息數(shù)字相減法成功的將直透光消除掉。而且使1級(jí)衍射像保持不變，其基本過(guò)程如下：首先用數(shù)字相機(jī)相機(jī)記錄下全息圖 的光強(qiáng)分布iH ,同

21、時(shí)把離散化的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)， 然后保持光路不變，分別 擋住參考光和物光，用同一個(gè)數(shù)字相機(jī)記錄下他們各自的強(qiáng)度分布Ir和Io ,同時(shí)也把創(chuàng)門輸入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)，最后利用計(jì)算機(jī)程序?qū)ι鲜鏊杉降娜M數(shù)據(jù)進(jìn) 行數(shù)字相減得到iH ,即i H i H IO I Rj r22-其中 Io O x,y , Ir Rx, y ，則iH22*R x, y O x, y R x, y O x, y*2O x, y R x, y O x, y2Rx, y*R x, y O x, y O x, y R x, y因此用數(shù)字對(duì)全息圖進(jìn)行處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字再現(xiàn)時(shí)，在顯示屏上就可以 得到1級(jí)衍射像，而直透光將被消除。數(shù)字

22、相減法對(duì)參考光沒(méi)有什么限制要求， 不論是在球面參考光還是平面參考 光的記錄條件下都可以達(dá)到很好的效果。 數(shù)字相減法最大的缺點(diǎn)就是需要分別采 集和存儲(chǔ)全息圖、物光圖和參考光圖三幅強(qiáng)度圖像，而且在采集此三幅圖像的過(guò) 程中，物光、參考光以及記錄光路都不能發(fā)生變化， 這在快速變化物場(chǎng)的測(cè)盤中 是相當(dāng)困難的。（三）空間光調(diào)制器在光學(xué)再現(xiàn)上的應(yīng)用數(shù)字全息一開(kāi)始的定義是指用電荷耦合成像器件代替普通照相干板來(lái)記錄 全息圖，用數(shù)字計(jì)算方法再現(xiàn)；后來(lái)，數(shù)字全息的范圍擴(kuò)大到計(jì)算機(jī)制全息圖， 光電子再現(xiàn)全息圖等，形成了更廣義的數(shù)字全息。數(shù)字全息術(shù)從記錄過(guò)程來(lái)看可 以分為計(jì)算機(jī)制全息和像素全息兩種：從再現(xiàn)過(guò)程分又可以分

23、為計(jì)算機(jī)再現(xiàn)和光 電子再現(xiàn)。幾種方法互相交叉，目前數(shù)字全息的幾種實(shí)現(xiàn)方式如圖所示：圖數(shù)字全息的實(shí)現(xiàn)方式a.空間光調(diào)制器的簡(jiǎn)介上文中我們已經(jīng)詳細(xì)闡述了，數(shù)字全息在光學(xué)記錄上與傳統(tǒng)全息術(shù)在記錄介 質(zhì)上的區(qū)別，本節(jié)重點(diǎn)介紹廣義數(shù)字全息在光學(xué)再現(xiàn)方面的發(fā)展與革新。在全息技術(shù)發(fā)展的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，人們都是通過(guò)全息干板來(lái)記錄全息干涉圖樣，需要 經(jīng)過(guò)曝光、顯影、定影等化學(xué)處理，過(guò)程費(fèi)時(shí)且復(fù)雜，最大的缺陷是干板的不可 重復(fù)性，一塊干板無(wú)法實(shí)現(xiàn)多幅圖像的轉(zhuǎn)換顯示 ；即便是在計(jì)算機(jī)制全息圖技術(shù) 出現(xiàn)后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，也需要用繪圖儀或激光光束掃描記錄裝置等設(shè)備將計(jì) 算結(jié)果制作成全息圖進(jìn)行再現(xiàn)，無(wú)法實(shí)時(shí)顯示的缺陷仍

24、然存在。 這時(shí)候，空間光 調(diào)制器出現(xiàn)在了全息研究者的視線里。液晶空間光調(diào)制器是一種新興的全息圖的 載體，和傳統(tǒng)的全息記錄介質(zhì)相比，它具有計(jì)算機(jī)接口、操作方便、可實(shí)時(shí)顯示 等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制作工藝的限制， 液晶空間光調(diào)制器在全 息再現(xiàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用也具有傳統(tǒng)介質(zhì)所沒(méi)有的特殊性?？臻g光調(diào)制器是一類能將信息加載于一維或兩維的光學(xué)數(shù)據(jù)場(chǎng)上，以便有效 的利用光的固有速度、并行性和互連能力的器件。這類器件可在隨時(shí)間變化的電 驅(qū)動(dòng)信號(hào)或其他信號(hào)的控制下，改變空間上光分布的振幅或強(qiáng)度、相位、偏振態(tài) 以及波長(zhǎng)，或者把非相干光轉(zhuǎn)化成相干光。由于它的這種性質(zhì)，可作為實(shí)時(shí)光學(xué) 信息處理、光計(jì)算等系統(tǒng)中

25、構(gòu)造單元或關(guān)鍵的器件?？臻g光調(diào)制器是實(shí)時(shí)光學(xué)信 息處理，自適應(yīng)光學(xué)和光計(jì)算等現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵器件。空間光調(diào)制器一般按 照讀出光的讀出方式不同，可以分為反射式和透射式；而按照輸入控制信號(hào)的方 式不同又可分為光尋址（OA-SLMW口電尋址（EA-SLM）。最常見(jiàn)的空間光調(diào)制器是 液晶空間光調(diào)制器，應(yīng)用光-光直接轉(zhuǎn)換，效率高、能耗低、速度快、質(zhì)量好。 可廣泛應(yīng)用到光計(jì)算、模式識(shí)別、信息處理、顯示等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。想定量分析液晶屏對(duì)光的調(diào)制特性， 需要將調(diào)制過(guò)程用數(shù)學(xué)方法來(lái)模擬，液 晶盒里的扭曲向列液晶可沿光的透過(guò)方向分層，每一層可看作是單軸晶體，它的光學(xué)軸與液晶分子的取向平行。由于分子的

26、扭曲結(jié)構(gòu)，分子在各層間按螺旋方式 逐漸旋轉(zhuǎn)，各層單軸晶體的光學(xué)軸沿光的傳輸方向也螺旋式旋轉(zhuǎn)。如圖所示。圖TNLC分層模型在空間光調(diào)制器液晶屏的使用中， 光線依次通過(guò)起偏器R、液晶分子、檢偏 器P2,如圖所示。光路中要求偏振片和液晶屏表面都在 x-y平面上，圖中已經(jīng)分 別標(biāo)出了液晶屏前后表面分子的取向，兩者相差90°。偏振片角度的定義是，逆著光的方向看，1為液晶屏前表面分子的方向順時(shí)針到 P偏振方向的角度，2 為液晶屏后表面分子的方向逆時(shí)針到 B偏振方向的角度。偏振光沿z軸傳輸， 各層分子可以看作具有相同性質(zhì)的單軸晶體，它的Jones矩陣表達(dá)式與液晶分子的尋常折射率no和非常折射率ne

27、,以及液晶盒的厚度d和扭曲角有關(guān)。除此 之外，Jones矩陣還與兩個(gè)偏振片的轉(zhuǎn)角1, 2有關(guān)。因此光波強(qiáng)度和相位的信 息可簡(jiǎn)單表示為T T ,1,2；, 1, 2 ,其中 d neno /又稱為雙折射，它其實(shí)為隱含電場(chǎng)的量，因?yàn)?為非常折射率%的函數(shù)，非常折射 率%隨液晶分子的傾角 改變， 又隨外加電壓而變化。圖SLM光路示意圖目前主流的液晶顯示器組成比較復(fù)雜， 它主要是由熒光管、導(dǎo)光板、偏光板、 濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄膜式晶體管等構(gòu)成。作為空間光調(diào)制 器來(lái)使用時(shí)，通常只保留液晶材料和偏振片。液晶被夾在兩個(gè)偏振片之間，就能 實(shí)現(xiàn)顯示功能，光線入射面的稱為起偏器，出射面的稱為檢偏

28、器。實(shí)驗(yàn)時(shí)通常將 這兩個(gè)偏振片從液晶屏中分離出來(lái)， 取而代之的是可旋轉(zhuǎn)的偏振片，這樣方便調(diào) 節(jié)角度。b.振幅型空間光調(diào)制器作為再現(xiàn)干板的工作原理在全息記錄的過(guò)程中，當(dāng)來(lái)自物體表面的散射光與參考光照射在全息記錄板上時(shí)， 參考光波與物光波進(jìn)行疊加，疊加后形成的干涉條紋圖記錄在全息記錄板上。 由于記錄板上記錄的是曝光期間內(nèi)再現(xiàn)波前的平均能量，也就是說(shuō)記錄板記錄的僅僅是再現(xiàn)波的光強(qiáng)。全息記錄板的作用相當(dāng)于一個(gè)線性變換器，它把曝光期間內(nèi)的入射光強(qiáng)線性地變換為顯影后負(fù)片的振幅透過(guò)率。全息像的再現(xiàn)，只要將上述全息記錄板，用原參考光束照明，就可得到物體的像。在再現(xiàn)的過(guò)程中，全息圖將照射的光衍射成波前，這個(gè)衍射

29、波就產(chǎn)生表征原始波前的所有光學(xué)現(xiàn)象。振幅型空間光調(diào)制器是通過(guò)對(duì)入射線偏振光進(jìn)行調(diào)制后改變其偏振態(tài)，利用入射和出射偏振片的不同獲得不同強(qiáng)度的出射偏振光，因此通過(guò)設(shè)置振幅型空間光調(diào)制器不同像素位置的灰度值，可以改變對(duì)應(yīng)位置出射光的光強(qiáng)。因此可以用振幅型空間光調(diào)制器來(lái)代替再現(xiàn)干板，將記錄時(shí)的的復(fù)振幅透過(guò)率關(guān)系寫入到空間光調(diào)制器的液晶，則參考光被調(diào)制后，便可衍射生成被記錄的物光信息。利用空間光調(diào)制器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的全息干板，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)全息實(shí)驗(yàn)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)全息再現(xiàn)功能。但由于液晶空間光調(diào)制器的有限空間分辨率，全息記錄的條件受到限制，在利用空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)全息再現(xiàn)的系統(tǒng)中，記錄時(shí)參考光角度不能大于由基于

30、LCOS夜晶芯片的SLM分辨率決定的最大值，物體和全息面距離、 物體尺寸都有相應(yīng)較高的要求。同時(shí)考慮再現(xiàn)衍射像分離、提高系統(tǒng)分辨率等因素，上述參數(shù)的選取被限定在一定范圍內(nèi)，以保證獲得較高質(zhì)量的全息像。（ 三 ） 數(shù)字全息在信息安全中的應(yīng)用基于光學(xué)理論與方法的數(shù)據(jù)加密和信息隱藏技術(shù)是近年來(lái)在國(guó)際上開(kāi)始起步發(fā)展的新一代信息安全理論與技術(shù)。并行數(shù)據(jù)處理是光學(xué)系統(tǒng)固有的能力，如在光學(xué)系統(tǒng)中一幅二維圖像中的每一個(gè)像素都可以同時(shí)地被傳播和處理。當(dāng)進(jìn)行大量信息處理時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)的并行處理能力很明顯占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，并且， 所處理的圖像越復(fù)雜，信息量越大，這種優(yōu)勢(shì)就越明顯。同時(shí)，光學(xué)加密裝置比電子加密裝置具有更多

31、的自由度，信息可以被隱藏在多個(gè)自由度空間中。在完成數(shù)據(jù)加密或信息隱藏的過(guò)程中，可以通過(guò)計(jì)算光的干涉、衍射、濾波、成像、全息等過(guò)程，對(duì)涉及的波長(zhǎng)、焦距、振幅、光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)、空間頻率及光學(xué)元件的參數(shù)等進(jìn)行多維編碼。與傳統(tǒng)的基于數(shù)學(xué)的計(jì)算機(jī)密碼學(xué)和信息安全技術(shù)相比，光學(xué)信息安全技術(shù)具有多維、大容量、 高設(shè)計(jì)自由度、高魯棒性、天然的并行性、難以破解等諸多優(yōu)勢(shì)。密碼技術(shù)是信息安全的核心。密碼學(xué)是在編碼和破譯的斗爭(zhēng)實(shí)踐中逐步發(fā)展起來(lái)的， 并隨著先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，已成為一門綜合性的尖端技術(shù)科學(xué)。它與數(shù)學(xué)、語(yǔ)言學(xué)、聲學(xué)、電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)科學(xué)等有著廣泛而密切的聯(lián)系。 隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)不斷滲透到

32、各個(gè)領(lǐng)域，密碼學(xué)的應(yīng)用也隨之?dāng)U大。密碼學(xué)由密碼編碼學(xué)和密碼分析學(xué)兩個(gè)相互對(duì)立又相互促進(jìn)的分支組成。密碼編碼技術(shù)的主要任務(wù)是尋求產(chǎn)生安全性高的有效密碼算法，以滿足對(duì)消息進(jìn)行加密或認(rèn)證的要求。 密碼分析技術(shù)的主要任務(wù)是破譯密碼或偽造認(rèn)證信息，實(shí)現(xiàn)竊取機(jī)密信息或進(jìn)行詐騙破壞活動(dòng)。這兩個(gè)分支既相互對(duì)立又相互依存。正是由于這種對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系， 才推動(dòng)了密碼學(xué)自身的發(fā)展。通常將待加密的消息稱為明文，加密后的消息稱為密文；加密就是從明文得到密文的過(guò)程；合法地由密文恢復(fù)出明文的過(guò)程稱為解密；表示加密和解密過(guò)程的數(shù)學(xué)函數(shù)稱為密碼算法；實(shí)現(xiàn)這種變換過(guò)程需要輸入的參數(shù)稱為密鑰。密鑰可能的取值范圍稱為密鑰空間。密碼算法

33、、明文、密文和密鑰組成密碼系統(tǒng)。由于數(shù)字全息的靈活性，我們將其應(yīng)用于數(shù)字圖像加密領(lǐng)域。依據(jù)上文中提到的數(shù)字全息的記錄和再現(xiàn)的原理，將明文作為物光信息，則全息記錄圖即為密文， 根據(jù)光學(xué)衍射傳播原理，我們可以知道，加密和解密的算法即為菲涅爾衍射算法， 在整個(gè)全息系統(tǒng)中的波長(zhǎng)、再現(xiàn)距離都可以做為密鑰。這樣便構(gòu)成了一個(gè)完整的信息安全密碼系統(tǒng)。在加密時(shí)，我們可以利用計(jì)算全息，在計(jì)算機(jī)中通過(guò)菲涅爾變化計(jì)算生成還有明文信息的物光的衍射全息圖。然后在解密時(shí)，將衍射全息圖寫入到空間光調(diào)制器中，用特定的波長(zhǎng)按照特定的光路，才能在唯一的衍射距離得到我們的明文信息。本實(shí)驗(yàn)中所展現(xiàn)的數(shù)字全息在信息安全中的應(yīng)用，只是一個(gè)

34、非常簡(jiǎn)單的舉例， 主要是幫助學(xué)生理解數(shù)字全息和信息安全的一些基本概念。在實(shí)際科研工作中，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者有著很多非常不錯(cuò)的工作成果。從1995 年 PhilippeRefregier 和 Bahramjavidi 等提出了雙隨機(jī)相位編碼方法開(kāi)始掀起了光學(xué)加密領(lǐng)域的研究熱潮。研究人員隨后提出了一些在雙隨機(jī)相位編碼基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的新方法， 純相位加密，基于分?jǐn)?shù)傅里葉變化的加密方法，基于菲涅耳變換的加密方法、 基于聯(lián)合變換相關(guān)器的加密系統(tǒng)、利用離軸數(shù)字全息的加密系統(tǒng)和利用相移干涉技術(shù)的數(shù)字全息加密系統(tǒng)等。當(dāng)前， 在計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)迅猛發(fā)展的情況下，信息的存儲(chǔ)、傳輸和處理的要求與日俱增，信息安全問(wèn)題的研究是

35、十分有意義的。光學(xué)信息處理有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)：處理速度快、信息容量大、能夠?qū)崿F(xiàn)快速卷積、密鑰空間大，具有并行處理能力等。光學(xué)信息處理在加密與信息隱藏中的研究必有很大潛力。3. 實(shí)驗(yàn)儀器He-Ne激光器、可調(diào)光闌、CMO數(shù)字相機(jī)、空間光調(diào)制器、分光光楔、空間 濾波器、可調(diào)衰減片、反射鏡、計(jì)算機(jī)等。4. 實(shí)驗(yàn)步驟數(shù)字記錄，數(shù)字再現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了將計(jì)算全息與數(shù)字全息相結(jié)合，利用計(jì)算機(jī)模擬全息圖的記錄過(guò)程產(chǎn)生理想物體的離軸菲涅耳數(shù)字全息圖，并由所生成的全息圖重現(xiàn)出物體的像，實(shí)現(xiàn)數(shù)字全息圖記錄和重現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬。具體的操作流程如圖。圖數(shù)字全息記錄和重現(xiàn)流程圖a.點(diǎn)擊“讀圖”加載物體信息，物體圖片尺寸不要超過(guò)1024X 1024。b. 設(shè)置記錄時(shí)的虛擬光路的參數(shù)，衍射距離及參考光夾角。點(diǎn)擊生成全息圖，觀察數(shù)字全息圖。c. 設(shè)置數(shù)字再現(xiàn)時(shí)的再現(xiàn)距離，點(diǎn)擊仿真再現(xiàn)。查看對(duì)比再現(xiàn)圖是否和原圖一致，有何區(qū)別d. 重復(fù)以上步驟，但是修改各個(gè)參數(shù)，觀察每個(gè)參數(shù)對(duì)再現(xiàn)效果的影響，通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)可對(duì)接下來(lái)的其