全息技術(shù)-數(shù)字全息術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

數(shù)字全息術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢一、全息照相術(shù)(holography)的起源全息術(shù)最初是由英國科學(xué)家丹尼斯·伽柏（DennisGabor）于1948年提出來的，伽柏并因此在1971年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，當(dāng)初的目的是想利用全息術(shù)提高電子顯微鏡的分辨率，伽柏當(dāng)初使用汞燈作為光源，但是汞燈作為光源還不是很理想，這種技術(shù)由于要求高度相干性及高強(qiáng)度的光源而一度發(fā)展緩慢。第一部分光學(xué)全息術(shù)1960年梅曼（Maiman）研制成功了紅寶石激光器，第二年（1961年）賈范（Javan）等制成了氦氖激光器。從此，一種全所未有的優(yōu)質(zhì)相干光源誕生了。1962年美國科學(xué)家E.N.利思（E.N.Leith）和J.烏帕特尼克斯（J.Upatnieks）用激光器對伽柏的技術(shù)做了劃時(shí)代的改進(jìn)，全息術(shù)的研究從此獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，近40年來，全息技術(shù)的研究日趨廣泛深入，逐漸開辟了全息應(yīng)用的新領(lǐng)域，成為近代光學(xué)的一個(gè)重用分支。二、全息圖（hologram)的分類：

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(shí)際用途

光學(xué)記錄全息圖計(jì)算機(jī)像素全息圖同軸全息圖離軸全息圖單色光全息圖復(fù)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特殊：加密全息圖1、三維立體圖

2、彩色圖片，永不變顏色

3、不可撕毀性（冗余度大）

4、一次拍攝，可以得到兩個(gè)圖像（原始像和共軛象）

5、。。。。。。三、全息圖的基本特點(diǎn)：全息照相普通照相

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(xué)的規(guī)律為基礎(chǔ)的。

普通照相過程是以幾何光學(xué)的規(guī)律為基礎(chǔ)的。

全息圖所記錄的是物體各點(diǎn)的全部光信息，包括振幅和相位。

普通照相底片記錄的僅是物體各點(diǎn)的光強(qiáng)（或振幅）。

全息照相過程中物體與底片之間是點(diǎn)面對應(yīng)的關(guān)系，即每個(gè)物點(diǎn)所發(fā)射的光束直接落在記錄介質(zhì)整個(gè)平面上。反過來說，全息圖中每一個(gè)局部都包含了物體各點(diǎn)的光信息。

普通照相過程中物像之間是點(diǎn)點(diǎn)對應(yīng)的關(guān)系，即一個(gè)物點(diǎn)對應(yīng)像平面中的一個(gè)像點(diǎn)。

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真的立體圖像。

普通照相得到的只能是二維的平面圖像。

全息照相是干涉,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)越大，就能越有效地實(shí)現(xiàn)全息照相。

普通照相只是像的強(qiáng)度記錄，并不要求光源的相干性，用普通光源就可以了。全息照相普通照相全息圖片全息圖片全息圖片四、全息過程的基本理論：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象嚴(yán)格的理論指導(dǎo)！1、基本理論

（1）記錄過程：光波的干涉感光記錄介質(zhì)只能記錄光波的振幅（強(qiáng)度）,

只有通過光波的干涉過程，才能將被拍攝物體的全部信息（振幅和位相）以明暗相間的干涉條紋的形式記錄下來。（2）再現(xiàn)（觀察）過程：光波的衍射2、拍攝光路：3、全息過程的數(shù)學(xué)描述（1）記錄過程：

在記錄平面上接收到的光波復(fù)振幅為：所以，求得合光強(qiáng)為：

。。。。（1）等式（1）又可化為：。。。（2）這里，（2）式中的表示物光和參考光的強(qiáng)度之和，表示干涉條紋的反襯度。

另外，根據(jù)光路結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過求解，可以得到干涉條紋的空間頻率：

。。。（3）

例，λ=632.8nm,θ=400

1100條/mm（2）再現(xiàn)過程：全息圖（光柵）光柵衍射！

看圖

設(shè)，再現(xiàn)光波為：，再現(xiàn)出來的全息像的復(fù)振幅分布為：

這樣，就解釋了全息圖的第四個(gè)特點(diǎn)。一般而言再現(xiàn)像是一個(gè)很復(fù)雜的光波（有像差），但是在全息技術(shù)中常常采用特殊的再現(xiàn)方式而使問得到解決.

下面就來具體介紹：◆用參考光作為再現(xiàn)光波（左圖）◆用參考光的共軛光作為再現(xiàn)光波（右圖）再現(xiàn)像的數(shù)學(xué)表達(dá)式[]：

①直射光（再現(xiàn)光）~~~

②原始像（虛像）~~~

③第三項(xiàng)（實(shí)、或虛）~~~膺像：凸、凹正好相反！五、全息圖的實(shí)際應(yīng)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、裝潢和防偽：

產(chǎn)品的包裝、標(biāo)牌和商標(biāo)；飾品；廣告；裝潢；人民幣；銀行卡；居民身份證等。3、全息計(jì)量技術(shù)：（兩次曝光法；時(shí)間平均法）

面內(nèi)和離面位移的測量；殘余應(yīng)力的測量；振動模式測量；氣流分布測量；粒子大小和分布的測量等。4、全息元件：

光柵；透鏡；波帶片等。5、光學(xué)信息處理技術(shù)：

圖像識別；圖像的消模糊和邊緣增強(qiáng)；圖像的假彩色編碼。六、全息技術(shù)的發(fā)展方向和趨勢：1、全息元件：

一些特殊作用的全息元件研制等。2、全息加密技術(shù)：

如何進(jìn)一步提高全息圖的技術(shù)含量。3、全息計(jì)量技術(shù)：（非線性曝光；增加光程差）

如何進(jìn)一步提高測量的精度；干涉條紋的自動識別和判讀的問題。4、白光全息技術(shù)：

克服相干光的缺點(diǎn)（相干噪聲大、能量損失大4%0）提高全息圖質(zhì)量。5、全息技術(shù)的新方法：

隨著計(jì)算機(jī)、光機(jī)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(jì)算全息術(shù)(CGH-ComputerGeneratedHolography)

（2）數(shù)字全息技術(shù)(DH-DigitalHolography)第二部分?jǐn)?shù)字全息術(shù)（DH-DigitalHolography）記錄光學(xué)干涉固體成像器件記錄再現(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬再現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了全息圖記錄、存儲、處理、再現(xiàn)全過程的數(shù)字化。數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)圖數(shù)字全息術(shù)的優(yōu)點(diǎn)由于用光電圖像傳感器記錄全息圖，靈敏度高，響應(yīng)速度快，因此能夠記錄運(yùn)動物體的各個(gè)瞬時(shí)狀態(tài)，并且對穩(wěn)定性的要求大大降低，擴(kuò)展了全息術(shù)的應(yīng)用范圍。省去了繁瑣的化學(xué)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)模/數(shù)轉(zhuǎn)換和量化后送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，提高了效率，可用于需要實(shí)時(shí)處理的場合;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，物體的表面亮度和輪廓分布都可通過復(fù)振幅得到，因而可方便地用于實(shí)現(xiàn)多種定量測量;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程中的噪聲等因素的影響，并可以方便地提取我們感興趣的信息。數(shù)字全息術(shù)存在的問題

由于與傳統(tǒng)全息記錄材料的大尺寸(100mmx100mm以上)和高分辨率(1000線對/mm以上)相比，由于目前記錄數(shù)字全息圖的CCD像素大(大約10umx10um)和光敏面尺寸小(約1/3.2英寸到3/4英寸)，導(dǎo)致數(shù)字全息記錄中的參物光夾角小(小于2度)，采樣頻率低(小于100lP/mm)，在菲涅耳衍射l距離上難以記錄較高空間頻率的物光場，因此數(shù)字全息再現(xiàn)中存在再現(xiàn)像與共軛像分離困難、再現(xiàn)像分辨率低、散斑噪聲大、信噪比和清晰度低等問題，極大地制約了數(shù)字全息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用研究。研究現(xiàn)狀提高再現(xiàn)像的像質(zhì)的研究基于數(shù)字圖像處理技術(shù)（頻域?yàn)V波、拉普拉斯算子預(yù)處理、全息圖減平均值及數(shù)字相減等）基于實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn)

同軸相移數(shù)字全息術(shù)

合成孔徑數(shù)字全息術(shù)彩色數(shù)字全息術(shù)應(yīng)用研究數(shù)字全息顯微術(shù)形變測量、三維形貌測量、粒子場分析與測試、圖像加密、數(shù)字水印、三維圖像識別等領(lǐng)域頻域?yàn)V波法空域微分算子處理法同軸相移數(shù)字全息術(shù)CCDPZTBS1BS2BS3ObjectM1M2M3LPCLaser同軸相移數(shù)字全息術(shù)合成孔徑數(shù)字全息術(shù)彩色數(shù)字全息術(shù)數(shù)字全息顯微術(shù)數(shù)字全息顯微術(shù)與傳統(tǒng)的顯微術(shù)相比能夠記錄和再現(xiàn)物體的三維信息、具有較高的分辨率、對樣本的影響較小、設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)。因此它廣泛應(yīng)用于生物細(xì)胞觀測、微觀粒子成像和跟蹤、聚合物粒子生長檢測、微電路的檢測等多個(gè)領(lǐng)域。瑞士的EtienneCuche在1999年提出了利用單張全息圖同時(shí)數(shù)字重建顯微物體的三維振幅和相位信息，獲得了活體細(xì)胞的三維相位分布，并驗(yàn)證了其動態(tài)特性。2002年瑞士ChristianD.Depeursinge和EtienneCuche取得了0.5μm的橫向分辨率，40nm的軸向分辨率，并得到活性細(xì)胞的三維再現(xiàn)像。2006年，美國南弗羅里達(dá)大學(xué)的C.J.Mann和M.K.Kim，用數(shù)值孔徑N.A=0.65的顯微物鏡對物體放大，得到的再現(xiàn)像的橫向分辨率為0.5μm，軸向分辨率為30nm，使用的再現(xiàn)算法為角譜算法，得到很好的血液細(xì)胞的三維像。2004年，德國Muenster大學(xué)的BjornKemper和DanielCarl使用離軸菲涅耳全息記錄光路記錄人體肝臟腫瘤細(xì)胞的全息圖，放大物體的微物鏡數(shù)字孔徑N.A=0.4，再現(xiàn)算法為非衍射重建法獲得的再現(xiàn)像的橫向分辨率為0.85μm，并得到人體肝臟腫瘤細(xì)胞的三維再現(xiàn)像。在此基礎(chǔ)上，他們用數(shù)字全息顯微鏡檢測在細(xì)胞培養(yǎng)液中的單個(gè)細(xì)胞的折射率，將得到的細(xì)胞折射率信息應(yīng)用于檢測相鄰胰腺腫瘤細(xì)胞的厚度和形狀，并分析了注入藥物后細(xì)胞骨架的反應(yīng)情況。2006年JorgeGarcia-Sucerquia設(shè)計(jì)出一種水下數(shù)字全息顯微系統(tǒng)，用于觀察海洋環(huán)境里的浮游生物2009年EmmaEriksson等人采用自聚焦的方法對細(xì)胞核的運(yùn)動進(jìn)行了觀察，取得了一定的成果。數(shù)字全息水印技術(shù)數(shù)字水印技術(shù)，是指在數(shù)字化的數(shù)據(jù)內(nèi)容中嵌入不明顯的記號。被嵌入的記號通常是不可見的或不易被察覺的，但是通過一些操作可以被檢測或被提取。數(shù)字水印技術(shù)利用數(shù)字作品中普遍存在的冗余數(shù)據(jù)與隨機(jī)性，使水印隱藏在原始數(shù)據(jù)(如:圖像、音頻、視頻數(shù)據(jù))中，成為其不可分離的一部分。數(shù)字水印是一種保護(hù)數(shù)字圖象作品版權(quán)的技術(shù)。數(shù)字全息用于金屬球形貌檢測粒子場數(shù)字全息測量不同再現(xiàn)距離的數(shù)字再現(xiàn)像利用數(shù)字全息實(shí)現(xiàn)信息加密目前常見的光學(xué)信息加密系統(tǒng)可以分為三類，一類是以傅里葉變換系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過在輸入面和頻譜面上放置隨機(jī)相位掩模板，實(shí)現(xiàn)對輸入圖像的加密，這就是典型的雙隨機(jī)相位加密的原理，由于掩模板的隨機(jī)性，系統(tǒng)的保密性較高，在不知道密鑰的情況下，無法對圖像進(jìn)行解密。但因?yàn)樾枰瑫r(shí)記錄下加密圖像的振幅信息和相位信息，所以在解密時(shí)效率不高。第二類是利用迭代相位恢復(fù)算法對圖像進(jìn)行加密，該方法在加密時(shí)，一塊相位掩模板是預(yù)先隨機(jī)生成并固定的，同時(shí)預(yù)先設(shè)定輸出面上的解密圖像，只有當(dāng)輸入的隨機(jī)相位掩模板和迭代計(jì)算出的相位板相匹配時(shí)，才能在觀察面上得到解密圖像。但由于其中一塊相位掩模板是固定的，限制了搜索空間，必然導(dǎo)致解密圖像的質(zhì)量不高，同時(shí)還會存在較大的噪聲。第三類是