数字全息原理及应用探讨.doc

1、数字全息原理及应用探讨摘 要数字全息技术在近些年取得了重大的发展成果，其应用范围越来越广、成效越来越大。因此，本文针对数字全息的基本原理进行了细致分析，同时也对数字全息原理的应用做了探讨，以期对相关工作起到参考作用。 关键词 数字全息；基本原理；应用 中图分类号：O438 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）08-0283-01 目前，数字全息技术已经被应用于众多领域中，随着其发展与进步，不但在各个领域中的应用更加深入，而且还有着越来越不可忽视的影响力。因此，需要对数字全息技术的基本原理形成深入认识了解，从其基本原理作为切入点展开数字全息的应用，如此才能不断提高数字全息的技

2、术水平，同时促进其他行业的发展。 一、数字全息的基本原理 （一）数字全息的记录 一般，在记录全息数字的过程中，物体投射或是放射所形成的光波Q（x，y）同记录参考光波 R（x，y）相叠加产生全息干涉图像。全息图强度分布为 H（x，y） ，经过换算最终等于| Q（x，y）|+ |R（x，y）|+Q（x，y）R*（x，y）+R（x，y）0*。其中 0*（x，y）是物光波的共轭光波，R*（x，y）是参考光波的共轭光波。全息记录光路与传统光全息是一致的，只是选择使用相机代替其中的全息干板，以此作为记录介质。数字全息面上的干涉条纹中，其强度分布可以表示为 H（x，y） 。这里面所选择使用的相机记录全息图是

3、离散化的。若设相机的光敏面尺寸为 LxLy，那么像元尺寸就为xy，所以数字全息图也就可以表示成 H（k，l）=H（x，y）rect（）.（X-Kx，y-ly） 。在这个表达式中，k 与 l 都是整数（-|2k|2-1，-Ny|2lNy|2-1） 。考虑 CCD 象元可能存在的积分效应，可以将其假设为 1，基于此就可以将数字全息图表示成 H（k，l）=H（x，y）rect（）comb（）?rect（） 。在这个表达式中*表示的卷积运算，另外 rect（x，y）则是为为矩形函数，而comb（x，y）为梳状函数。 （二） 数字全息再现 具体说来，数字全息再现就是通过光波衍射，利用计算机对光学全息过程

4、中的光衍射进行模拟，以此对光波场的复振幅分布进行确定，从而得出对应的强度像和三维形貌。在数字全息再现的过程中，首先将全息图和参考光波进行相乘，得出物光波场之后，基于标量衍射对像平面的光波分布进行计算。计算出了其分布结果之后，就能进一步对物体的强度像与相位像进行计算。其计算过程为：先假设其中计算机模拟的再现参考光波为 R（k，l） ，然后将其同全息图相乘，也就等够得知全息面上的光波场分布。即 T（k.l）=R（|O|2+|R|2）+|R|20+R20*=T0+T+1+T-1。这个表达式中，T0 是指的零级衍射光，而 T+1 是指的+1 级衍射光，也就是说同原始物光波相同的原始像。则表达式中的 T

5、-1 为-1 级衍射光，为共轨像。前面所提到的这三个部分在离轴全息之中，空间位置是不在一起的，是分开的。根据衍射积分计算公式，可以先假设 xiyi 平面为像平面，则距全息图平面为 Z 的像平面上的光波场复振幅分布也就可以得出，即 U（xi，yi） 。最终换算出来结果等于 R（x，y） （|0（x，y）|）?cosdxdy+|R（x，y）|?0（x，y）cosdxdy+R（x，y）0（X，Y）cosdxdy。光波场复振幅分布结果中=zi+（xi-x）+（yi-y）。而cos=。但是，在实际情况中，是比较小的，一般取 cos=1。从而进一步也就可以表示为 R（k，l） （|O（k，l）|+|R（k

6、，l）|?+ |R（k，l）|Q（k，l）?+R（k，l）O（k，l）?。在这个表达式中（m，n，k，l）=zi+（mxi-kx）+（n-ly），m、n、k、l 是整数。-NX/2m，kNX/2-1，-Ny/2n，lNy/2-1， 。xi=是像平面横向的抽样间隔，=是像平面纵向的抽样间隔。 （三）全息再现算法 这里采用菲涅耳再现算法，当再现距离 Z 满足了菲涅耳近似条件的时候，也就是 Zi（-x）+（y0-y）。则这个时候，可近似表示成=Zi+。把其带入到距全息图平面为 Zi 的像平面上的光波场复振幅分布表达式里面去，且 cos=1，则成像平面上的广场分布就为 U（xi，yi）=R（x，y）H

7、（x，y）?exp（xi-x）+（yi-y）dxdy。由傅里叶变换定义式，得出 U（xi，yi）=exp（x-y）?FTR（x，y）H（x，y）exp（x+y）式中，FT表示的是二维傅里叶变换。进一步可以将上式里的离散形式表示为 U（m，n）=expmx+ny）?FTR（k，l）H（k，l）exp（kx+ly）这个表达式中，m、n、k、l 是整数，-Nx/2m，kNx/2-1，-Nx/2m，lNy/2-1。 二、数字全息应用研究 （一）数字全息应用的主要方面 1.1 全息干涉计量 全息干涉计量主要是在微应力分析中运用数字全息技术，通过数字全息可以实现分析振动、检测等目的。除此之外，在表面检测、

8、振动分析、检测无损等方面，数字全息也可以发挥出很大的效用。 1.2 全息存储 对于数字全息关于存储功效这方面的运用而言，相对于其他储存方式有着很大的优势所在。 1.3 全息显示 目前，在光全息技术方面，凭借数字全息实现三维度显示，是非常重要的发展方向。比如说广告与艺术领域对这种技术的应用就已经较为广泛，并达到了远超预期的成效。 1.4 模压全息 所谓模压全息这项技术，主要是在防伪方面的应用比较突出，也已经有了很大程度的影响力。 （二）全息技术 现阶段，根据形式的不同，可以把全息图分为像面数字全息图、数字全息干涉图、位相数字全息图、傅里叶变换全息图等。而依照记录光路进行划分，又可以分为离轴和同轴

9、这两个类别。所谓离轴，其就是物光和参考光存在一定角度的夹角，对分辨率的要求比较高，在不透明物体和大物体等方面的研究具有较好的应用效果。而同轴和离轴最大的在于，其物光和参考光是处在同一轴线上的，对分辨率的要求相对较低，使用的研究方面以微小物体为主。全息技术的应用领域是非常广的，不论是在影视行业，还是教育领域，数字全息技术都可以发挥出现显著的作用。 结束语 数字全息在现阶段被广泛应用与各个领域，并随着其发展与进步，在这些领域中做出的贡献越来越重要，影响力也随之越来越大。因此，当前需要更加重视数字全息方面的研究，尤其是需要对其技术原理形成深入的认知与掌握，以此实现在技术在相关行业中的深入应用。 参考文献 1李杰.广义相移数字全息相移提取算法及应用研究D.山东大学，2014. 2纪红.数字全息 3D 图像再现的方法研究J.电子科技大学学报，2013，07. 3熊源.平板显示中的全息技术及光学器件研究J.上海交通大学学报，2013，06.