CN104808470A - 一种通过一步任意角相移消除数字全息零级像的方法 - Google Patents

Abstract

一种通过一步任意角相移消除数字全息零级像的方法。本发明首次提出了一种联动共轴双参考光光路，通过调整光路中加载在微动平移台上的分束晶体，能够在微动平移台进行位移时，保证两束参考光的相移量为-α、2α。基于该光路，提出了配套的算法，将现有的相移消零级数字全息技术由多步改进为一步相移，并且相移量是任意的，消除了多步相移及微动平移台移动产生的误差，使相移技术更加简便、可操作性更强。

Description

一种通过一步任意角相移消除数字全息零级像的方法

技术领域

本发明涉及数字全息技术领域，特别涉及一种通过一步任意角相移消除零级像的数字全息方法。

背景技术

英国科学家伽柏在从事提高电子显微镜的分辨本领时，首次提出了全息术的设想，并在1948年利用水银灯首次获得了全息图及其再现像。全息术有着信息容量大，再现像是三维立体性等优点，但与此同时这种同轴全息术其零级像与原物场的再现像也同轴，从而使再现像质量下降。为此利斯等人提出了离轴全息克服了零级像对再现像的影响，但离轴全息对全息图记录光路、环境震动及记录介质的要求较高。

近年来，随着计算机以及高分辨率CCD的发展，数字全息技术及其应用受到广泛的关注。数字全息是用光电传感器件(如CCD或CMOS)代替干板记录全息图，然后将全息图存入计算机，用计算机模拟光学衍射过程来实现被记录物体的全息再现和处理。数字全息与传统光学全息相比具有制作成本低，成像速度快，记录和再现灵活等优点。但是与传统同轴光学全息术类似，同轴数字全息术的再现像同样受到零级像的影响。

同轴数字全息术主要采用由Yamaguchi提出的相移技术来消除再现像中零级像的影响，其中常用四步相移全息术。但是由于空气、震动等影响将会使相移器在相移之后产生随机误差，每一步都产生误差，四步相移将对结果产生不利的影响

发明内容

本发明目的是克服传统相移法中的多步相移且每步相移是固定值的限制，从而避免了产生较大误差对结果产生不利影响的问题，提出一种通过一步任意角相移消除零级像的数字全息方法。

本发明方法通过一步任意角相移完成多幅全息图的拍摄从而消除零级像的影响，有效地减小了多步固定角相移对再现像产生的不良影响，同时减少了实验步骤，缩短了时间，本发明设计出了一种双参考光实验光路，通过调节微动平移台同时改变两束参考光的相位，并保持相移量为-α、2α，并提供了其配套的物光恢复公式。提出了一种基于该试验光路的一步任意角相移消零级方法。

本发明提供的通过一步任意角相移消除数字全息零级像的方法，该方法的具体步骤如下：

第1、激光器发出的光束通过分束镜将分为两束，第一束为物光，第二束用于产生两路参考光；

第2、第二路光经过放置在微动平移台的分束晶体，光束分为相互垂直的两路，其中反射的一路经一反射镜后原路返回，记为第一路参考光，透射的一路经一组延迟线后照到分束晶体上，分束晶体被照射的部分涂上了一层反射材料，使光束原路返回形成第二路参考光；

第3、通过微动平移台移动分束晶体，达到同时调节两路参考光相位的目的，相位变化量分别为-α、2α，调节延迟线使两路参考光到记录平面的距离相同，且两路参考光的传播方向一致，记两路参考光的初相位为此时通过遮挡，用CCD记下两路参考光的强度分布图：

       $I_1={A_{R_1}}^2...\left(1\right)$

       $I_2={A_{R_2}}^2...\left(2\right)$

其中，和分别为两路参考光的振幅；

第4、通过遮挡，两路参考光分别能与物光干涉，得到两幅全息图，其中A_o是物光的振幅，是物光的相位；

      

      

第5、移动分束晶体，使两路参考光产生位相变化，其中第一路参考光的位相变化为-α，第二路参考光的位相变化为2α，则物光与两路参考光之间的位相差分别为和此时两路参考光之间，物光与两路参考光之间能够形成三幅全息图：

       $I_5={A_{R_1}}^2+{A_{R_2}}^2+2A_{R_1}{A}_{R_2}\cos \left(3\mathrm{\α}\right)...\left(5\right)$

      

      

第6、物光的复振幅表示为：

      

其中，当 $\mathrm{\α}\∈(0~\frac{\mathrm{\π}}{3})$ 时， $\mathrm{\α}=\frac{1}{3}\mathrm{ar}\cos \left(\frac{I_5-I_1-I_2}{2\sqrt{I_1{I}_2}}\right);$

当 $\mathrm{\α}\∈(\frac{\mathrm{\π}}{3}~\frac{2\mathrm{\π}}{3})$ 时， $\mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{\π}}{3}-\frac{1}{3}\mathrm{ar}\cos \left(\frac{I_5-I_1-I_2}{2\sqrt{I_1{I}_2}}\right).$

本发明的优点和积极效果：

本发明首次提出了一种基于分束晶体的双参考光共轴光路，光路中加载在微动平移台上的分束晶体能够在微动平移台进行位移时，保证两束参考光的相移量为-α、2α，这一特性能够使某些数字全息技术更加简便易行。

在该光路特点基础上，提出配套算法，将现有的相移消零级数字全息技术由多步骤改进为一步相移、由固定角改进为任意角，因此消除了多步骤引起的误差，同时也减少了相移法对相移器高精度的要求，并且使相移技术更加简便、可操作性更强。

附图说明：

图1是本发明的光路设计图；

图中，1‐激光光源、2‐扩束装置、3‐反射镜、4‐分束镜、5‐分束镜、6‐载物台、7‐反射镜、8‐微动平移台、9‐加载在微动平移台上的分束晶体、10‐反射镜、11‐反射镜12～13‐遮光板、14‐反射镜、15‐合束镜、16‐CCD；

图2是南开大学校徽的图像，在模拟实验中作为物体；

图3是全息实验的物光图样；

图4是全息实验中初始第一路参考光与物光的干涉图样；

图5是全息实验中初始第二路参考光与物光的干涉图样；

图6是全息实验中相移后的第一路参考光与物光的干涉图样；

图7是全息实验中相移后的第二路参考光与物光的干涉图样；

图8是物光的恢复图样；

图9是相移量α＝pi/54时得到的物光恢复图样；

图10是相移量α＝pi/2时得到的物光恢复图样。

具体实施方式

本部分结合附图和MATLAB仿真例子对本发明进一步进行说明。

本发明光路设计图请参考图1，本实施例为针对透射型物体的可有效抑制零级像的离轴数字全息方法，光源1经过扩束装置2扩束准直后，经过反射镜3和分束镜4分为物光和参考光，参考光再经过分束镜5和加载在微动平移台上的分束晶体9一分为二，被分束晶体反射的一路经反射镜7反射后原路返回，记为第一路参考光，经分束晶体透射的一路经反射镜10、11后照到分束晶体上，该部分涂有一层反射物质，经反射后原路返回，记为第二路参考光。经过调整微动平移台8，实现两路参考光位相的调节。6为载物台，通过放置遮光板(12或13)使第一路参考光或第二路参考光分别与物光进行干涉，用CCD16接收干涉条纹。

实施例1：一步任意角相移消零级的数字全息方法

第一、在MATLAB中以南开大学校徽为物构建物光。在记录平面建立直角坐标系x-y，以振幅为3V/m(伏特/每米)，用传播方向与x轴夹角为θ＝1.1*pi/180的平行光照射南开大学校徽，则透射光即为物光，A_o是物光的振幅，是物光的位相，其中物及物光的图像如图2和图3所示。

第二、构建相位均为零，振幅不等的两路平行光作为参考光，其中，第一路参考光的振幅(伏特/每米)，第二路参考光的振幅(伏特/每米)，两路参考光沿x轴方向传播，设置两束参考光的波长为800nm，则两路参考光的初始位相为

第三、在MATLAB中用abs对两路参考光的复振幅取模，再求平方，即可得到两路参考光的强度分布I₁、I₂。

第三、使第一路参考光和物光、第二路参考光和物光分别相干，在MATLAB中只需将两路光的复振幅相加，再用abs命令对相加的结果进行取模，再求平方即可得到两路光相干后的强度，根据公式(3)、(4)，第一路参考光和物光、第二路参考光和物光相干后的强度分别为I₃和I₄，再用mat2gray命令把相干后的强度转化为灰度图像，分别如图4、图5所示。

第四、对两路参考光的位相进行调整，把第一路参考光的位相改变-α、第二路参考光的位相改变2α，在模拟中α的取值是任意的，这里我们设置α＝pi/20，起调节微动平移台使两路参考光产生位相变化的作用，则两路参考光的相位分别为 即两路参考光之间的位相差变化为3α，通过切光的方法使相移后两路参考光之间、相移后的第一路参考光与物光之间、相移后的第二路参考光与物光之间进行干涉，根据公式(4)、(5)、(6)，对应的相干后的强度为I₅、I₆和I₇，再用mat2gray命令把相移后的第一路参考光与物光、相移后的第二路参考光与物光相干后的强度转化为灰度图像，分别如图6、图7所示。

第五、根据物光的恢复公式(7)，可得到物光的复振幅。再abs命令对物光的复振幅取模，再求平方即可得到物光的恢复图，如图8所示。

第六、任意选取相移量α＝pi/54、α＝pi/2，重复第一步至第五步，可分别得到相应的物光恢复图，如图9、10所示。

可见，物光的恢复图与原物一致，且相移量的不同对最终的结果没有影响。因此，通过模拟实验验证了该转置在全息消零级中的可行性。同时也验证了配套算法的合理性。

Claims (1)

1.一种通过一步任意角相移消除数字全息零级像的方法，该方法的具体步骤如下：

第1、激光器发出的光束通过分束镜将分为两束，第一束为物光，第二束用于产生两路参考光；

第2、第二束光经过放置在微动平移台的分束晶体，分为相互垂直的两路，其中反射的一路经一反射镜后原路返回，记为第一路参考光，透射的一路经一组延迟线后照到分束晶体上，分束晶体被照射的部分涂上了一层反射材料，使光束原路返回形成第二路参考光；

第3、通过微动平移台移动分束晶体，达到同时调节两路参考光相位的目的，相位变化量分别为-α、2α，调节延迟线使两路参考光到记录平面的距离相同，且两路参考光的传播方向一致，记两路参考光的初相位为此时通过遮挡，用CCD记下两路参考光的强度分布图：

$I_1={A_{R_1}}^2...\left(1\right)$

$I_2={A_{R_2}}^2...\left(2\right)$

其中，和分别为两路参考光的振幅；

第4、通过遮挡，两路参考光分别能与物光干涉，得到两幅全息图，其中A_o是物光的振幅，是物光的相位；

第5、移动分束晶体，使两路参考光产生位相变化，其中第一路参考光的位相变化为-α，第二路参考光的位相变化为2α，则物光与两路参考光之间的位相差为和此时两路参考光之间、物光与两路参考光之间能够形成三幅全息图：

$I_5={A_{R_1}}^2+{A_{R_2}}^2+2A_{R_1}{A}_{R_2}\cos \left(3\mathrm{\α}\right)...\left(5\right)$

第6、物光的复振幅表示为：

其中，当 $\mathrm{\α}\∈(0~\frac{\mathrm{\π}}{3})$ 时， $\mathrm{\α}=\frac{1}{3}\mathrm{ar}\cos \left(\frac{I_5-I_1-I_2}{2\sqrt{I_1{I}_2}}\right);$

当 $\mathrm{\α}\∈(\frac{\mathrm{\π}}{3}~\frac{2\mathrm{\π}}{3})$ 时， $\mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{\π}}{3}-\frac{1}{3}\mathrm{ar}\cos \left(\frac{I_5-I_1-I_2}{2\sqrt{I_1{I}_2}}\right).$