光信息處理技術(shù)及應(yīng)用

1、各種全息圖及其應(yīng)用體積全息圖計(jì)算全息全息記錄介質(zhì)1體積全息息圖當(dāng)用于全全息記錄錄的感光光膠膜厚厚度足夠夠厚時(shí)，它在物物光和參參考光的的干涉場場中將記記錄到明明暗相間間的三維維空間曲曲面族，這種全全息圖在在再現(xiàn)過過程中將將主要顯顯示出體體效應(yīng)，與前一一節(jié)所介介紹的平平面全息息圖的特特點(diǎn)有很很大差別別。這一一類全息息圖稱為為體積全全息圖體積全息息圖膠膜厚度度滿足關(guān)關(guān)系式式中d表示干涉涉條紋周周期，n為記錄介介質(zhì)的折折射率，為記錄波波長2體積全息息圖的記記錄先討論物物光波和和參考光光波都是是平面波波的情形形。根據(jù)據(jù)光的干干涉原理理，在記記錄介質(zhì)質(zhì)內(nèi)部應(yīng)應(yīng)形成等等間距的的平面族族結(jié)構(gòu)，稱為體體光柵，如

2、下圖圖示 3布喇格定定律與布喇格條條件條紋面應(yīng)應(yīng)處于R和O兩光夾角角的角平平分線，它與兩兩束光的的夾角應(yīng)滿足關(guān)關(guān)系式： 體光柵常常數(shù)應(yīng)滿足關(guān)關(guān)系式式中為光波在在介質(zhì)內(nèi)內(nèi)傳播的的波長。體積全息息圖對光光的衍射射作用與與布喇格格（Bragg）對晶體的的X射線衍射射現(xiàn)象所所作的解解釋十分分相似，因而常常借用所所謂的“布喇格格定律”來討論論體積全全息圖的的波前再再現(xiàn).上式稱為“布喇格條條件”，角度稱為“布喇格角角”。4體全息圖圖對角度度和波長長的選擇擇性若把條紋紋面看作作反射鏡鏡面，則則只有當(dāng)當(dāng)相鄰條條紋面的的反射光光的光程程差均滿滿足同相相相加的的條件，即等于于光波的的一個(gè)波波長時(shí)，才能使使衍射光光

3、達(dá)到極極強(qiáng)。若波長和和角度稍稍有偏移移，衍射射光強(qiáng)將將大幅度度下降，并迅速速降為零零。特殊的應(yīng)應(yīng)用前景景：體全息圖圖可以用用白光再再現(xiàn)。因因?yàn)樵谟捎啥喾N波波長構(gòu)成成的復(fù)合合光中，僅有一一種波長長即與記記錄光波波相同波波長的光光才能達(dá)達(dá)到衍射射極大，而其余余波長都都不能出出現(xiàn)足夠夠亮度的的衍射像像，避免免了色串串?dāng)_的出出現(xiàn)。體全息圖圖可用于于大容量量高效率率全息存存儲。因因?yàn)楫?dāng)照照明光角角度稍有有偏離，便不能能得到衍衍射像，因而可可以以很很小的角角度間隔隔存儲多多重三維維圖象而而不發(fā)生生象串?dāng)_擾5透射體全全息透射體全全息圖的的情形：物光和參參考光從從介質(zhì)的的同側(cè)射射入，介介質(zhì)內(nèi)干干涉面幾幾乎與介

4、介質(zhì)表面面垂直，因而再再現(xiàn)時(shí)表表現(xiàn)為較較強(qiáng)的角角度選擇擇性。當(dāng)當(dāng)用白光光再現(xiàn)時(shí)時(shí)，入射射角度的的改變將將引起再再現(xiàn)像波波長的改改變 6反射體全全息反射體全全息圖的的情形：物光和參參考光從從介質(zhì)的的兩側(cè)相相向射入入，介質(zhì)質(zhì)內(nèi)干涉涉面幾乎乎與介質(zhì)質(zhì)表面平平行，再再現(xiàn)時(shí)表表現(xiàn)為較較強(qiáng)的波波長選擇擇性反射體全全息能避避免色串串?dāng)_的出出現(xiàn)，是是一種較較好的白白光再現(xiàn)現(xiàn)全息圖圖，用白白光再現(xiàn)現(xiàn)反射體體全息時(shí)時(shí) ，只只能得到到單色再再現(xiàn)像由于記錄錄介質(zhì)在在后處理理過程中中發(fā)生乳乳膠的收收縮，條條紋間隔隔變小，使再現(xiàn)現(xiàn)像波長長發(fā)生“蘭移”7體積全息息圖的衍衍射效率率體積全息息圖衍射射效率的的定義平平面全息息圖

5、衍射射效率的的定義相相同科格尼克克（Kolgenik）在1969年提提出的耦耦合波理理論，以以麥克斯斯韋方程程組為基基礎(chǔ)，根根據(jù)記錄錄介質(zhì)的的電學(xué)或或光學(xué)常常數(shù)被調(diào)調(diào)制的情情況，直直接解方方程組，求出衍衍射效率率的公式式體積全息息圖的分分類無論論是透射射體全息息還是反反射體全全息都可可依據(jù)書書中表5.2所所示的方方法進(jìn)行行“無吸收收位相全全息圖”是指記記錄介質(zhì)質(zhì)的吸收收可以忽忽略的情情形“混合型型全息圖圖”是指指既包含含有振幅幅調(diào)制又又包含有有位相調(diào)調(diào)制的全全息圖。余弦位相相型體積積全息圖圖衍射效效率最大大8各種類型型全息圖圖的最大大衍射效效率 9計(jì)算全息息計(jì)算全息息將計(jì)算算機(jī)技術(shù)術(shù)與光全全息

6、術(shù)結(jié)結(jié)合起來來，可以以實(shí)現(xiàn)光光學(xué)全息息術(shù)無法法實(shí)現(xiàn)或或難以實(shí)實(shí)現(xiàn)的某某些特殊殊功能。光全息術(shù)術(shù)是利用用光的干干涉原理理，借助助于參考考光將物物光波的的復(fù)振幅幅記錄在在感光材材料上，能夠?qū)崒?shí)現(xiàn)這種種記錄的的必要條條件是物物體的真真實(shí)存在在很多實(shí)際際應(yīng)用中中理想的的“物體體”是很很難制作作，例如如，用于于檢測光光學(xué)元件件加工質(zhì)質(zhì)量的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)件，用于光光學(xué)信息息處理的的空間濾濾波器，用于數(shù)數(shù)據(jù)存儲儲系統(tǒng)的的相移器器計(jì)算全息息發(fā)展極極其迅速速，已成成功地應(yīng)應(yīng)用在三三維顯示示、空間間濾波、光學(xué)信信息存儲儲和激光光掃描等等諸多方方面10計(jì)算全息息圖的制制作計(jì)算全息息圖的計(jì)計(jì)算機(jī)制制作分為為五步：對物光信信息

7、的采采集：對于實(shí)實(shí)際存在在的物體體，可利利用掃描描儀或數(shù)數(shù)字?jǐn)z像像機(jī)進(jìn)行行數(shù)據(jù)采采集。而而對于那那些實(shí)際際不存在在的物體體，可將將其函數(shù)數(shù)形式直直接從鍵鍵盤輸入入計(jì)算機(jī)機(jī)抽樣：用抽樣定定理將物物函數(shù)離離散化，得到物物體或者者波面再再離散樣樣點(diǎn)上的的值，取取抽樣單單元數(shù)不不超過物物的空間間帶寬積積計(jì)算：計(jì)算物函函數(shù)再全全息平面面上的光光場分布布編碼：（兩種途途徑）干干涉的計(jì)計(jì)算機(jī)仿仿真和迂迂回位相相法存儲：用計(jì)算機(jī)機(jī)繪圖儀儀直接畫畫在紙上上，然后后用精密密照相翻翻拍在照照相底片片上，適適當(dāng)放大大或縮小小到合適適的尺寸寸11物信息的的采集物光信息息的采集集是指確確定物光光信息的的函數(shù)形形式，一一般

8、表現(xiàn)現(xiàn)為復(fù)振幅幅透射率率函數(shù)（或反射射率函數(shù)數(shù)）對于實(shí)際際存在的的物體，可利用用掃描儀儀或數(shù)字字?jǐn)z像機(jī)機(jī)進(jìn)行數(shù)數(shù)據(jù)采集集對于那些些實(shí)際不不存在的的物體，可將其其函數(shù)形形式直接接從鍵盤盤輸入計(jì)計(jì)算機(jī)物函數(shù)需需要離散散化，一一般取抽抽樣單元元數(shù)不超超過物的的空間帶帶寬積，即滿足足關(guān)系式式MNxyfxfy式中M、N分別為X方向和Y方向的抽抽樣單元元數(shù)，x和y為物體的的空間寬寬度，fx和fy為物的頻頻帶寬度度12物信息的的處理計(jì)算傅里里葉變換換全息圖圖：被記錄的的復(fù)數(shù)波波面是物物波函數(shù)數(shù)的傅立立葉變換換。必須須使用計(jì)計(jì)算機(jī)完完成物函函數(shù)的傅傅里葉變變換（借借助快速速傅立葉葉變換算算法完成成），得得到全

9、息息圖平面面的光場場復(fù)振幅幅函數(shù)。計(jì)算全全息多采采用傅里里葉變換換全息圖圖。計(jì)算菲涅涅耳全息息圖：被記錄的的復(fù)數(shù)波波面是物物體發(fā)出出的菲涅涅耳衍射射波。須須計(jì)算物物函數(shù)經(jīng)經(jīng)菲涅耳耳衍射到到達(dá)全息息圖的復(fù)復(fù)振幅分分布，再再將該復(fù)復(fù)振幅分分布編碼碼成全息息圖的透透過率變變化。計(jì)算像全全息：被記錄的的復(fù)數(shù)波波面是物物波函數(shù)數(shù)本身或或者其幾幾何像。只需由由計(jì)算機(jī)機(jī)完成物物函數(shù)的的坐標(biāo)縮縮放變換換與抽樣樣。全息圖平平面上函函數(shù)的抽抽樣數(shù)不不得少于于物函數(shù)數(shù)的抽樣樣數(shù)13信息的編編碼到達(dá)全息息圖的物物光波通通常呈現(xiàn)現(xiàn)為復(fù)數(shù)數(shù)形式，包括振振幅信息息和位相相信息；將二維光光場復(fù)振振幅分布布變換為為全息圖圖的二

10、維維透過率率函數(shù)分分布的過過程，稱稱為計(jì)算算全息的的編碼。計(jì)算全息息的編碼碼主要為為如下兩兩大類：一種途徑徑是對光光全息術(shù)術(shù)的計(jì)算算機(jī)仿真真，用計(jì)計(jì)算機(jī)算算出全息息圖上參參考光波波與物光光波的干干涉條紋紋分布函函數(shù)，這這種編碼碼方式稱稱為干涉涉型編碼碼方式，用這種種方法制制作的全全息圖稱稱為干涉涉型計(jì)算算全息圖圖。（缺點(diǎn)：參考光光波的加加入增加加了空間間帶寬積積，因此此全息圖圖上的抽抽樣點(diǎn)數(shù)數(shù)必須增增加）分別對振振幅和相相位編碼碼（計(jì)算算全息所所特有的的：迂回回位相法法）。14不規(guī)則光光柵的衍衍射效應(yīng)應(yīng)當(dāng)平面波波垂直照照射線光光柵時(shí)，假定柵柵距恒定定，第k級衍射都都是平面面波，等等相位面面是垂

11、直直于這個(gè)個(gè)方向的的平面，并設(shè)柵柵距為d，第k級的衍射射角為qk，則由光柵柵方程可可知，在在qk方向上相鄰光光線的光光程差為為如果光柵柵的柵距距在某一一位置增增大了D，則則該處沿沿方qk方向相鄰光光線的光程差為則qk方向衍射波波在該位位置引入入的相位位延遲為為（迂回回相位）15迂回位相相信息編編碼方法法迂回位相相用全息息圖上兩兩個(gè)獨(dú)立立的參量量來編碼碼物函數(shù)數(shù)的振幅幅和位相相由于這兩兩個(gè)獨(dú)立立參量均均為非負(fù)負(fù)的實(shí)數(shù)數(shù)，因而而可用一一般的記記錄介質(zhì)質(zhì)記錄。這種方法法是在一一個(gè)抽樣樣單元內(nèi)內(nèi)用一個(gè)個(gè)長方形形透明孔孔來反映映物函數(shù)數(shù)在這一一點(diǎn)的值值?？椎牡膶挾菳mn是一個(gè)常常量，令令其高度度Hmn與

12、物函數(shù)數(shù)歸一化化振幅成成正比，孔的中中心點(diǎn)離離抽樣點(diǎn)點(diǎn)的距離離dmn與其位相相成比例例設(shè)物波函函數(shù)在第第（m，n）個(gè)抽樣點(diǎn)點(diǎn)的表達(dá)達(dá)式為：Omn=Amnexpjmn式中mn分別表示示X、Y方向的抽抽樣序號號，Amn是物波的的歸一化化振幅（即以物物的最大大振幅值值對其它它值進(jìn)行行歸一）mn為物波在在該抽樣樣點(diǎn)的位位相。16編碼公式式和抽樣樣單元示示意圖迂回位相相編碼示示意圖： 編碼公式式：圖中mx0，ny0表示抽樣樣單元的的中心位位置17信息的存存儲計(jì)算全息息圖通常常都用光光學(xué)方法法實(shí)現(xiàn)波波前重現(xiàn)現(xiàn)，因而而存儲手手段必須須與此相相適應(yīng)信息存儲儲的方法法有多種種，最普普遍的一一種是用用計(jì)算機(jī)機(jī)繪圖

13、儀儀將計(jì)算算機(jī)處理理的結(jié)果果直接畫畫在紙上上，然后后用精密密照相拍拍制在照照相底片片上，適適當(dāng)放大大或縮小小到合適適的尺寸寸，制成成實(shí)用的的全息圖圖還可用圖圖形發(fā)生生器、光光繪儀、顯微密密度儀、激光光光束掃描描記錄裝裝置等來來制作振振幅型計(jì)計(jì)算全息息圖對于浮雕雕型位相相計(jì)算全全息圖（如相息息圖），由于只只記錄物物的位相相信息，因此還還必須用用光刻機(jī)機(jī)、離子子束刻蝕蝕機(jī)或電電子束刻刻蝕機(jī)等等制作18計(jì)算全息息圖的再再現(xiàn)計(jì)算全息息圖的再再現(xiàn)方法法是根據(jù)據(jù)全息圖圖類型來來確定的的用干涉編碼碼法制作作的傅里葉葉變換全全息圖，可以用用下圖所所示的光光學(xué)系統(tǒng)統(tǒng)來再現(xiàn)現(xiàn)。用置置于處的的點(diǎn)光源源通過透透鏡L1

14、生成平行行光，照照明透鏡鏡L2前焦面上上的計(jì)算算全息圖圖H，在透鏡L2后焦面處處光軸上上觀察再再現(xiàn)像 19迂回位相相編碼計(jì)計(jì)算全息息圖的再再現(xiàn)對于用迂回編編碼法制制作的全息圖圖，再現(xiàn)現(xiàn)時(shí)，用用衍射角角度保證證在一個(gè)個(gè)抽樣單單元內(nèi)獲獲得從0到2變化的位位相差。因?yàn)橥哥R鏡前后焦焦面是傅傅里葉變變換關(guān)系系，前焦焦面上對對中心的的偏離在在后焦面面上表現(xiàn)現(xiàn)為波面面位相的的變化。這就是是迂回位位相編碼碼的物理理基礎(chǔ)。20計(jì)算全息息術(shù)的應(yīng)應(yīng)用（1）三維圖象象顯示：計(jì)算全息息可對那那些能方方便地用用數(shù)字描描述但卻卻難以實(shí)實(shí)際制作作的物體體進(jìn)行三三維顯示示計(jì)算全息息元件：用于校正正普通全全息元件件像差用用的像差

15、差校正器器用于激光光掃描器器，可實(shí)實(shí)現(xiàn)多束束光同時(shí)時(shí)高速掃掃描用于數(shù)據(jù)據(jù)存儲中中進(jìn)行編編碼的相相移器功能特殊殊的全息息透鏡21計(jì)算全息息術(shù)的應(yīng)應(yīng)用（2）光學(xué)檢測測：計(jì)算全息息制作標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)波面面精度很很高光學(xué)信息息處理中中的各種空間間濾波器器：用于圖象象消模糊糊的逆濾濾波器用于像邊邊緣增強(qiáng)強(qiáng)或圖象象加減的的微分濾濾波器圖象處理理的各種種帶通濾濾波器等等等除法濾波器22全息記錄介質(zhì)質(zhì)全息記錄錄介質(zhì)是是記錄光光全息圖圖的載體體，因而而要求記記錄材料料有較高高的分辨辨率，較較強(qiáng)的衍衍射效率率，較大大的動(dòng)態(tài)態(tài)范圍和和較高的的感光靈靈敏度。目前用于于全息記記錄的材材料種類類繁多：鹵化銀乳乳膠重鉻酸明明膠光致

16、抗蝕蝕劑光導(dǎo)熱塑塑光致變色色材料液晶光致聚合合物光折變晶晶體小桿細(xì)菌菌視紫紅紅質(zhì)（BR）這里僅介介紹具有有代表性性的六種種材料23鹵化銀乳乳膠膠片（或或干板）的結(jié)構(gòu)構(gòu)如下圖圖示，鹵鹵化銀乳乳膠均勻勻涂布在在片基上上，構(gòu)成成軟片或或干板記錄的物物理過程程曝光：鹵鹵化銀鹽鹽在光的的作用下下先是分分解再還還原成單單個(gè)金屬屬銀原子子，以微微粒的形形式散布布在乳膠膠內(nèi)部，形成潛潛像。這這樣析出出的銀粒粒子密度度很小，只是形形成了進(jìn)進(jìn)一步顯顯影的中中心顯影：還還原劑作作用下，顯影中中心周圍圍的鹵化化銀大量量地被還還原成金金屬銀定影：使使未反應(yīng)應(yīng)的鹵化化銀晶粒粒溶于定定影液中中，保持持影像的的穩(wěn)定性性。漂白

17、：利利用漂白白劑的氧氧化作用用，使底底板上黑黑色的金金屬銀變變成近乎乎透明的的鹵化銀銀鹽，使使全息圖圖由振幅幅型轉(zhuǎn)化化為位相相型，以以提高衍衍射效率率24鹵化銀乳乳膠的特特性幾個(gè)物理理量的定定義：曝光量E：定義為入入射到感感光表面面上每單單位面積積的光能能量，單單位常用用毫焦耳耳/厘米米2（mJ/cm2）或微焦耳耳/厘米米2（J/cm2）入射光強(qiáng)強(qiáng)度I：定義為單單位時(shí)間間里通過過單位面面積的光光能量，單位常常用毫瓦瓦/厘厘米2（mW/cm2）或 微瓦瓦/厘米米2（W/cm2）曝光時(shí)間間T：定義為記記錄介質(zhì)質(zhì)受光照照射的時(shí)時(shí)間，用用分或秒秒為單位位上述三個(gè)個(gè)物理量量的關(guān)系系為：E=IT透射率：定

18、義為透透射光強(qiáng)強(qiáng)和入射射光強(qiáng)之之比，即即強(qiáng)度透透射率=I透射/I入射光密度D也稱黑度度：定義為透透射率倒倒數(shù)的對對數(shù)：D =lg（1/）25鹵化銀乳乳膠的感光特性性照片的光光密度D與曝光量量的對數(shù)數(shù)lgE之間的關(guān)關(guān)系曲線線，簡稱稱H-D曲線可大致分分為五段段：灰霧霧區(qū)；趾趾部；線線性區(qū)；飽和區(qū)區(qū)；過飽飽和區(qū)照相多用用線性區(qū)區(qū)。設(shè)CD段的斜率率為tg，常用膠片片的值表示之之：=tg也常稱為為反差系系數(shù)，值越高說明反差差越大。值的大小小除與膠片型號號有關(guān)外外，還與與曝光量量和顯影條條件有關(guān)關(guān)。選擇擇合適的的參數(shù)，可獲獲得預(yù)期期的值。26鹵化銀乳乳膠的分辨率和和信噪比比分辨率：乳膠能記記錄的空空間光

19、強(qiáng)強(qiáng)度變化化的最小小周期，單位通通常用“線對/mm”。分辨率的的高低取取決于鹵鹵化銀顆顆粒的大大小外，還與曝曝光量和和顯影條條件等有有關(guān)。用用稀釋顯顯影法可可以提高高乳化銀銀乳膠的的分辨率率信噪比通常表示示為“S/N”，S和N分別表示示信號和和噪聲的的光強(qiáng)度度形成噪聲聲的因素素很多：有光散散射；顯顯影液選選擇不當(dāng)當(dāng)；顯影影速度過過快；漂漂白處理理不當(dāng)提高信噪噪比的途途徑：盡盡可能減減小顆粒粒尺寸；選擇適適當(dāng)?shù)娘@顯影液和和顯影速速度書中表5.4列列出了國國內(nèi)常用用的幾種種鹵化銀銀乳膠板板的主要要性能指標(biāo)標(biāo)。27鹵化銀乳乳膠的常常規(guī)處理理方法鹵化銀乳乳膠板曝曝光后的的化學(xué)處處理是很很重要的的環(huán)節(jié)，

20、其過程程為：顯顯影水水洗停停顯定定影水水洗干干燥。（1）顯影：D-19是最常用用的高反反差顯影影劑，顯顯影時(shí)間間2-5分鐘。D-76是一種低低調(diào)顯影影劑，適適用于曝曝光量范范圍很寬寬的傅里里葉變換換全息圖圖。（2）停顯：一般用水水沖洗即即可達(dá)停停顯效果果，但用用停顯液液效果更更好。（3）定影：常規(guī)的定定影液是是F-5，時(shí)間在5分鐘以以上。（4）水洗：目的是清清除底片片上的定定影液和和其他物物質(zhì)，必必須充分分（5）干燥：可用自自然干燥燥，為縮縮短時(shí)間間也可浸浸入無水水乙醇后后吹干（6）漂白：有時(shí)為了了提高衍衍射效率率，可將將全息圖圖進(jìn)行漂漂白處理理，使其其轉(zhuǎn)化為為位相型型。還有一種種方法是是顯影

21、后后先漂白白后定影影，有利利于長期期保存28重鉻酸鹽鹽明膠（DCG）重鉻酸鹽鹽明膠是是一種很很重要的的全息記記錄材料料，它幾幾乎具有有相位全全息圖的的理想特特性可產(chǎn)生很很大的折折射率變變化，衍衍射效率率最高可可達(dá)100%,分辨率率可高達(dá)達(dá)5000線對/mm以上，噪噪聲低再再現(xiàn)像顯顯得很“干凈”重鉻酸鹽鹽明膠的的曝光機(jī)機(jī)理十分分復(fù)雜，處理過過程與鹵鹵化銀明明膠不同同，DCG的缺點(diǎn):靈敏度低低，穩(wěn)定定度差，在高溫溫高濕度度環(huán)境下下容易消消象。在實(shí)際應(yīng)應(yīng)用中需需經(jīng)封膠膠處理，才能長長期保存存。DCG光柵的-E曲線見教教科書上上圖5.2929光致抗蝕蝕劑（Photoresist）光致抗蝕蝕劑能形形成浮雕