大學(xué)物理實驗-拓展提高篇 課件 實驗3.6-數(shù)字全息實驗

1數(shù)字全息實驗第1節(jié)原理大學(xué)物理實驗——拓展提高篇21.全息術(shù)簡介全息技術(shù)是利用光的干涉和衍射原理來記錄和再現(xiàn)物體真實三維圖像的一種成像技術(shù)。由于記錄了物體的全部信息，包括振幅信息和相位信息，因此被稱為全息。數(shù)字全息實驗—原理四維動態(tài)全息圖全息投影全息照片31.全息術(shù)簡介1948年丹尼斯·伽柏為提高電子顯微鏡的分辨率，提出全息術(shù),并因此獲得1971年諾貝爾物理學(xué)獎；數(shù)字全息實驗—原理1960年激光器問世，提供理想光源，為全息術(shù)發(fā)展創(chuàng)造了條件；發(fā)展簡史1962年Leith、Upatnieks提出離軸全息圖、Denisyuk反射全息；1968年StephenBenton發(fā)明了彩虹全息術(shù)；……多年來，全息術(shù)得到了飛速發(fā)展，成為近代光學(xué)的一個重要分支41.全息術(shù)簡介數(shù)字全息實驗—原理第一階段：光源為汞燈，同軸全息圖全息術(shù)經(jīng)歷了四個發(fā)展階段第二階段：激光記錄、激光再現(xiàn)，離軸全息圖第三階段：激光記錄、白光再現(xiàn)第四階段：白光記錄、白光再現(xiàn)——萌芽階段第一代全息圖——第二代全息圖——第三代全息圖——第四代全息圖5學(xué)會數(shù)字全息的拍攝方法和再現(xiàn)方法采集并保存透射式數(shù)字全息與反射式數(shù)字全息的再現(xiàn)圖（1）任務(wù)2.實驗任務(wù)、目的、訓(xùn)練要點數(shù)字全息實驗—原理6掌握數(shù)字全息的基本原理了解數(shù)字全息在干涉計量方面的應(yīng)用2.實驗任務(wù)、目的、訓(xùn)練要點（2）目的數(shù)字全息實驗—原理7光學(xué)平臺的使用透射式數(shù)字全息光路的搭建反射式數(shù)字全息光路的搭建牛頓環(huán)與劈尖干涉實驗—原理2.實驗任務(wù)、目的、訓(xùn)練要點（3）訓(xùn)練要點83.實驗原理用干涉效應(yīng)得到像平面上光波的全部信息（振幅+相位）記錄在介質(zhì)上——全息記錄在一定條件下，用衍射效應(yīng)將記錄攜帶物體全部信息的波前再現(xiàn)——全息再現(xiàn)數(shù)字全息實驗—原理全息術(shù)基本思想93.實驗原理數(shù)字全息實驗—原理

（1）全息記錄（干涉記錄）物光與參考光的強度干涉項：包含物光波的振幅和相位信息10數(shù)字全息實驗—原理

記錄介質(zhì)的作用相當(dāng)于線性變換器，它把曝光時的入射光強線性地變換為顯影后負(fù)片的復(fù)振幅透過率∶

兩個波前的干涉圖樣通過曝光經(jīng)顯影處理后將全部記錄到記錄介質(zhì)上，稱為全息圖，全息圖實際上是一幅干涉圖。113.實驗原理數(shù)字全息實驗—原理（2）全息再現(xiàn)（衍射再現(xiàn)）采用參考光波照射全息圖采用共軛參考光波照射全息圖123.實驗原理數(shù)字全息實驗—原理（2）全息再現(xiàn)（衍射再現(xiàn)）

不考慮常數(shù)因子的影響，U3為原始物光波前的準(zhǔn)確再現(xiàn)13數(shù)字全息實驗—原理

U3和U4仍正比于物光波前或其共軛，將分別產(chǎn)生虛像和實像；此時，虛像有變形，實像沒有變形

14數(shù)字全息實驗—原理當(dāng)物光波與參考光波的光軸夾角為零時，全息圖透射光波中的四項場分量都在同一方向傳播，無法分離，降低像的襯度；虛像和實像之間的距離為物體與全息干板之間的距離的2倍，構(gòu)成不可分離的孿生像；當(dāng)對實像聚焦時，總是伴隨一離焦的虛像，兩者重疊在一起，大大降低重構(gòu)像的質(zhì)量同軸全息再現(xiàn)15數(shù)字全息實驗—原理離軸全息再現(xiàn)

163.實驗原理數(shù)字全息實驗—原理（3）數(shù)字全息17數(shù)字全息實驗—原理數(shù)字全息的重構(gòu)

數(shù)字重構(gòu)過程實際就是反傅里葉變換的過程18數(shù)字全息實驗第2節(jié)實驗儀器大學(xué)物理實驗——拓展提高篇19主要實驗儀器、器件數(shù)字全息實驗—儀器半導(dǎo)體激光器(533nm)可變光闌被照物CCD采集相機20主要實驗儀器、器件數(shù)字全息實驗—儀器反射鏡針孔濾波器擴束鏡分光鏡準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直透鏡21數(shù)字全息實驗第3節(jié)實驗內(nèi)容大學(xué)物理實驗——拓展提高篇221.透射式數(shù)字全息數(shù)字全息實驗—實驗內(nèi)容（1）實驗步驟調(diào)平光束：反復(fù)多次移動可變光闌校正反射鏡、分束鏡、準(zhǔn)直透鏡，使光束照射到器件的中心；231.透射式數(shù)字全息數(shù)字全息實驗—實驗內(nèi)容按照光路圖擺放器件分束鏡1分束鏡2反射鏡2反射鏡1擴束鏡2針孔濾波器2準(zhǔn)直透鏡2被照物擴束鏡1針孔濾波器1準(zhǔn)直透鏡124調(diào)節(jié)擴束鏡、針孔濾波器高度，微調(diào)擴束鏡與針孔濾波器之間的距離以及可變光闌的左右和垂直旋鈕，使光束通過后光斑位于可變光闌中心，且光斑最亮、最均勻；數(shù)字全息實驗—實驗內(nèi)容1.透射式數(shù)字全息40cm反射鏡1擴束鏡1針孔濾波器1可變光闌（孔徑調(diào)到最?。?5在針孔濾波器1后10cm處放置準(zhǔn)直透鏡1，在準(zhǔn)直透鏡1后放置白屏，前后移動白屏，若屏上光斑大小發(fā)生變化，則前后移動準(zhǔn)直透鏡1，再前后移動白屏，重復(fù)操作，直至光斑大小不發(fā)生變化；數(shù)字全息實驗—實驗內(nèi)容1.透射式數(shù)字全息10cm反射鏡1擴束鏡1針孔濾波器1準(zhǔn)直透鏡1白屏注意觀察光斑大小變化與準(zhǔn)直透鏡1移動方向的關(guān)系26重復(fù)步驟（3）（4），搭建反射鏡2后的光路；數(shù)字全息實驗—實驗內(nèi)容1.透射式數(shù)字全息27在準(zhǔn)直透鏡1后放置分束鏡2，在分束鏡2后放置白屏，旋轉(zhuǎn)分束鏡2，直到光束1經(jīng)分束鏡2的反射光斑和光束2經(jīng)分束鏡2的透射光斑在白屏上重合;數(shù)字全息實驗—實驗內(nèi)容1.透射式數(shù)字全息28用CCD攝像頭替代白屏，連接CCD與計算機之間的連線，打開CCD驅(qū)動軟件，微調(diào)被照物高度，使“光”字位于軟件界面的合適位置，微調(diào)分束鏡2的二維調(diào)節(jié)旋鈕，使CCD采集相機軟件界面出現(xiàn)干涉條紋;數(shù)字全息實驗—實驗內(nèi)容1.透射式數(shù)字全息注：若條紋清晰度不高，可在分束鏡1的透射光路中放置偏振片，讓兩路光光強比接近1：129打開數(shù)字全息模擬界面，輸入激光波長（532nm）、相機像素尺寸（5.2μm）、物體尺寸（7mm）、點擊“計算”按鈕，算出最小距離，載入原始像“光字.jpg”，輸入記錄距離（比最小距離大），單擊“計算全息”按鈕，得到相應(yīng)的全息圖和在現(xiàn)像。數(shù)字全息實驗—實驗內(nèi)容1.透射式數(shù)字全息注：若再現(xiàn)像不完整，則增大記錄距離，直到得到較好再現(xiàn)像30根據(jù)步驟（8）得到的記錄距離，調(diào)整光路中被照物和CCD之間的距離，微調(diào)CCD的高度，使“光”字完整的位于CCD拍攝軟件界面的圖片窗口中，拍攝得到全息圖并保存；將白屏置于光束2的光路中，用CCD拍攝得到背景圖并保存；數(shù)字全息實驗—實驗內(nèi)容1.透射式數(shù)字全息31打開“透射式數(shù)字全息界面”，分別載入步驟（9）中保存的全息圖和背景圖，在“光路參數(shù)”中輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，單擊“全息計算”按鈕，得到再現(xiàn)像，調(diào)節(jié)亮度，直至得到清晰的再現(xiàn)像，單擊“保存”按鈕，即可保存亮度調(diào)節(jié)后的再現(xiàn)像。數(shù)字全息實驗—實驗內(nèi)容1.透射式數(shù)字全息322.反射式數(shù)字全息數(shù)字全息實驗—實驗內(nèi)容（1）實驗步驟按照光路圖搭建光路；分束鏡1分束鏡2反射鏡2反射鏡1擴束鏡2針孔濾波器2準(zhǔn)直透鏡2被照物擴束鏡1針孔濾波器1準(zhǔn)直透鏡1光束1光束2成像透鏡CCD332.反射式數(shù)字全息數(shù)字全息實驗—實驗內(nèi)容（1）實驗步驟與透射式數(shù)字全息實驗調(diào)平方法相同，將半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束調(diào)節(jié)至與全息臺平行；校正所用的反射鏡、分束鏡、透鏡等器件，讓光束剛好照射到器件中心；按照實驗需要的距離擺放各個器件，保證參考光波與物光波之間的光程差小于激光的相干長度；通過調(diào)節(jié)反射鏡和分束鏡來調(diào)整參考光波和物光波的干涉條紋，并控制干涉條紋的數(shù)目，避免因條紋過多出現(xiàn)疊頻現(xiàn)象；如果條紋太少，則信息量太少；342.反射式數(shù)字全息數(shù)字全息實驗—實驗內(nèi)容（1）實驗步驟由于反射式光波一般情況下較弱（可在物體表面噴白漆來加強反射），所以應(yīng)盡量使被照物與CCD采集相機的距離近一些，以保證獲得清晰的干涉圖，并記錄兩者之間的距離備用；可在光束1的光路中加入衰減器，使物光波與參考光波的光強1:1，以提高干涉條紋的對比度；352.反射式數(shù)字全息數(shù)字全息實驗—實驗內(nèi)容（1）實驗步驟固定好被照物，穩(wěn)定1min后用CCD采集相機采集干涉圖；36打開“反射式數(shù)字全息界面”，載入步驟（7）中保存的全息圖，