基于MATLAB的數字全息記錄與再現系統

袁 婷（南京航空航天大學理學院，江蘇南京，210016）

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基于MATLAB的數字全息記錄與再現系統

袁 婷
（南京航空航天大學理學院，江蘇南京，210016）

摘要：數字全息術（Digital Holography，DH）是在傳統光學全息技術的基礎上，結合現代數字圖像技術而發展起來的一種新型成像技術。本文在對數字全息基本原理進行理論分析的基礎上，運用MATLAB軟件設計了一套數字全息圖的記錄與再現系統，比較系統、完整的實現了數字全息的記錄、再現等功能。

關鍵詞：數字全息；全息再現；MATLAB

0 引言

數字全息術（Digital Holography， DH）是在傳統光學全息技術的基礎上，結合現代數字圖像技術而發展起來的一種新型成像技術。不同于傳統光學全息方法，它利用 CCD、CMOS 等光電器件記錄全息圖并存入計算機，通過計算機數值模擬光學衍射過程再現全息圖，并將結果直接顯示輸出，實現了從記錄到再現整個全息過程的數字化。與傳統光學全息相比，數字全息具有成像速度快，可定量測量等諸多優點，已經在顯微、形貌測量、信息加密、藝術創作和產品展示等領域獲得了廣泛的應用。

本文在理論分析的基礎上搭建了數字全息記錄光路，并運用MATLAB設計了數字全息再現程序，實驗結果表明，可以系統、完整、準確地實現數字全息記錄再現等功能。

圖1 光路設計

1 數字全息的記錄與再現原理

數字全息的整個過程可以用“干涉記錄，衍射再現”來描述。從激光器發出的一束激光被分光鏡分成兩束相干的激光。一束光作為照明光照射到物體表面，經物體表面漫反射后形成物光波，照射到CCD感光面上。另一束光作為參考光波，直接照射到CCD感光面上，與物光波進行干涉，形成的干涉條紋被CCD記錄。

記錄的光強近似為：

數字全息通過光學計算來模擬光學重建過程。在記錄平面，用一束再現光照射全息圖，透出光波為：

第一項是物光與參考光自身的光強，稱為零級光，第二項稱為原始項，第三項稱為共軛項，衍射后在像平面將分別形成零級像、重建像和共軛像。

若參考光波和物光波之間的夾角足夠大，在像平面，零級像、重建像和共軛像便可以分離。令照明光波，則對于原始項，由，則可以重現完整的物像。

2 系統設計

數字全息的光路設計主要分為離軸數字全息和同軸數字全息，本系統采用離軸的方法設計。光路設計如圖1所示，激光器發出的激光（波長632.8nm）經分束鏡BS1分成兩束相干的激光。一束光經過顯微物鏡MO1和透鏡L1的擴束準直后，再經過圓孔1和反射鏡M到達分束鏡BS2，形成參考光。另一束光經過顯微物鏡MO2和透鏡L2的擴束準直，再通過圓孔2照射在樣品上，經樣品反射到達分束鏡BS2，形成物光，與參考光相遇，二者具有一定的夾角，在CCD表面產生干涉，形成干涉條紋，即全息圖，被電腦記錄。

全息圖的再現方法主要有菲涅爾變換法，卷積法，角譜法三種，它們都是基于光學的標量衍射理論和傅里葉變換方法，利用計算機數值模擬光學的衍射過程，從而獲得數字化再現光波場。從計算機顯示器或打印輸出裝置中將再現的強度分布和相位分布輸出出來。本系統采用常用的菲涅爾變換法，該方法的限制條件為：像平面和全息圖平面的距離要遠大于物體的尺寸。這一點只要在光路布置時加以調節即可。

此外，為了達到更好的再現效果，系統中還加入了亮度調節、對比度調節等功能。只要導入全息圖，并輸入激光波長、CCD像素尺寸、再現距離等參數，就可以再現出樣品圖。

3 實驗結果

采用波長為632.8nm的He-Ne激光作為光源，CCD像素尺寸為，樣品采用普通的一角硬幣，再現距離為300mm，實驗結果如圖2所示。

圖2（a）實驗全息圖；（b）實驗再現圖

圖2中，（a）圖為實驗中CCD所拍攝的全息圖，（b）圖為由全息圖再現出的樣品圖。由再現圖可以看出，再現效果較好，樣品細節基本可見。

4 結論

本文在基于Matlab的基礎上，設計了一套數字全息記錄與再現系統，并詳細介紹了系統中光路的搭建結構和再現程序的設計。實驗結果表明，該系統可以準確完整的再現出樣品圖，為對樣品的進一步研究打下良好的基礎，具有較高的使用價值。

參考文獻

［1］王廣俊. 數字全息技術及其在測量中的應用研究［D］. 北京工業大學，2011.

［2］郭中甲. 實用化數字全息記錄和再現系統的設計與實現［D］.河北工程大學，2012.

［3］楊翀.光學干涉計量用于振動測量的算法和實驗研究［D］.中國科學技術大學，2012.

Digital Holographic Recording and Reconstruction System Based on MATLAB

Yuan Ting
（College Of Science ，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，210016，China）

Abstract：Digital holography（DH）is a new imaging technique developed on the basis of the traditional optical holography technology，combined with modern digital image technology.Based on the theoretical analysis of the basic principle of digital holography，the paper designs a digital hologram recording and reproducing system using MATLAB，it is more systematic，complete implementation of the digital holographic recording， reconstruction and other functions.

Keywords：Digital Holography；Holographic Reconstruction；MATLAB

中圖分類號：TP311

文獻標識碼：A

作者簡介

袁婷（1982—），女，實驗師，碩士，研究方向：光學信息處理。