計算全息實驗的MatlabGui仿真

成純富 歐藝文 方照東 陳嘉軒 陳澤浩 楊張永

【摘要】本文介紹了計算全息實驗的基本原理，利用Matlab Gui對計算全息實驗進行了仿真，分析了通光孔徑寬度、隨機噪聲系數和閾值系數對計算全息再現像質量的影響。

【關鍵詞】計算全息實驗 Matlab Gui 迂回相位編碼

【中圖分類號】O438.1 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）10-0220-01

一、引言

計算全息是利用計算機控制繪圖儀制作全息圖及衍射光學元件的技術。由于計算全息只需要提供物波函數，而不需要被記錄物體的真實存在，這給計算全息的應用提供了極大的便利性。隨著計算全息編碼技術和計算機技術的快速發展，計算全息技術已廣泛應用于圖像識別、光束整形、三維顯示、干涉計量等領域。

為了加深對計算全息技術的理解，以便今后能夠更加靈活的應用計算全息技術。通常，信息光學實驗中會開設計算全息實驗，即利用高分辨率的相位調制器實現計算全息圖的實時再現，通過該實驗，學生可以初步理解計算全息的基本原理，但仍然對實驗原理、快速傅里葉變換和編碼方法缺乏深入的理解。為此，許多研究小組對計算全息的Matlab仿真進行了系統深入的研究，但由于Matlab缺乏直觀性，其效果仍然不佳。針對上述情況，本文將開展基于Matlab Gui的計算全息的仿真，不但實現了直觀的效果，還提供了視頻介紹，這對計算全息的學習無疑起到了更大的促進作用。

二、計算全息實驗的基本原理

計算全息圖通常由計算機控制繪圖儀，先制作放大圖形，然后用精密照相機制作縮小的透明片。由于繪圖儀只能識別非負實函數，所以必須對原函數進行編碼轉換，把原函數（通常為復值函數）轉換為非負實函數，以便繪圖儀制作。經過幾十年的發展，已經出現了多種編碼方法，本文中采用羅曼型迂回相位編碼，即在全息圖每個抽樣單元內放置一個矩形通光孔徑，通過改變通光孔徑的面積來編碼復數波面的振幅，改變通光孔徑中心與抽樣單元中心的位置來編碼相位。如果存在模式溢出問題，按照光柵衍射理論，解決的辦法是將溢出的部分移至本單元的另一側進行模式溢出校正[1]。

三、計算全息實驗的Matlab Gui仿真

按照計算全息的基本原理，我們利用Matlab Gui對計算全息進行了模擬仿真，仿真界面如圖1所示。由圖1可以看出：仿真界面主要包括實驗原理的介紹視頻以及通光孔徑寬度、隨機噪聲系數和閾值系數對再現像質量的影響。視頻提供任課實驗教師講解的計算全息實驗的基本原理和Matlab Gui編程的主要思路，該視頻不但可以加深學生對實驗原理的理解，還可以激發學生編程的興趣。

仿真結果表明：通光孔徑寬度越小，再現像越清晰，但再現象的亮度有所下降，由于再現像的亮度會影響再現像的清晰度，故通光孔徑也不能太小，其大小設置需滿足抽樣定理，否則因為亮度太暗而不便觀察。當通光孔徑寬度固定時，若物光場的隨機噪聲系數增大，則再現像越清晰，但再現象的亮度有所下降。當通光孔徑寬度和隨機噪聲系數不變時，增大閾值系數（物頻譜模的最大值與再現的觀察距離之比），再現像也越來越清晰，但再現像的亮度有所下降。

四、結論

本文采用Matlab Gui軟件模擬了計算全息圖。仿真界面不但友好、直觀，而且提供了視頻介紹的功能。仿真結果不但驗證了計算全息實驗的基本現象，而且可激發學生編程以及計算全息理論知識的學習興趣。

參考文獻：

[1]蘇顯渝，李繼陶編著.信息光學[M].北京市：科學出版社， 1999