一种通过一步固定角相移消除数字全息零级像的方法

摘要

一种通过一步固定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双参考光矩形光路，光路中加载在微动平移台上的平行背对反射镜组能够在微动平移台进行位移时，保证两束参考光的相移量互为相反数，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，因此消除了多步骤引起的误差，并且使相移技术更加简便、可操作性更强。

说明书

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固定角相移消除零级像的离 轴或同轴数字全息方法。

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

本发明目的是解决传统多步相移存在较大误差因而将对结果产生不利影响的问题， 提出一种通过一步固定角相移消除零级像的数字全息方法。

本发明方法通过一步固定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 发明设计出了一种矩形双参考光实验光路，通过调节微动平移台同时改变两束参考光的 相位，并保持相移量为相反数，提出了一种基于该试验光路的一步固定角相移消零级方 法。且该方法在离轴全息和同轴全息均可使用。

本发明提供的通过一步固定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、通过分束镜将参考光分为两束，利用三个反射镜经过反射形成矩形光路。

第2、在矩形光路中放置一微动平移台，微动平移台的位移方向与该光路方向重 合，微动平移台上安装有背对平行反射镜组，该反射镜组中的两个反射镜相互背对且平 行，反射镜与光路相互垂直，实现双参考光原路返回。

第3、通过微动平移台移动背对平行反射镜组，达到同时调节双参考光相位的目 的，相位变化量互为相反，调节平移台使两路参考光到记录平面的距离相同，且两参考 光的传播方向与物光的传播方向之间的夹角一致。记两参考光的初相位为 此时记下两路参考光相干产生的全息图：

其中，和分别为两束参考光的振幅；

第4、分别用这两束参考光与物光进行相干，可以得到两幅全息图。其中A_o是物光 的振幅，是物光的相位。

第5、移动双面镜，使两束参考光之间产生π的位相差。则物光与两束参考光之间的 位相差为此时两束参考光之间，物光与两束参考光之间可以形 成三幅全息图。

第6、因此物光的复振幅可表示为：

本发明的优点和积极效果：

本发明首次提出了一种联动双参考光矩形光路，光路中加载在微动平移台上的平行 背对反射镜组能够在微动平移台进行位移时，保证两束参考光的相移量互为相反数，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，因此消除了多步骤引起的误差，减少了定步长或者等步长相移对相移 器必须的高精度要求，并且使相移技术更加简便、可操作性更强，而且本发明既适用于 同轴全息，也适用于离轴全息。

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-分束镜、4-反射镜、5-分束镜、6-反射镜、7-微 动平移台及其上固定的两平行背对反射镜、8-反射镜、9-反射镜、10-CCD、11～13-遮光 板、14-待测物体；

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是全息实验中两初始参考光的干涉图样；

图5是全息实验中初始参考光1与物光的干涉图样；

图6是全息实验中初始参考光2与物光的干涉图样；

图7是全息实验中相移后的两参考光的干涉图样

图8是全息实验中相移后的参考光1与物光的干涉图样；

图9是全息实验中相移后的参考光2与物光的干涉图样；

图10是物光的恢复图样；

具体实施方式

下面结合附图和MATLAB仿真例子对本发明进一步说明。

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，经过分束镜3分为物光和参考 光，参考光再经过分束镜5后一分为二，定义为参考光一和参考光二。由此，该光路中 存在两束参考光，在光路中放置3面45度的反射镜(6、8和9)，通过反射形成矩形光 路，在矩形光路中放置一微动平移台7，经过微动平移台7上放置的背对平行反射镜组 反射回来，通过放置遮光板(11或12)使参考光一或参考光二分别与物光进行干涉。

实施例1：一步固定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，传播方向沿x轴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、构建相位互为相反数，振幅不等的两平行光作为参考光，其中，参考光1的 振幅参考光2的振幅参考光1和参考光2与x轴的夹角 设置两束参考光的波长为800nm，且记则两参考光的位相为

第三、使两束参考光、参考光1和物光、参考光2和物光分别相干，在MATLAB中 只需将两束光的复振幅相加，再用abs命令对相加的结果进行取模即可得到两束光相干 后的强度，根据公式(1)、(2)、(3)，两束参考光、参考光1和物光、参考光2和物光 相干后的强度分别为I₁、I₂和I₃，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、图6所示。

第四、分别把两束参考光的位相改变起调节微动平移台，使背对平行反射镜组 产生的位相变化的作用，则参考光1的相位为即两束参考光之间的位相差变化为π，通过切光的方法使相移后 两束参考光之间、相移后的参考光1与物光之间、相移后的参考光2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I₄、I₅和I₆，再用mat2gray命令 把相干后的强度转化为灰度图像，分别如图7、图8、图9所示。

第五、根据物光的恢复公式(7)，可得到物光的恢复图，如图10所示。

因此，通过实验验证了该转置在全息消零级中的有效性。同时也验证了，该实验的 配套算法的合理性。