全息圖像存儲VIP

實驗六全息圖像存儲A13組陸林軒03光信息033012017實驗時間：2006-3-27實驗環(huán)境：18-20°C，雨[實驗目的]了解全息照相的基本原理和基本規(guī)律。了解傅立葉變換全息圖的基本原理。掌握全息圖像的存儲和提取信息的方法。[實驗用具]He-Ne激光器、4f系統(tǒng)、防震臺、秒表、尺子、底片、毛玻璃屏D76顯影劑、F5定影液、夾子、電吹風機、抹布[實驗原理]激光全息存儲技術(shù)是一種利用激光干涉原理將圖文等信息記錄在感光介質(zhì)上的大容量信息存儲技術(shù)。目前，這種信息存儲技術(shù)是通過將縮微膠片上的影像轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑畔ⅲ缓笾瞥龃鎯γ芏群艽蟮娜D。所謂全息照片就是一種記錄被攝物體反射（或透射）光波中全部信息的先進照相技術(shù)。全息照片不用一般的照相機，而要用一臺激光器。激光束用分光鏡一分為二，其中一束照到被拍攝的景物上，稱為物光束；另一束直接照到感光膠片即全息干板上，稱為參考光束。當光束被物體反射后，其反射光束也照射在膠片上，就完成了全息照相的攝制過程。反射激光全息圖像成像原理是將入射激光射到透明的全息乳膠介質(zhì)上，一部分光作為參考光，另一部分透過介質(zhì)照亮物體，再由物體散射回介質(zhì)作為物光，物光和參考光相互干涉，在介質(zhì)內(nèi)部生成多層干涉條紋面，介質(zhì)底片經(jīng)處理后在介質(zhì)內(nèi)部生成多層半透明反射面(例如6微米厚的乳膠層里可以有20多個反射面)，用白光點光源照射全息圖，介質(zhì)內(nèi)部生成的多層半透明反射面將光反射回來，迎著反射光可以看到原物的虛像，因而稱為反射激光全息圖。全息照相主要分為兩步，即全息記錄和波前再現(xiàn)。1.全息記錄如圖1所示,將激光器輸出的光束分為兩束，一束投射到記錄介質(zhì)上，稱為參考光束；另一束投射到物體上，經(jīng)物體反射或透射后，產(chǎn)生物光束，也到達記錄介質(zhì)。兩光束在記錄介質(zhì)上形成干涉條紋，把干涉條紋記錄下來即得到全息圖。干涉條紋的明暗對比程度反映了物體上各處發(fā)光的相對強度。因為射到底片上的參考光的強度是各處一樣的，各處物光的強度不同，其分布由物體的發(fā)光決定，這樣參考光和物光干涉時形成的干涉條紋在底片上各處的濃淡也不同。這濃淡就反映了物體上各處發(fā)光的相對強度。干涉條紋的密度和方向反映了物體上各處發(fā)的光到達底片時的相位不同。設(shè)a，b為某相鄰兩條暗紋所在位置。要形成暗紋，在a，b兩處的物光和參考光必須都反相。由于參考光在a，b兩處是同相的，所以到達a，b兩處的物光與參考光的光程差必須是λ。由圖3幾何關(guān)系可知(1)即(2)這一公式說明，在底片上同一處，來自物體上不同發(fā)光點的光，由于它們的θ或r不同，與參考光形成的干涉條紋的間距就不同，因此底片上各處干涉條紋的間距，以及條紋的方向就反映了物光光波的相位的不同，這實際上反映了物體上各發(fā)光點的位置的不同。整個底片上形成的干涉條紋，實際上是物體上各發(fā)光點，發(fā)出的物光與參考光所形成的干涉條紋的疊加。波前再現(xiàn)如圖3所示,用一束同參考光束的波長和傳播方向完全相同的光束照射全息圖，則用眼睛可以觀察到一幅逼真的原物圖像。全息圖上的任一點均記錄了物光束的全部信息，所以用全息圖的任一部分均可重現(xiàn)被照物體。波前再現(xiàn)的原理為：布滿干涉條紋的全息圖相當于一個光柵，照明光束經(jīng)全息底片衍射后，產(chǎn)生衍射場，其中包含了原物的波前，人眼看到的是這個再現(xiàn)波前產(chǎn)生的虛像。本實驗使用4f成像系統(tǒng)進行實驗，實驗系統(tǒng)分為兩部分，一部分實現(xiàn)全息存儲（圖2），另一部分實現(xiàn)全息再現(xiàn)（圖3）。底片處理分曝光、顯影和定影三個過程。曝光：曝光就是使感光底片感光，感光底片的感光作用是由感光材料引起的。目前所用的感光材料主要是鹵化銀。感光過程基本上是一種光化作用結(jié)果。在光照射下，鹵化銀中的銀離子還原成銀原子，然后聚積在受光點附近，形成一個銀斑，這銀斑常稱為“潛影”。顯影：把感光后的底片放到D76顯影液里，靠近“潛影”的銀離子繼續(xù)還原，使銀斑的密度加大，直到形成可以清楚辨認的黑斑。定影：用F5定影液把未分解的鹵化銀溶解掉。經(jīng)過定影的底片已無感光物質(zhì)，因此即使底片暴露在光線下它也不再被感光，這樣就保證只有原來被曝光處有潛影，把原來的影像在某種程度上固定了。曝光、顯影和定影三個過程的時間控制,對實驗的成敗影響很大。[實驗注意事項]1、一定不能用手或其他東西接觸光學元件以保持清潔不損。這是光學實驗室的一般常識，在全息照相實驗室尤為重要，因為一個塵埃就可以引起一套衍射環(huán)，將對全息圖引入噪聲。2、要求激光器具有TEM00模，這樣可以達到較高的空間相干性，否則光強不均勻不穩(wěn)定，給實驗帶來很大困難。此外盡量要使物和參考光等光程，其差值至多在幾個cm之內(nèi)，保證很好的時間相干性。3、為取得對比度較好的全息圖，實驗必須要在隔振臺上進行，且曝光時不要走動，大聲說話，不要接觸臺面上的任何器件，以保證光程穩(wěn)定。一般振動、熱或聲波等引起光程差的變化在曝光時不得超過。4、對底板的曝光時必須使曝光的動態(tài)部分處在底板的乳劑特性曲線的線性部分以保證通過率（，E為曝光量，T為曝光時間）。為此常使參考光與物光光強之比約三到六；若隔振條件不理想和實驗室內(nèi)雜散光太大，則該比例向1：1靠近。5、全息圖上干涉條紋的寬度為，為物與參考光之間的夾角。因此必須選用分辨開干涉條紋的底板或控制使能被感光板分辨開。天津生產(chǎn)的全息感光板的分辨率在3000/mm以上已是足夠用了。但使用時應注意底板膠面朝向物光。鑒別膠面時用手摸底板邊緣，不要觸摸底板中央的使用部分。顯影時膠面向上放入顯影盤中，并且要經(jīng)常搖動顯影盤以使顯影均勻。[實驗操作]He-Ne激光器發(fā)出的一束激光經(jīng)分束鏡分成兩束，透射光經(jīng)全反鏡M1、擴束鏡及準直系統(tǒng)之后照射景物，經(jīng)透鏡聚焦至底片上（稱為物光）。另一束從分束鏡表面反射，經(jīng)全反鏡M2照射底片（稱為參考光）。這兩束光在底片上相遇，當其光程在激光的相干長度范圍內(nèi)便產(chǎn)生干涉，放上底片便能拍攝到很多干涉條紋，這些干涉條紋能以光的強弱（振幅）的形式記錄下物光的振幅和位相（見圖2全息存儲）。我們采用D76顯影液，具體顯影定影時間為28s。重現(xiàn)物光時仍采用He-Ne激光照射底片，透過這組干涉條紋就像透過光柵一樣，經(jīng)過光柵衍射，便可重現(xiàn)物光波的波前，在接受屏上看到物像（見圖3全息再現(xiàn)）。圖2全息存儲圖3全息再現(xiàn)實際的實驗臺及其光路器具如圖4所示，從左到右依次對應圖3。圖4實驗臺及光路器具圖1、光路調(diào)節(jié)：1)打開激光器進行預熱2分鐘，待激光器發(fā)光穩(wěn)定后再進行實驗。2)按圖2所示，在防震平臺上布置光路。要求激光參考光從分光鏡經(jīng)反射鏡到底片支架，注意使物光與參考光的光程近似相等，并且兩光束要在同一水平面上。為使物光和參考光的光強比值約為1/6至1/3，我們是光束打在分光鏡原色最淡(透射率最高)的部分。3)放上透鏡L2調(diào)節(jié)其主光軸與激光束重合，放入L1使其焦點與L2的前焦點重合，這時光路出射的為一束半徑約為L2半徑大小的平行光束。4)放上透鏡L3用毛玻璃在干板支架上找出其后焦點，并測量L3的焦距。然后把干板支架從L3的后焦點處開始向后移動4mm，然后把此光路的所有器件都固定。5)調(diào)節(jié)參考光束使其光斑在毛玻璃板上與物光的光斑重合，而且兩光束的夾角要盡量小。應注意激光在分束鏡中會發(fā)生多次反射，應取反射光的第一級光束。6)把透明物放在L3的前面1到2倍焦距之間，透明物要能夠均勻照明。2、曝光：1)確保關(guān)閉所有白光光源，包括激光電源的指示電筒應朝下放置，以杜絕白光泄露導致曝光失敗。2)在黑暗情況下取出底片，放在原來后屏位置，注意必須保證焦點可打在感光物質(zhì)上，且曝光點應位于感光片較中心位置。其中含感光物質(zhì)一面為粗糙面，為曝光正面。底片感光面的判別方法：用濕潤的手指輕輕瞬間觸摸玻璃表面，若有沙子版粗糙感即為感光面。3)曝光時間為28秒，用秒表計時，計時同時打開光闌開關(guān)。注意曝光過程中嚴禁走動、說話，關(guān)閉實驗室所有的燈及空調(diào)、抽風機等，也不要碰到全息臺及以上任何器件，保持光程不變以保證光程穩(wěn)定。3、顯影、定影：將曝光完畢的底片拿到暗室進行顯影和定影。暗室中可以開一綠光燈，因為底片對綠光不敏感，其間絕對不能有白光。顯影：時間6分鐘，感光面向上。定影：時間8分鐘，感光面向上。定影完畢后，再用清水沖洗干凈。然后用吹風筒吹干底片。顯影液和定影液用過后倒回原容器中以供重復利用。4、波前再現(xiàn)：1)將底片放置在光座上，距離氦氖激光出射點約30cm，調(diào)整底片位置使激光照射到底片上的小黑點中心。2)若投射在墻上，光強太弱無法分辨。所以應手持兩張A4紙作為再現(xiàn)屏，轉(zhuǎn)動底片角度，到紙上出現(xiàn)原物體像為止。3)于在曝光的時候，光是以一定的角度射在底片上的，所以慢慢轉(zhuǎn)動底片，特定的角度下在底片后用一張白紙來承接全息像，看見有兩個成像，一個是倒立像，一個是正立像。[實驗記錄與分析]1、實驗記錄如下物光與參考光光強之比：1:3至1:6物光與底板距離：91.8cm參考光與底板距離：90.2cm物光與參考光夾角：，°顯影時間：6分鐘定影時間：8分鐘2、實驗現(xiàn)象以及分析從以上數(shù)據(jù)中可以看出，物體及參考光源與底板的距離大致相等，光程差為1.6cm，說明該光路的物參兩光時間相干性非常好。物光與參考光兩光的角度°也很小，這使得再現(xiàn)時成像的位置角度不會太大，以致于無法觀測。本組實驗時只曝光了一次，經(jīng)顯影和定影后得到一底片(附于實驗報告上小紙袋內(nèi))，底片上有一個小黑點，這個小黑點即是我們所要的全息圖像。經(jīng)過全息再現(xiàn)過程，我們在接受屏(白色A4紙)上可以觀察到比較清晰的再現(xiàn)圖像。由于此圖像亮度比較低，無法用相機拍下來，所以下面只能用畫圖工具畫出當時圖像的基本形狀圖5全息再現(xiàn)圖像從圖5可以看出，再現(xiàn)圖像的中間有一個亮點，亮點周圍還有一些圓圈，而在圓圈兩側(cè)分別各有一個物體的像，左邊的像是倒立的，右邊的像是正立的。關(guān)于出現(xiàn)一倒立和一正立的像的解釋：1)設(shè)待儲存的透明圖像的振幅透過率為，在其頻譜面得到的傅立葉變換為，其中，，此處用一均勻的參考光和頻譜干涉，產(chǎn)生傅立葉變換全息圖。干涉條紋的強度為：其中參考點等效于前焦面上點光源，其傅立葉變換應是，代入有：上式中的第三項是原始物象中的空間頻譜全息像，在圖像識別技術(shù)中這個光搶拍下的全息圖可作空間濾波器用。經(jīng)顯影、定影后，全息圖所具有的透過率，此全息圖可經(jīng)一次逆傅立葉變換而還原圖像，在傅式透鏡的后焦面上可得到物的再現(xiàn)圖，如下式：從上式可知，經(jīng)過逆傅立葉變換之后，原來透明物與參考點的相對位置b變?yōu)?b，即如果原來透明物在參考點上方則經(jīng)過變換之后的像位于參考點下方，所以得到的像是倒立的。2)全息底片相當于一個光柵，當光照射到底片上時，會發(fā)生衍射，衍射斑從中間向兩側(cè)依次是0級、1級、2級、3級條紋，而且越向外條紋越弱，因為衰減很快可見條紋并不多。在最中間的是0級條紋，這個條紋是入射光直射通過底片形成的，只是一個斑點，不會在這里出現(xiàn)物體的像。在底片右下側(cè)，衍射匯聚光可形成實像點，在左下側(cè)是發(fā)散的衍射光，雖可以形成亮點，但不是物點的像。用屏觀察，右下方有一位置亮點最小，這就是再現(xiàn)實像點；在進底片處，衍射光先是匯聚后發(fā)散。左下方的衍射光自底片處開始，衍射光斑隨距離增加而變大，這是形成虛像的衍射光。由于是細光束衍射，故用屏觀察，容易誤認為是再現(xiàn)虛像，這種“實像”是由于虛像點衍射所形成，故與真實實像互為倒立。[思考與總結(jié)]1、什么叫4f信息處理系統(tǒng)，為什么全息圖像存儲要在全息臺上用4f信息處理系統(tǒng)?答：如圖6所示，4f信息處理系統(tǒng)由兩個焦距相同的透鏡組成，其中一個透鏡實現(xiàn)物光波前的全息存儲，另一個則實現(xiàn)物光波前的再現(xiàn)。因為從實物到它經(jīng)全息底片重現(xiàn)出來的像的距離剛好為透鏡焦距的4倍，所以把這個系統(tǒng)稱為4f信息處理系統(tǒng)。物光和參考光在底片相遇，當其光程在激光的相干長度范圍內(nèi)便產(chǎn)生干涉，在底片上產(chǎn)生干涉條紋?？梢娺@個實驗對于光程差的要求是十分嚴格的。所以我們利用全息光學平臺，可以減小外界震動對光程的影響。fffffSLcy1x1y21x21y31x31L1L2P1P2P3圖64f相干光學信息系統(tǒng)2、能否用白光實現(xiàn)全息圖像存儲？為什么？答：可以。全息圖像存儲的原理是要把物光的波前信息全部存儲起來，而且這種存儲要能通過用相同的光照射底片得到與原物光波前相同的光。因為白光中含有多種波長的光，因而不能用通常的底片，我們可以用有厚乳膠層的干版做底片。白光的全息紀錄也是利用分離的相干光束進行疊加，物光和參考光分別從記錄介質(zhì)的兩側(cè)入射，兩束光之間的夾角接近于180°。兩光束在全息記錄介質(zhì)內(nèi)建立起駐波，形成接近平行于記錄介質(zhì)的表面的干涉條紋，這些條紋也紀錄了物光的所有波前信息。只要把這些條紋紀錄下來，經(jīng)過顯影和定影之后，用白光照射這個紀錄底片照樣可以重現(xiàn)出物體的原形。所以用白光也是可以實現(xiàn)全息存儲的，只是用白光全息存儲的底片相當于一個三維立體光柵，而不是平面光柵。3、全息圖像存儲有什么用途？答：全息圖像儲存有以下用途：（1）全息干涉計量技術(shù)：全息干涉計量能實現(xiàn)高精度非接觸無損測量(測量范圍為)，對任意形狀、任意粗糙表面的物體均可測量,利用全息圖的三維性可從不同的視角去考察一個形狀復雜的物體,一個干涉計量全息圖相當于一般干涉計量進行多次觀察的結(jié)果。（2）全息信息存儲：該技術(shù)在激