基于MATLAB的数字全息记录与再现系统

袁 婷（南京航空航天大学理学院，江苏南京，210016）



基于MATLAB的数字全息记录与再现系统

袁 婷
（南京航空航天大学理学院，江苏南京，210016）

摘要：数字全息术（Digital Holography，DH）是在传统光学全息技术的基础上，结合现代数字图像技术而发展起来的一种新型成像技术。本文在对数字全息基本原理进行理论分析的基础上，运用MATLAB软件设计了一套数字全息图的记录与再现系统，比较系统、完整的实现了数字全息的记录、再现等功能。

关键词：数字全息；全息再现；MATLAB

0 引言

数字全息术（Digital Holography， DH）是在传统光学全息技术的基础上，结合现代数字图像技术而发展起来的一种新型成像技术。不同于传统光学全息方法，它利用 CCD、CMOS 等光电器件记录全息图并存入计算机，通过计算机数值模拟光学衍射过程再现全息图，并将结果直接显示输出，实现了从记录到再现整个全息过程的数字化。与传统光学全息相比，数字全息具有成像速度快，可定量测量等诸多优点，已经在显微、形貌测量、信息加密、艺术创作和产品展示等领域获得了广泛的应用。

本文在理论分析的基础上搭建了数字全息记录光路，并运用MATLAB设计了数字全息再现程序，实验结果表明，可以系统、完整、准确地实现数字全息记录再现等功能。

图1 光路设计

1 数字全息的记录与再现原理

数字全息的整个过程可以用“干涉记录，衍射再现”来描述。从激光器发出的一束激光被分光镜分成两束相干的激光。一束光作为照明光照射到物体表面，经物体表面漫反射后形成物光波，照射到CCD感光面上。另一束光作为参考光波，直接照射到CCD感光面上，与物光波进行干涉，形成的干涉条纹被CCD记录。

记录的光强近似为：

数字全息通过光学计算来模拟光学重建过程。在记录平面，用一束再现光照射全息图，透出光波为：

第一项是物光与参考光自身的光强，称为零级光，第二项称为原始项，第三项称为共轭项，衍射后在像平面将分别形成零级像、重建像和共轭像。

若参考光波和物光波之间的夹角足够大，在像平面，零级像、重建像和共轭像便可以分离。令照明光波，则对于原始项，由，则可以重现完整的物像。

2 系统设计

数字全息的光路设计主要分为离轴数字全息和同轴数字全息，本系统采用离轴的方法设计。光路设计如图1所示，激光器发出的激光（波长632.8nm）经分束镜BS1分成两束相干的激光。一束光经过显微物镜MO1和透镜L1的扩束准直后，再经过圆孔1和反射镜M到达分束镜BS2，形成参考光。另一束光经过显微物镜MO2和透镜L2的扩束准直，再通过圆孔2照射在样品上，经样品反射到达分束镜BS2，形成物光，与参考光相遇，二者具有一定的夹角，在CCD表面产生干涉，形成干涉条纹，即全息图，被电脑记录。

全息图的再现方法主要有菲涅尔变换法，卷积法，角谱法三种，它们都是基于光学的标量衍射理论和傅里叶变换方法，利用计算机数值模拟光学的衍射过程，从而获得数字化再现光波场。从计算机显示器或打印输出装置中将再现的强度分布和相位分布输出出来。本系统采用常用的菲涅尔变换法，该方法的限制条件为：像平面和全息图平面的距离要远大于物体的尺寸。这一点只要在光路布置时加以调节即可。

此外，为了达到更好的再现效果，系统中还加入了亮度调节、对比度调节等功能。只要导入全息图，并输入激光波长、CCD像素尺寸、再现距离等参数，就可以再现出样品图。

3 实验结果

采用波长为632.8nm的He-Ne激光作为光源，CCD像素尺寸为，样品采用普通的一角硬币，再现距离为300mm，实验结果如图2所示。

图2（a）实验全息图；（b）实验再现图

图2中，（a）图为实验中CCD所拍摄的全息图，（b）图为由全息图再现出的样品图。由再现图可以看出，再现效果较好，样品细节基本可见。

4 结论

本文在基于Matlab的基础上，设计了一套数字全息记录与再现系统，并详细介绍了系统中光路的搭建结构和再现程序的设计。实验结果表明，该系统可以准确完整的再现出样品图，为对样品的进一步研究打下良好的基础，具有较高的使用价值。

参考文献

［1］王广俊. 数字全息技术及其在测量中的应用研究［D］. 北京工业大学，2011.

［2］郭中甲. 实用化数字全息记录和再现系统的设计与实现［D］.河北工程大学，2012.

［3］杨翀.光学干涉计量用于振动测量的算法和实验研究［D］.中国科学技术大学，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

中图分类号：TP311

文献标识码：A

作者简介

袁婷（1982—），女，实验师，硕士，研究方向：光学信息处理。