數(shù)字全息綜合實驗

1、數(shù)字全息綜合實驗實 驗 講 義、夕 4,刖百傳統(tǒng)全息實驗通過干涉記錄與衍射再現(xiàn)描述了物體的振幅與相位信息， 并使用銀鹽或光致聚合物干板做為記錄介質(zhì)，通過使用不同濃度、溫度的藥液，經(jīng)過顯影定影，再現(xiàn)物體信息，拍攝過程對環(huán)境要求較高，沖洗存在一定的安全隱患，實驗結(jié)果不方便進行二次開發(fā)。數(shù)字全息實驗使用高精度 CMOS!機和空間光調(diào)制器件（SLM進行采集和再現(xiàn)，降低了對環(huán)境（暗室、防震）的要求，免去了沖洗的不安全隱患，可以對數(shù)據(jù)進行二次開發(fā)，如濾波、存儲、傳輸、加密安全等，拓展了全息的應(yīng)用領(lǐng)域，使經(jīng)典光學(xué)再現(xiàn)現(xiàn)現(xiàn)代風(fēng)采。1. 實驗?zāi)康腶. 通過本實驗掌握數(shù)字全息實驗原理和方法；b. 通過本實驗熟悉空

2、間光調(diào)制器的工作原理和調(diào)制特性；c. 通過本實驗理解光信息安全的概念和特點；2. 實驗原理全息技術(shù)利用光的干涉原理，將物體發(fā)射的光波波前以干涉條紋的形式記錄下來， 達到凍結(jié)物光波相位信息的目的；利用光的衍射原理再現(xiàn)所記錄物光波的波前，就能夠得到物體的振幅（強度）和位相（包括位置、形狀和色彩）信息，在光學(xué)檢測和三維成像領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢。由于傳統(tǒng)全息是用鹵化銀、重鉻酸鹽明膠（DCG和光致抗蝕劑等材料記錄全息圖，記錄過程煩瑣（化學(xué)濕處理） 和費時，限制了其在實際測量中的廣泛應(yīng)用。數(shù)字全息技術(shù)是由Goodma Lawrence在1967年提出的，具基本原理是用光敏電子成像器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)全息記錄材料記錄

3、全息圖，用計算機模擬再現(xiàn)取代光學(xué)衍射來實現(xiàn)所記錄波前的數(shù)字再現(xiàn)，實現(xiàn)了全息記錄、存儲和再現(xiàn)全過程的數(shù)字化， 給全息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用增加了新的內(nèi)容和方法。目前常用的光敏電子成像器件主要有電荷耦合器件 CCD CMO及感器和電荷注入器件CID三類。（一 ）數(shù)字全息技術(shù)的波前記錄和數(shù)值重現(xiàn)過程可分為三部分：a. 數(shù)字全息圖的獲取。將參考光和物光的干涉圖樣直接投射到光電探測器上，經(jīng)圖像采集卡獲得物體的數(shù)字全息圖，將其傳輸并存儲在計算機內(nèi)。b. 數(shù)字全息圖的數(shù)值重現(xiàn)。本部分完全在計算機上進行，需要模擬光學(xué)衍射的傳播過程，一般需要數(shù)字圖像處理和離散傅立葉變換的相關(guān)理論，這是數(shù)字全息技術(shù)的核心部分。c. 重

4、現(xiàn)圖像的顯示及分析。輸出重現(xiàn)圖像并給出相關(guān)的實驗結(jié)果及分析。與傳統(tǒng)光學(xué)全息技術(shù)相比，數(shù)字全息技術(shù)的最大優(yōu)點是：（1）由于用CC/圖像傳感器件記錄數(shù)字全息圖的時間，比用傳統(tǒng)全息記錄材料記錄全息圖所需的曝光時間短得多，因此它能夠用來記錄運動物體的各個瞬間狀態(tài)，其不僅沒有煩瑣的化學(xué)濕處理過程，記錄和再現(xiàn)過程都比傳統(tǒng)光學(xué)全息方便快捷；（2） 由于數(shù)字全息可以直接得到記錄物體再現(xiàn)像的復(fù)振幅分布，而不是光強分布，被記錄物體的表面亮度和輪廓分布都可通過復(fù)振幅得到，因而可方便地用于實現(xiàn)多種測 量； （3） 由于數(shù)字全息采用計算機數(shù)字再現(xiàn)，可以方便地對所記錄的數(shù)字全息圖進行圖像處理，減少或消除在全息圖記錄過程中

5、的像差、噪聲、 畸變及記錄過程中CC湍件非線性等因數(shù)的影響，便于進行測量對象的定量測量和分析。目前 , 數(shù)字全息技術(shù)已開始應(yīng)用于材料形貌形變測量、振動分析、三維顯微觀測與物體識別、粒子場測量、生物醫(yī)學(xué)細胞成像分析以及MEMSS件的制造檢測等各種領(lǐng)域。雖然國內(nèi)外在數(shù)字全息技術(shù)方面已經(jīng)開展了大量的研究工作，但對于這一全息學(xué)領(lǐng)域的最新發(fā)展成果及其相關(guān)知識的傳播和教學(xué)方面目前明顯落后于科研，在全息學(xué)的實驗教學(xué)上仍然以傳統(tǒng)全息成像方法為主，很少涉及現(xiàn)對此，我們 ,該系統(tǒng)不僅代數(shù)字全息學(xué)知識，特別是缺少相關(guān)的數(shù)字全息實驗教學(xué)儀器設(shè)備 設(shè)計了可用于數(shù)字全息成像實驗教學(xué)的廣義數(shù)字全息實驗教學(xué)系統(tǒng)包含了數(shù)字全息

6、圖記錄、圖像處理、重構(gòu)再現(xiàn)的算法及其學(xué)習(xí)操作軟件系統(tǒng)，還涉及了空間光調(diào)制器在全息再現(xiàn)的應(yīng)用和光信息安全方面的知識，不但可以演示數(shù)字全息記錄與成像過程，而且可自主學(xué)習(xí)和研究不同實驗參數(shù)設(shè)置下的數(shù)字全 息成像特性。（二）數(shù)字全息記錄和再現(xiàn)的基本理論數(shù)字全息的記錄原理和光學(xué)全息一樣，只是在記錄時用數(shù)字相機來代替全息 干板，將全息圖儲存到計算機內(nèi)，用計算機程序取代光學(xué)衍射來實現(xiàn)所記錄物場 的數(shù)值重現(xiàn)，整個過程不需要在暗室中進行顯影、 定影等物理化學(xué)過程，真正實 現(xiàn)了全息圖記錄、存儲、重現(xiàn)和處理全過程的數(shù)字化。a.數(shù)字全息的光路分析由于數(shù)字全息是使用數(shù)字相機代替全息干板來記錄全息圖，因此想要獲得高質(zhì)量的

7、數(shù)字全息圖，并完好地重現(xiàn)出物光波，必須保證全息圖表面上的光波的空 問頻率與記錄介質(zhì)的空間頻率之間的關(guān)系滿足奈奎斯特采樣定理，即記錄介質(zhì)的空間頻率必須是全息圖表面上光波的空間頻率的兩倍以上。但是，由于數(shù)字相機的分辨率（約100線/mm）比全息干板等傳統(tǒng)記錄介質(zhì)的分辨率（達到5000線/mm） 低得多，而且數(shù)字相機的靶面面積很小，因此數(shù)字全息的記錄條件不容易滿足， 記錄結(jié)構(gòu)的考慮也有別于傳統(tǒng)全息。目前數(shù)字全息技術(shù)僅限于記錄和重現(xiàn)較小物 體的低頻信息，且對記錄條件有其自身的要求，因此要想成功地記錄數(shù)字全息圖， 就必須合理地設(shè)計實驗光路。設(shè)物光和參考光在全息圖表面上的最大夾角為max,則數(shù)字相機平面上

8、形成2 x的最小條紋間距 emin為:emin2sin max 2所以全息圖表面上光波的最大空間頻率為:f max2sin 2 max 一個給定的數(shù)字相機像素大小為 x,根據(jù)采樣定理，一個條紋周期 e要至 少等于兩個像素周期，即e 2 x ,記錄的信息才不會失真。由于在數(shù)字全息的 記錄光路中，所允許的物光和參考光的夾角 很小，因此sin tan ，有：所以max 2 x在數(shù)字全息圖的記錄光路中，參考光與物光的夾角范圍受到數(shù)字相機分辨率 的限制。由于現(xiàn)有的數(shù)字相機分辨率比較低，因此只有盡可能地減小參考光和物 光之間的夾角，才能保證攜帶物體信息的物光中的振幅和相位信息被全息圖完整 地記錄下來。數(shù)字

9、相機像素的尺寸一般在 510 m范圍內(nèi)，故所能記錄的最大物參角在24度范圍內(nèi)。只要抽樣定理滿足，參考光可以是任何形式的，可以使用準(zhǔn)直光或是發(fā)散光, 可以水平入射到數(shù)字相機或是以一定的角度入射。與傳統(tǒng)全息記錄材料相比，一方面，由于記錄數(shù)字全息的數(shù)字相機靶面尺寸 小，僅適應(yīng)于小物體的記錄；另一方面，目前數(shù)字記錄全息圖的數(shù)字相機像素尺 寸大，分辨率低，使記錄的參物光夾角小，因此只能記錄物體空間頻譜中的低頻部分，從而使重現(xiàn)像的分辨率低，像質(zhì)較差。綜上,在數(shù)字全息中要想獲得較好的重現(xiàn)效果，需要綜合考慮實驗參數(shù)，合理地設(shè)計實驗光路。 b.數(shù)字全息記錄和再現(xiàn)算法yHXhu xy物平面OhiH Xh, yH記

10、錄面 u x,y重現(xiàn)面圖數(shù)字全息圖記錄和重現(xiàn)結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)系示意圖圖給出了數(shù)字全息圖記錄和重現(xiàn)結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)系示意圖。物體位于xoy平面上 與全息平面XHOHyH相距d,即全息圖的記錄距離，物體的復(fù)振幅分布為u x, y。數(shù)字相機位于Xh Oh yH面上，h Xh , yH是物光和參考光在全息平面上的干涉光強分布。xo'y'面是數(shù)值重現(xiàn)的成像平面，與全息平面相距d',也稱為重現(xiàn)距離。ux,y是重現(xiàn)像的復(fù)振幅分布，因為它是一個二維復(fù)數(shù)矩陣，所以可以同時得到重現(xiàn)像的強度和相位分布對于圖的坐標(biāo)關(guān)系，根據(jù)菲涅耳衍射公式可以得到物光波在全息平面的衍射光場分布O xH , yH為:O Xh

11、 , yHjkd ej djk2u x, y exp x xH2d2.1y yH dxdy其中為波長，k 2/為波數(shù)。全息平面上，設(shè)參考光波的分布為R Xh , yH ，則全息平面的光強分布iH Xh )h 為:i H XH , yHO Xh , yHR Xh , yHO Xh ,yHR Xh , yH其中上角標(biāo)*代表復(fù)共腕。用于參考光波相同的重現(xiàn)光波 R Xh , yH全息圖時,全息圖后的光場分布為iH Xh , yHR Xh , yH在滿足菲涅耳衍射的條彳下，重現(xiàn)距離為d'時，成像平面上的光場分布''u X , y 為:jkd e u x , y j dXh , y

12、Hjk '2R Xh , Yh exp ; X Xh y2dyh2dxHdyH將式中二次相位因子2xXh，2 一y Yh展開，則式可寫為:jkd e ；expj dLx'2d2yCj2iH Xh , Yh R Xh, Yh exp 一: Xh d2YhYhY dxHdyHs 1exp j2 r xHx d在數(shù)字全息中，為了獲彳#清晰的重現(xiàn)像，d必須等于d （或者 d）,當(dāng)d d 0時，原始像在焦，重現(xiàn)像的復(fù)振幅分布為:jkd.'' ej22u x , y exp x yj d dF 1 iH Xh , Yh R Xh , Yh exp2Xh2Yh同理，當(dāng)d

13、9; d 0時，共扼像在焦，重現(xiàn)像的復(fù)振幅分布為:jkd.' eI22u X , y- expx yj d d22xhyHijF iH Xh , yH R Xh , yH exp - d這樣，利用傅立葉變換就可以求出重現(xiàn)像，這也是稱之為傅立葉變換算法的 原因。在式和式中，傅立葉變換的頻率為：y d根據(jù)頻域采樣間隔和空域采樣間隔之間的關(guān)系，可得:，f _L_ yM XhN yH其中和N分別為兩個方向的采樣點個數(shù)。所以，全息平面的像素大小和重現(xiàn)像 面的像素大小之間的關(guān)系為：d' dx y M xhN yH式標(biāo)明，重現(xiàn)像的象素大小和重現(xiàn)距離d成正比，重現(xiàn)距離越大，x和y 就越大，分辨

14、率就越低。在數(shù)值重現(xiàn)的整個計算過程中， 數(shù)字圖像的象素總數(shù)是 保持不變的，因此，重現(xiàn)像的整體尺寸也與重現(xiàn)距離有關(guān)， 隨著重現(xiàn)距離的增大 而增大。如果利用數(shù)字圖像處理方法對全息圖iH Xh，Yh進行預(yù)處理，然后再進行重現(xiàn)，則可以消除重現(xiàn)像中零級亮斑以及共扼像 （或原始像）離焦所帶來的影響。C.數(shù)字全息再現(xiàn)像質(zhì)量提高的方法如果采用離軸方式記錄全息圖，只要在全息圖的記錄過程中滿足再現(xiàn)像的分 離條件，在重現(xiàn)過程中就可以使再現(xiàn)像、共扼像和直透光分開。但是，數(shù)字全息 在重現(xiàn)時，除實驗需要的原始圖像外，直透光和共扼像也同時在屏幕上以雜亂的 散射光形式出現(xiàn)，而且擴展范圍很寬，二者的存在對再現(xiàn)像的清晰度造成很大

15、影 響，特別是直透光，由于占據(jù)了大部分能量而在屏幕的當(dāng)中形成一個亮斑，致使再現(xiàn)像由于亮度相對較低，在屏幕上顯示時因為太暗淡而致使細節(jié)難以顯示出 來。如果能將直透光和共扼像去除，數(shù)字全息的再現(xiàn)像質(zhì)量將會有大幅度的提高， 應(yīng)用范圍也會相應(yīng)擴大。為了達到上述目的，目前主要有三類方法可供選擇，第一類方法是基于實驗 方案，如利用相移技術(shù)消除直透光和共扼像。 這種方法不但去除效果好，而且可 以擴大再現(xiàn)的視場，但至少需要記錄4幅全息圖，而且實驗裝置比較復(fù)雜，同時 對環(huán)境的穩(wěn)定性要求也比較高，更重要的是這種方法不能適用于對生物細胞等非 靜止的物體的記錄，因而應(yīng)用范圍受到限制，在這里不做詳細的介紹。第二類方 法

16、是對數(shù)字全息圖進行傅立葉變換和頻譜濾波，將其中的直透光和共扼像的頻譜 濾掉。這種方法只需要記錄一幅全息圖，但是由于要進行一次傅立葉變換和反變 換，不僅浪費時間，而且在運算過程中，有用信息也會丟失，會使再現(xiàn)結(jié)果產(chǎn)生 較大的誤差。第三類方法就是應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)，直接在空域?qū)θD進行 處理。這種方法不僅處理效果好，而且容易實現(xiàn)。下面對后兩類方法做詳細分析。頻譜濾波法對于離軸數(shù)字全息圖的頻譜，如果載波的頻率大于成像目標(biāo)的最高頻率的3倍，其零級亮斑、原始像和共扼像的頻譜是彼此分開的，這也為應(yīng)用頻譜濾波法提供了可能性。全息圖的強度分布為：_*Ihx, y R x, yOx, y R x, yO x,

17、y_2 _2_*_*_R x, y O x, y R x, y O x, y O x, y R x, y 對（14）式的全息圖光強分布I作傅立葉變換可以得到：F IAo fx, fy Al fx, fy fo A2 fx, fy fo22其中，fo為參考光的頻率，Ao fx, fy F Rx,y| O x,y| , *A fx,fy fo F R x, y O x,y , A2 fx, fy fo F O x, y R x, y如果物函數(shù)Ox,y是帶限的，具最高空間頻譜為fmax,帶寬為2fmax,全息 圖的頻譜如圖所示，其中，2B為物體的頻率帶寬，Ao為頻譜平面坐標(biāo)原點上的 函數(shù)和物函數(shù)自相

18、關(guān)頻譜的和，其中心位于原點，但是其帶寬擴展到4fmax；Ai 和A2分別表示物光波的 1級頻譜，其中心分別位于 fo處帶寬為2fmax。圖示可 以看到，當(dāng)滿足條件fo3fmax 時，Afx,fy、Alfx, fyfo、Afx, fyfo三項在頻譜面上是彼此分離的。將 Ai fx, fy fo取出來，即物光波的頻譜，再進 行逆傅立葉變換，可以得到頻譜濾波后的數(shù)字全息圖， 然后對其進行重現(xiàn)，就能 獲得無零級亮斑和共扼像的重現(xiàn)像。該方法充分利用了離軸全息圖頻譜分離這一 特點，從而消除零級亮斑和共扼像所造成的干擾，具體的操作過程如圖所示。圖頻譜濾波法的操作流程圖在頻譜濾波法中，濾波窗口的選擇至關(guān)重要，

19、選取的原則是：既要讓物體的 高頻信息通過，又要最大限度地過濾掉噪聲，盡量選取較窄的頻譜寬度。實際上， 物體的頻譜一般主要集中于低頻部分， 而且在頻譜的中心部分強度很大，集中了 很大一部分能量；相對而言，其它的頻譜成分集中的能量要小得多。 在濾波窗口 中，往往噪聲也被選中作為物場的一部分得以重現(xiàn)，具結(jié)果會增加噪聲對重現(xiàn)像 的影響。一般情況下，對數(shù)字全息圖的頻譜做二維濾波處理， 濾波窗口需要是封 閉的二維圖形，通常用矩形窗口就能得到較好的結(jié)果， 當(dāng)然，濾波窗口也可以是 圓形或者橢圓形的，這需要根據(jù)物體頻譜分布的實際情況來確定。利用頻譜濾波技術(shù)，只選擇原始像的頻譜部分用于數(shù)值重現(xiàn)， 可以削弱或消 除

20、零級亮斑、共扼像以及噪聲的影響，有效改善重現(xiàn)像的質(zhì)量。雖然頻譜濾波法有其突出的優(yōu)點，即只需要拍攝一幅全息圖，不增加實驗裝 置的復(fù)雜性。但是頻譜濾波法需要預(yù)先設(shè)計濾波器， 而且對不同的全息圖，濾波 器的參數(shù)也不一樣。一般這種濾波器的參數(shù)需要對全息圖有先驗認(rèn)識或先對全息 圖進行頻譜分析才能確定，操作過程比較復(fù)雜，并且要對全息圖進行多次變換操 作，容易造成數(shù)值誤差。數(shù)字相減法如果全息圖頻譜不滿足頻譜分離條件，那么上面的方法就無法得到不受干擾 的再現(xiàn)像，在這種情況下可以采用全息數(shù)字相減法成功的將直透光消除掉。而且使1級衍射像保持不變，其基本過程如下：首先用數(shù)字相機相機記錄下全息圖 的光強分布iH ,同

21、時把離散化的數(shù)據(jù)輸入計算機存儲， 然后保持光路不變，分別 擋住參考光和物光，用同一個數(shù)字相機記錄下他們各自的強度分布Ir和Io ,同時也把創(chuàng)門輸入計算機存儲，最后利用計算機程序?qū)ι鲜鏊杉降娜M數(shù)據(jù)進 行數(shù)字相減得到iH ,即i H i H IO I Rj r22-其中 Io O x,y , Ir Rx, y ，則iH22*R x, y O x, y R x, y O x, y*2O x, y R x, y O x, y2Rx, y*R x, y O x, y O x, y R x, y因此用數(shù)字對全息圖進行處理后的數(shù)據(jù)進行數(shù)字再現(xiàn)時，在顯示屏上就可以 得到1級衍射像，而直透光將被消除。數(shù)字

22、相減法對參考光沒有什么限制要求， 不論是在球面參考光還是平面參考 光的記錄條件下都可以達到很好的效果。 數(shù)字相減法最大的缺點就是需要分別采 集和存儲全息圖、物光圖和參考光圖三幅強度圖像，而且在采集此三幅圖像的過 程中，物光、參考光以及記錄光路都不能發(fā)生變化， 這在快速變化物場的測盤中 是相當(dāng)困難的。（三）空間光調(diào)制器在光學(xué)再現(xiàn)上的應(yīng)用數(shù)字全息一開始的定義是指用電荷耦合成像器件代替普通照相干板來記錄 全息圖，用數(shù)字計算方法再現(xiàn)；后來，數(shù)字全息的范圍擴大到計算機制全息圖， 光電子再現(xiàn)全息圖等，形成了更廣義的數(shù)字全息。數(shù)字全息術(shù)從記錄過程來看可 以分為計算機制全息和像素全息兩種：從再現(xiàn)過程分又可以分

23、為計算機再現(xiàn)和光 電子再現(xiàn)。幾種方法互相交叉，目前數(shù)字全息的幾種實現(xiàn)方式如圖所示：圖數(shù)字全息的實現(xiàn)方式a.空間光調(diào)制器的簡介上文中我們已經(jīng)詳細闡述了，數(shù)字全息在光學(xué)記錄上與傳統(tǒng)全息術(shù)在記錄介 質(zhì)上的區(qū)別，本節(jié)重點介紹廣義數(shù)字全息在光學(xué)再現(xiàn)方面的發(fā)展與革新。在全息技術(shù)發(fā)展的很長一段時間里，人們都是通過全息干板來記錄全息干涉圖樣，需要 經(jīng)過曝光、顯影、定影等化學(xué)處理，過程費時且復(fù)雜，最大的缺陷是干板的不可 重復(fù)性，一塊干板無法實現(xiàn)多幅圖像的轉(zhuǎn)換顯示 ；即便是在計算機制全息圖技術(shù) 出現(xiàn)后的很長一段時間內(nèi)，也需要用繪圖儀或激光光束掃描記錄裝置等設(shè)備將計 算結(jié)果制作成全息圖進行再現(xiàn)，無法實時顯示的缺陷仍

24、然存在。 這時候，空間光 調(diào)制器出現(xiàn)在了全息研究者的視線里。液晶空間光調(diào)制器是一種新興的全息圖的 載體，和傳統(tǒng)的全息記錄介質(zhì)相比，它具有計算機接口、操作方便、可實時顯示 等優(yōu)點。但是，由于自身的結(jié)構(gòu)特點和制作工藝的限制， 液晶空間光調(diào)制器在全 息再現(xiàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用也具有傳統(tǒng)介質(zhì)所沒有的特殊性?？臻g光調(diào)制器是一類能將信息加載于一維或兩維的光學(xué)數(shù)據(jù)場上，以便有效 的利用光的固有速度、并行性和互連能力的器件。這類器件可在隨時間變化的電 驅(qū)動信號或其他信號的控制下，改變空間上光分布的振幅或強度、相位、偏振態(tài) 以及波長，或者把非相干光轉(zhuǎn)化成相干光。由于它的這種性質(zhì)，可作為實時光學(xué) 信息處理、光計算等系統(tǒng)中

25、構(gòu)造單元或關(guān)鍵的器件。空間光調(diào)制器是實時光學(xué)信 息處理，自適應(yīng)光學(xué)和光計算等現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵器件?？臻g光調(diào)制器一般按 照讀出光的讀出方式不同，可以分為反射式和透射式；而按照輸入控制信號的方 式不同又可分為光尋址（OA-SLMW口電尋址（EA-SLM）。最常見的空間光調(diào)制器是 液晶空間光調(diào)制器，應(yīng)用光-光直接轉(zhuǎn)換，效率高、能耗低、速度快、質(zhì)量好。 可廣泛應(yīng)用到光計算、模式識別、信息處理、顯示等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。想定量分析液晶屏對光的調(diào)制特性， 需要將調(diào)制過程用數(shù)學(xué)方法來模擬，液 晶盒里的扭曲向列液晶可沿光的透過方向分層，每一層可看作是單軸晶體，它的光學(xué)軸與液晶分子的取向平行。由于分子的

26、扭曲結(jié)構(gòu)，分子在各層間按螺旋方式 逐漸旋轉(zhuǎn)，各層單軸晶體的光學(xué)軸沿光的傳輸方向也螺旋式旋轉(zhuǎn)。如圖所示。圖TNLC分層模型在空間光調(diào)制器液晶屏的使用中， 光線依次通過起偏器R、液晶分子、檢偏 器P2,如圖所示。光路中要求偏振片和液晶屏表面都在 x-y平面上，圖中已經(jīng)分 別標(biāo)出了液晶屏前后表面分子的取向，兩者相差90°。偏振片角度的定義是，逆著光的方向看，1為液晶屏前表面分子的方向順時針到 P偏振方向的角度，2 為液晶屏后表面分子的方向逆時針到 B偏振方向的角度。偏振光沿z軸傳輸， 各層分子可以看作具有相同性質(zhì)的單軸晶體，它的Jones矩陣表達式與液晶分子的尋常折射率no和非常折射率ne

27、,以及液晶盒的厚度d和扭曲角有關(guān)。除此 之外，Jones矩陣還與兩個偏振片的轉(zhuǎn)角1, 2有關(guān)。因此光波強度和相位的信 息可簡單表示為T T ,1,2；, 1, 2 ,其中 d neno /又稱為雙折射，它其實為隱含電場的量，因為 為非常折射率%的函數(shù)，非常折射 率%隨液晶分子的傾角 改變， 又隨外加電壓而變化。圖SLM光路示意圖目前主流的液晶顯示器組成比較復(fù)雜， 它主要是由熒光管、導(dǎo)光板、偏光板、 濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄膜式晶體管等構(gòu)成。作為空間光調(diào)制 器來使用時，通常只保留液晶材料和偏振片。液晶被夾在兩個偏振片之間，就能 實現(xiàn)顯示功能，光線入射面的稱為起偏器，出射面的稱為檢偏

28、器。實驗時通常將 這兩個偏振片從液晶屏中分離出來， 取而代之的是可旋轉(zhuǎn)的偏振片，這樣方便調(diào) 節(jié)角度。b.振幅型空間光調(diào)制器作為再現(xiàn)干板的工作原理在全息記錄的過程中，當(dāng)來自物體表面的散射光與參考光照射在全息記錄板上時， 參考光波與物光波進行疊加，疊加后形成的干涉條紋圖記錄在全息記錄板上。 由于記錄板上記錄的是曝光期間內(nèi)再現(xiàn)波前的平均能量，也就是說記錄板記錄的僅僅是再現(xiàn)波的光強。全息記錄板的作用相當(dāng)于一個線性變換器，它把曝光期間內(nèi)的入射光強線性地變換為顯影后負(fù)片的振幅透過率。全息像的再現(xiàn)，只要將上述全息記錄板，用原參考光束照明，就可得到物體的像。在再現(xiàn)的過程中，全息圖將照射的光衍射成波前，這個衍射

29、波就產(chǎn)生表征原始波前的所有光學(xué)現(xiàn)象。振幅型空間光調(diào)制器是通過對入射線偏振光進行調(diào)制后改變其偏振態(tài)，利用入射和出射偏振片的不同獲得不同強度的出射偏振光，因此通過設(shè)置振幅型空間光調(diào)制器不同像素位置的灰度值，可以改變對應(yīng)位置出射光的光強。因此可以用振幅型空間光調(diào)制器來代替再現(xiàn)干板，將記錄時的的復(fù)振幅透過率關(guān)系寫入到空間光調(diào)制器的液晶，則參考光被調(diào)制后，便可衍射生成被記錄的物光信息。利用空間光調(diào)制器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的全息干板，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)全息實驗中無法實現(xiàn)的實時全息再現(xiàn)功能。但由于液晶空間光調(diào)制器的有限空間分辨率，全息記錄的條件受到限制，在利用空間光調(diào)制器實現(xiàn)全息再現(xiàn)的系統(tǒng)中，記錄時參考光角度不能大于由基于

30、LCOS夜晶芯片的SLM分辨率決定的最大值，物體和全息面距離、 物體尺寸都有相應(yīng)較高的要求。同時考慮再現(xiàn)衍射像分離、提高系統(tǒng)分辨率等因素，上述參數(shù)的選取被限定在一定范圍內(nèi)，以保證獲得較高質(zhì)量的全息像。（ 三 ） 數(shù)字全息在信息安全中的應(yīng)用基于光學(xué)理論與方法的數(shù)據(jù)加密和信息隱藏技術(shù)是近年來在國際上開始起步發(fā)展的新一代信息安全理論與技術(shù)。并行數(shù)據(jù)處理是光學(xué)系統(tǒng)固有的能力，如在光學(xué)系統(tǒng)中一幅二維圖像中的每一個像素都可以同時地被傳播和處理。當(dāng)進行大量信息處理時，光學(xué)系統(tǒng)的并行處理能力很明顯占有絕對的優(yōu)勢，并且， 所處理的圖像越復(fù)雜，信息量越大，這種優(yōu)勢就越明顯。同時，光學(xué)加密裝置比電子加密裝置具有更多

31、的自由度，信息可以被隱藏在多個自由度空間中。在完成數(shù)據(jù)加密或信息隱藏的過程中，可以通過計算光的干涉、衍射、濾波、成像、全息等過程，對涉及的波長、焦距、振幅、光強、相位、偏振態(tài)、空間頻率及光學(xué)元件的參數(shù)等進行多維編碼。與傳統(tǒng)的基于數(shù)學(xué)的計算機密碼學(xué)和信息安全技術(shù)相比，光學(xué)信息安全技術(shù)具有多維、大容量、 高設(shè)計自由度、高魯棒性、天然的并行性、難以破解等諸多優(yōu)勢。密碼技術(shù)是信息安全的核心。密碼學(xué)是在編碼和破譯的斗爭實踐中逐步發(fā)展起來的， 并隨著先進科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，已成為一門綜合性的尖端技術(shù)科學(xué)。它與數(shù)學(xué)、語言學(xué)、聲學(xué)、電子學(xué)、信息論、計算機科學(xué)等有著廣泛而密切的聯(lián)系。 隨著計算機網(wǎng)絡(luò)不斷滲透到

32、各個領(lǐng)域，密碼學(xué)的應(yīng)用也隨之?dāng)U大。密碼學(xué)由密碼編碼學(xué)和密碼分析學(xué)兩個相互對立又相互促進的分支組成。密碼編碼技術(shù)的主要任務(wù)是尋求產(chǎn)生安全性高的有效密碼算法，以滿足對消息進行加密或認(rèn)證的要求。 密碼分析技術(shù)的主要任務(wù)是破譯密碼或偽造認(rèn)證信息，實現(xiàn)竊取機密信息或進行詐騙破壞活動。這兩個分支既相互對立又相互依存。正是由于這種對立統(tǒng)一關(guān)系， 才推動了密碼學(xué)自身的發(fā)展。通常將待加密的消息稱為明文，加密后的消息稱為密文；加密就是從明文得到密文的過程；合法地由密文恢復(fù)出明文的過程稱為解密；表示加密和解密過程的數(shù)學(xué)函數(shù)稱為密碼算法；實現(xiàn)這種變換過程需要輸入的參數(shù)稱為密鑰。密鑰可能的取值范圍稱為密鑰空間。密碼算法

33、、明文、密文和密鑰組成密碼系統(tǒng)。由于數(shù)字全息的靈活性，我們將其應(yīng)用于數(shù)字圖像加密領(lǐng)域。依據(jù)上文中提到的數(shù)字全息的記錄和再現(xiàn)的原理，將明文作為物光信息，則全息記錄圖即為密文， 根據(jù)光學(xué)衍射傳播原理，我們可以知道，加密和解密的算法即為菲涅爾衍射算法， 在整個全息系統(tǒng)中的波長、再現(xiàn)距離都可以做為密鑰。這樣便構(gòu)成了一個完整的信息安全密碼系統(tǒng)。在加密時，我們可以利用計算全息，在計算機中通過菲涅爾變化計算生成還有明文信息的物光的衍射全息圖。然后在解密時，將衍射全息圖寫入到空間光調(diào)制器中，用特定的波長按照特定的光路，才能在唯一的衍射距離得到我們的明文信息。本實驗中所展現(xiàn)的數(shù)字全息在信息安全中的應(yīng)用，只是一個

34、非常簡單的舉例， 主要是幫助學(xué)生理解數(shù)字全息和信息安全的一些基本概念。在實際科研工作中，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者有著很多非常不錯的工作成果。從1995 年 PhilippeRefregier 和 Bahramjavidi 等提出了雙隨機相位編碼方法開始掀起了光學(xué)加密領(lǐng)域的研究熱潮。研究人員隨后提出了一些在雙隨機相位編碼基礎(chǔ)上進行改進的新方法， 純相位加密，基于分?jǐn)?shù)傅里葉變化的加密方法，基于菲涅耳變換的加密方法、 基于聯(lián)合變換相關(guān)器的加密系統(tǒng)、利用離軸數(shù)字全息的加密系統(tǒng)和利用相移干涉技術(shù)的數(shù)字全息加密系統(tǒng)等。當(dāng)前， 在計算機和網(wǎng)絡(luò)迅猛發(fā)展的情況下，信息的存儲、傳輸和處理的要求與日俱增，信息安全問題的研究是

35、十分有意義的。光學(xué)信息處理有著得天獨厚的優(yōu)勢：處理速度快、信息容量大、能夠?qū)崿F(xiàn)快速卷積、密鑰空間大，具有并行處理能力等。光學(xué)信息處理在加密與信息隱藏中的研究必有很大潛力。3. 實驗儀器He-Ne激光器、可調(diào)光闌、CMO數(shù)字相機、空間光調(diào)制器、分光光楔、空間 濾波器、可調(diào)衰減片、反射鏡、計算機等。4. 實驗步驟數(shù)字記錄，數(shù)字再現(xiàn)本實驗實現(xiàn)了將計算全息與數(shù)字全息相結(jié)合，利用計算機模擬全息圖的記錄過程產(chǎn)生理想物體的離軸菲涅耳數(shù)字全息圖，并由所生成的全息圖重現(xiàn)出物體的像，實現(xiàn)數(shù)字全息圖記錄和重現(xiàn)整個過程的計算機模擬。具體的操作流程如圖。圖數(shù)字全息記錄和重現(xiàn)流程圖a.點擊“讀圖”加載物體信息，物體圖片尺寸不要超過1024X 1024。b. 設(shè)置記錄時的虛擬光路的參數(shù)，衍射距離及參考光夾角。點擊生成全息圖，觀察數(shù)字全息圖。c. 設(shè)置數(shù)字再現(xiàn)時的再現(xiàn)距離，點擊仿真再現(xiàn)。查看對比再現(xiàn)圖是否和原圖一致，有何區(qū)別d. 重復(fù)以上步驟，但是修改各個參數(shù)，觀察每個參數(shù)對再現(xiàn)效果的影響，通過這個實驗可對接下來的其