光学滤波与体全息光存储实验报告.docx

光学滤波与体全息光存储实验报告实验目的学习掌握光学信息处理的基本原理和实验技巧；了解体全息存储的基本原理和方法；理解光折变晶体体全息存储过程中动态光栅建立的过程；了解体全息存储光学系统中各光学器件的作用，掌握邻面入射（即90°入射）傅里叶变换谱面全息记录及再现光路系统的搭建和调试；掌握体光栅角度选择性的测量方法及角度复用存储实验系统，体会体全息存储的优势和实现大容量存储的途径。实验原理阿贝成像与空间滤波根据阿贝成像理论，如图1所示，相干成像过程分两步完成，物体通过透镜后形成一系列衍射斑，即物体的空间频谱图样，各衍射斑作为新的次波源发出球面波，在像面上互相叠加，形成物体的像。通过改变谱面上的信息，可以使像产生所希望的变换。4f系统（如图2）是最典型的空间滤波及光信息处理系统，实验中通过在谱面位置放置不同的遮光屏可实现空间滤波以及相应的信息处理。图1 阿贝成像原理图2 4f系统结构在光学信息处理系统中，空间滤波器是位于空间频率平面上的一种吸收膜片，它可以减弱或去掉某些空间频率成份，改变输入信息的空间频谱，从而实现对输入信息的某种变换，得到我们所希望的改变了的像函数。这种对图像作处理的方法称之为空间滤波。空间滤波器的透过率函数一般是复函数 H(ξ,η)=A(ξ,η)exp[ jФ(ξ,η)] 根据透过率函数的性质，空间滤波器可以分为以下几种：二元振幅滤波器这种滤波器的复振幅透过率是0或1。由二元振幅滤波器所作用的区间又可以细分为：低通滤波器，它只允许位于频谱面中心及其附近的低通分量通过，去掉频谱面上离光轴较远的高频成份从而滤掉高频噪音，由于仅保留了离轴较近的低频成份，因而图像细结构消失；高通滤波器，它阻挡低频分量而允许高频成份通过，可以实现图像的衬度反转或边缘增强，所以图像轮廓明显。若把高通滤波器的挡光屏变小，仅滤去零频成份，则可除去图像中的背景，提高图像质量；带通滤波器，它只允许特定空间的频谱通过，可以去除随机噪声；方向滤波器，它仅通过（或阻挡）特定方向上的频谱分量，可以突出某些方向特征。振幅滤波器这种滤波器仅改变各频谱成份的相对振幅分布，而不改变其相位分布，通常是使感光片上的透过率变化正比于函数A(ξ,η)，从而使光场的振幅得到改变。为了作到这一点，必须按一定的函数分布来控制底片的曝光量分布。相位滤波器它只改变空间频谱的相位，不改变它的振幅分布。由于不衰减入射光的能量，具有很高的光学效率。这种滤波器通常用真空镀膜的方法得到，但由于工艺方法的限制，要得到复杂的相位变化是很困难的。复数滤波器这种滤波器对各种频率成份的振幅和相位都同时起调制作用，滤波函数是复函数。它的应用很广泛，但难于制造。1963年范德拉格特用全息方法综合出复数空间滤波器，1965年罗曼和布劳恩用全息技术制作成复数滤波器，从而克服了制作空间滤波器的重大障碍。本实验中所用滤波器为第一种，即二元振幅型滤波器。全息存储原理体全息存储基本原理典型的邻面透射式全息存储构成原理如图3所示，待存储的数据（数字或模拟图像）经空间光调制器SLM（Spatial Light Modulator）上载到物光中，形成二维信息页，然后与参考光在记录介质中发生干涉，利用记录材料的光化学反应形成体全息光栅，完成信息的记录，如图3（a）所示；读出时使用与记录过程中相同的参考光照明全息图，可以再现存储的全息图，然后使用光信号探测器件如CCD（Charge Coupled Device）读出图像并传送给计算机，如图3（b）所示。图3 体全息存储的记录和读出原理图（a）记录过程（b）读出过程傅里叶（Fourier）变换谱面全息存储在众多全息记录方式中，为了实现均匀的物像信息再现，通常采用傅里叶变换谱面全息存储方式。Fourier变换谱面全息存储结构是一个典型的4-f系统，如图4所示，物体位于Fourier变换透镜前焦面，在后焦面记录全息图。再现时探测器放置于逆Fourier变换透镜的后焦面，再现像与物图像的比例取决于两个透镜的焦距。图4 傅里叶变换谱面全息记录结构实验仪器MGL－Ⅱ100mw，532nm绿激光器2套：显微物镜＋针孔＋小孔光阑＋准直透镜2个：Fourier透镜(焦距范围为150mm～200mm,)物1：空间光调制器(1024x768)＋PC电脑物2：鉴别率板一块物3：透明胶片，棋盘格图样探测器：CCD探测器(800x600)＋PC电脑记录材料：铌酸锂（LiNbO3）晶体偏振片2个532nm波长半波片2个衰减器两片连续衰减器1个光阑若干个滤波器：光阑、狭缝、透明胶片、大头针、黑纸等反射镜3个升降台、旋转台、档板、黑白屏若干532nm偏振分光棱镜[1]（PBS）1块实验方案图5实验系统图实验系统置于光学平台上，原理示意图如图6所示。光源为MGL-Ⅲ型全固态激光器，波长532nm，输出