数字显微像面全息技术研究.docVIP

数字像面全息实验 　　数字像面全息技术可获得物体的数字显微图像,故也可称为数字显微像面全息技术，其在微观结构测量领域的应用研究具有重要意义。它具有分辨率高、快速、非接触、无损的特点。数字显微全息技术已发展为一种新的微观领域的测试工具, 并已应用于微机系统 数字全息过程包含两个过程:数字全息记录和数字虚拟再现。在数字全息物理记录过程中,数字显微全息光路系统通常分无透镜系统和有透镜系统。有透镜系统通常利用显微物镜将物体放大,将放大像看作记录物体,用CMOS（或CCD）光敏器件数字记录微观物体放大像的物光波与参考光波的干涉场所形成的全息图,并用计算方法，计算出全息图的衍射场，数字再现得到微观物体放大的再现像。通过对微观物体放大再现像的振幅和相位信息的定量测量,实现了对微观物场的定量测量。当CMOS（或CCD）光敏面置于成像系统像面上时,所记录的全息图就是物体的像面全息图。本实验从理论上对数字像面全息进行了分析,以给出实验的理论依据。 实验目的 了解数字像面全息原理及其应用。 记录和再现微小物体的数字像面全息图，并观察和分析获得的数字再像像。 实验原理 1．数字像面全息图的记录 　　显微像面全息记录光路的分析图如图1所示。物体经放大成像,放大的物光波与参考光波在CMOS光敏面上干涉,并被其记录,形成物体的数字全息图。为了便于分析,现只讨论一维情况。忽略透镜的孔径效应,在费涅尔近轴近似条件下,记录在CMOS上的物光波分布为 　　o(x)=jk( z1 + z2–d )/[( z2- d )z1]( x1)exp[j(x0–x1)2]× exp[- jx0]exp[j（x–x0 )]dx1dx0 (1) 式中,O( x1 ) 物场振幅透过率。记录在CMOS光敏面上的光场的光强分布为 　　　 　 I(x) = |o(x)|+|r(x)|+ r*(x)o(x)+ r(x)o*(x) (2) 式中r(x) 为参考光。用记录参考光波照射全息图，在距全息图d′处的再现光场的分布为 u( x′) = [expj kd ′/（jλd ′）1/2](x)r(x)exp[j(x′- x)2 ]dx (3) 图1 　数字显微全息记录系统分析坐标系 　　将式(1)、(2)代入式(3),忽略无关紧要的常数因子,再现像面上物光场分布为 u( x′)∝ expj( x1 )expjdx1×jexp(-j2π/λz1) x1x0dx0×j（k/2）(+1/d ′)exp(-j)() （4） 其中 （5a） （5b） 对式(4)中的d x 积分, 再现光场的物光波分布为 　　 u( x′)expj(x1)expj×j （6） 式中 三维放大再现实像面的光场分布为 　　 o( x ′)expj [×O(-x′/)] (7) 其中 = = - /[z1 –]为放大率,实像面到全息图的距离为 　 　d ′= d = (8) 　　用全息方法记录的光波函数可以是物光波和参考光波的任意函数。在图1 中,如果CMOS置于成像系统的像面上,即式(5)中的d = 0，且满足1/ = 1/ z1 + 1/z2，则记录的全息图就是物体的像面全息图。记录在CMOS光敏面上的物光波分布为 o(x) =( x ; x1 )O( x 1 )dx1 =exp×O(-) (9) 式中, ( x ; x1) 为成像系统的点扩散函数,有 　　 ( x ; x1 ) = exp (1+) x 2×δ( ) (10) 　　记录在CMOS光敏面上的光场的光强分布由式(2)描述,其数字化的全息图为 I() =I(x)rect()×( x - Δx) (11) 2 数字像面全息图的再现 　　全息图的再现是从二维全息图中得到二维物体的波前分布。再现场的分布由式(3) 描述，即为 　　 u′(x) = (x)|o(x)|2 +(x)|(x)|2 +|(x)|2o(x)+(x)(x)o*(x) (12) 式中第3 项为正比于物光的复振幅o(x) 的实像项。 全息图的数字再现是用数字计算方法来完成表示光学再现的物理过程，即数字模拟光学衍射过程。在数字像面全息中,由于物体聚焦在全息图面上,