基于空间光调制器的一步相移同轴数字全息

光电子・激光

基于空间光调制器的一步相移同轴数字全息

朱竹青1,王晓雷2,孙　敏3,李璐杰2,冯少彤1,聂守平133

3

3

(1.南京师范大学物理与科学技术学院光电技术江苏省重点实验室,江苏南京210046;2.南开大学现代光学

研究所教育部光电信息技术科学重点实验室,天津300071;3.南京理工大学理学院,江苏南京210094)

摘要:提出了一种基于空间光调制器的一步相移同轴数字全息术,该技术利用空间光调制器相位调制特性一步实现参考光四种相位延迟,获取含有四种相移信息的单幅复合数字全息图。数值模拟和预研实验表明,复合数字全息图经过插值和再现运算后,再现物波中的零级和共轭像被有效地去除,再现图像清晰。相比于时间相移全息术仅能研究静态物体的局限性,基于空间光调制器的一步相移数字全息术可用于实时记录和表征物体动态变化特性,在生物细胞活体观测、粒子场动态测量等领域有着广泛的应用前景和研究价值。关键词:空间光调制器;一步相移数字全息;相位延迟阵列中图分类号:O438　　文献标识码:A　　文章编号:100520086(2009)1221681204

One2shotphase2shiftingon2axisdigitalholographybasedonspatiallightmodulator

ZHUZhu2qing1,WANGXiao2lei2,SUNMin3,LIlu2jie2,FENGShao2tong1,NIEShou2ping133

(1.JiangsuProvincialKeyLaboratoryofOptoelectronicTechnology,SchoolofPhysicalScienceandTechnology,NanjingNormalUniversity,Nanjing210046,China;2.KeyLaboratoryofOptoelectronicInformationScienceandTechnology,MinistryofEducation,InstituteofModernOptics,NanKaiUniversity,Tianjin300071,China;3.SchoolofScienceofNanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China)

Abstract:One2shotphase2shiftingco2axisdigitalholographytechnologyispresentedbasedonphasemod2ulationcharacteristicofspatiallightmodulator,whichcanacquireaone2shotcompounddigitalhologramincludingfourphase2shiftingelements.Numericalsimulationandpreliminaryexperimentshowthatthedirectcurrenttermandconjugatedimageareeffectivelyeliminatedafterinterpolationandreconstructioncalculationforcompounddigitalhologram,andthereconstructedimageisclear.Comparedwithtimephase2shiftingdigitalholography,thismethodcanalsoreal2timerecordanddescribethedynamiccharac2teristicoftheobject.Ithasmanypracticalresearchvaluesandcanbeextensivelyappliedinbiologiccellobservation,particlefielddynamicdistributionandotherrelativedomains.Keywords:spatiallightmodulator;one2shotphase2shiftingdigitalholography;phaseretardationarray

CCD的定标和对齐实验难度大。美国吐桑大学光学中心的JamesC.Wyant[8]提出用一个CCD捕获四幅相移干涉图,利用

1　引　言

　　自1967年Goodman[1]提出数字全息技术以来,数字全息

术已在诸如数字加密[2]、三维显示[3]、三维物体识别[4]、显微[5]

术等领域得到广泛应用。其原理就是采用光敏电子元件代替普通光学成像介质记录全息图,从而获得一张数字全息图;再现时通过数字计算模拟光波场的衍射过程而获得再现像。

[6]

1997年Yamaguchi提出了时间相移数字全息术,消除了零级和共轭像,提高了再现像质量。但该方法需要先后记录多幅全息图,相移装置比较复杂,对实验环境的稳定性要求高,并且无法记录动态过程,因此,一步相移干涉技术成为研究焦点。

[7]

ChrisL利用泰曼干涉仪瞬时获得四幅相移干涉图,但四个

圆偏振光通过微加工制作的线栅偏振阵列一步获取四幅相移干涉图。日本YasuhiroAwatsujia等[9～11]利用微加工获得的相位阵列实现了一步相移数字全息。以上两种获取一步相移的方法不同,但均存在光学元件精密加工的问题,限制了该实验方法的应用和推广。2006年Livermore实验室K.L.Baker等人[12]提出利用空间光调制器相位调制特性实现相位阵列的实验设想,相位灵活可控,相移步数更改方便快捷,但没有深入的实验研究。南京理工大学电光院陈磊等人[13]虽利用二维正交光栅和偏振片阵列实现同步相移干涉测量,但光路仅限于非

3收稿日期:2009209226　3　基金项目:江苏省高校自然科学研究重大项目(09KJA140002)、江苏省高校自然科学基金项目(08KJD140010)和江苏省自然科学基金项目

(BK2009400)资助

　33E2mail:njnukjc_nie@163.com

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2009年　第20卷　・激光　球面镜检测,不能应用于数字全息记录。本文提出了一种基于

空间光调制器的一步相移数字全息术,利用空间光调制器的相位调制特性,产生同时包含四种相位延迟的参考光,从而获取含有四种相移信息的单幅复合数字全息图。文章中数值模拟了二维物体的一步相移菲涅耳数字全息实验和再现结果,并利用时间相移数字全息光学实验所获得的四幅数字全息图,通过间隔取样和插值运算等数字信号处理技术预研了一步相移数字全息光学实验的再现结果。

2　实验方案和原理

　　一步相移数字全息实验方案如图1(a)所示。从He2Ne激光器发出的光经扩束准直和分束镜BS1分束后分为二路光束。一束光经镜面M反射照射在样品物体,形成物光波(Objectbeam)。另一束光经空间光调制器反射后,形成不同空间位置具有不同相位分布的参考波(Referencebeam)。该参考光波与物体的菲涅耳衍射场经棱镜BS3合波后产生干涉,干涉条纹被CCD记录并存储于计算机中。　　其中,空间光调制器(SLM)为日本滨松光子学株式会社所生产的向列型纯相位型空间光调制器,其型号是X10468201,相

π弧度。1/2波片是为了使入射光偏振方向与平位调制大于2

行向列液晶主轴方向一致,使空间光调制器获得最好相位调制特性。选取与空间光调制器像素尺寸和像素个数分别相等的CCD成像器件,用来记录全息图。图1(b)中空间光调制器被设计成2×2相位延迟阵列,四种灰度分别对应着空间光调制

π器不同的控制电压,以获得0π,/2π,,3/2四种相位调制,从而

使入射的参考光在空间不同位置具备了上述四种相位值。利用4f系统将相移阵列成像在CCD平面上,生成一幅含有四种相移信息的复合数字全息图。根据复合数字全息图中相位与空间位置对应关系,取样出四幅全息图,它们之间参考光相移为π/2。利用文献[5]中插值运算方法对这四幅取样全息图进行插值运算,使子全息图大小与复合数字全息图大小一致,分

π别记为Ia,Ib,Ic和Id,对应参考光相移分别为0,π/2π,和3/

2,如图2所示。　　与传统时间四步相移数字全息的区别就在于这四幅相移

图1　一步相移数字全息示意图

Fig.1　Schematicdiagramofone2shotphase2shiftingdigitalholography

图2　一步相移数字全息图提取示意图

Fig.2　Schematicdiagramofone2shotphase2shiftingdigitalhologramextraction

第12期　朱竹青等:基于空间光调制器的一步相移同轴数字全息　　　　　　　　　　　　　　　

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全息图是一次得到的。如果被记录的物体振幅和相位分布平

)可表示滑,满足采样定理,CCD面上物波衍射场复振幅u(ζ,η

为[6]:

ζ,η)=　　　　u(

{Ia-Ic}+i{Ib-Id}3　理论模拟和预实验分析

　　为了验证提出的实验方案,根据菲涅耳衍射理论和全息原

理模拟了一步相移同轴数字全息。模拟中,激光波长为532nm,CCD大小为512×512,像素尺寸6.52μm×6.52μm,物体到CCD距离为10cm。物体为256×256大小的二维灰度图像,参考光为空间相移平行光。模拟结果如图3所示。　　图3(a)为模拟的二维透射物体,模拟中的物光强度与Lina灰度图中像素灰度值成比例关系。图3(b)为二维物体在CCD面处菲涅耳衍射场强度图,图3(c)为平行光经空间光调制器相位调制以后,具有空间相移分布的参考光相位分布图,图3(d)为物体衍射场和参考光干涉所得的一步相移复合数字全息图,可提取出相移间隔为π/2的四幅子全息图,一步获得传统时间相移数字全息四次记录的信息。　　图4(a)为利用图2所示方法获得的四幅相移全息图(从左

4

(1)

　　根据菲涅耳衍射近似法,物波复振幅u(x,y)可表示为:

∞

ππ122(ζ,η)exp[-i(xζ+yη)]dζηu(x,y)=exp(iz)u′d

λλλ-∞izz

∫∫

(2)

22(ζ,η)=u(ζ,η)exp[iπ(ζ)/(λ其中u′+ηz)],式(2)离散化后菲涅耳衍射积分式可表示为:

ππ12Δx)2+　　　　u(m,n)=exp(iz)exp[i[(m

λλλizz(nΔy)2]}FFT[u′(m,n)](3)

其中z代表物体与CCD间距离,Δx,Δy分别为CCD像素尺寸,FFT代表二维傅里叶变换运算。图3　一步相移数字全息图生成示意图

Fig.3　Schematicdiagramofone2shotphase2shiftingdigitalhologramgeneration

图4　复合数字全息图再现

Fig.4　Reconstructionofcompounddigitalhologram

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2009年　第20卷　・激光　π到右依次对应参考光相位变化为0π,/2π,,3/2.分别记为a12

a4),从干涉条纹中心区域圆环的变化也可以定性看出相位的改变。图4(b)为全息图a1单独再现的结果。从图中可以看出,由于直流项和孪生像的影响,再现像无法清晰显现。图4(c)是利用四幅相移全息图所获得的再现像,其中零级分量和共轭像被有效的去除,再现像清晰可辨。同时也发现在再现像中存在一些小的噪声,初步分析来源于四幅相移数字全息图插值所带来的误差。此外,由于一步相移数字全息术采用的是空间相位复用技术,减少了CCD的取样点数,因此造成了再现图像分辨率的下降;选取大面积、高分辨率的CCD是解决此问题的关键。　　为了预研一步相移数字全息光学实验,我们搭建了传统的时间相移同轴数字全息记录光路。参考光的四种相移由压电陶瓷(PZT)实现。物体为2cm×1cm×1cm的陶瓷猫。激光波长为632.8nm,CCD像素为1000×1000,像素尺寸4.65μm×4.65μm,物体距离CCD靶面22cm。通过实验可以得到四幅时间相移同轴数字全息图,然后对这四幅图进行空间按序抽样,合成一幅复合数字全息图,用来等效一步相移数字全息的记录。　　图5(a)为利用实际光学实验所获得四幅时间相移全息图计算得到的三维物体强度再现图。图5(b)利用合成的一步相移复合数字全息图计算得到的三维物体强度再现图。比较图5(a)和图5(b),可以看出利用一步相移数字全息可以得到较清晰再现像。这与上述的理论模拟结论一致。

方便,降低了对环境和温度等实验条件的要求,可用于实时记

录和表征物体动态变化特性,在生物细胞活体观测、粒子场动态分布等领域将会有很好的应用。在进一步实际实验研究过程中,空间光调制器的相位调制特性的精确测量、选取大面积高分辨率CCD以及空间光调制器与CCD靶面间的准确定标和像素对齐是至关重要的。

参考文献:

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[10]AwatsujiY,SasadaM,FujiiA,etal.Schemetoimprovetherecon2

structedimageinparallelquasiphase2shiftingdigitalholography[J].

ApplOpt.2006,45(5):9682974.

图5　两种相移数字全息情况下再现像

Fig.5　Reconstructionimagesintwodifferent

phase2shiftingdigitalholography

[11]AwatsujiY,FujiiA,KubotaT,etal.Parallelthree2stepphase2shifting

digitalholography[J].ApplOpt.2006,45(13):299523002.[12]BakerKL,StappaertsEA.Asingle2shotpixellatedphase2shiftingin2

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[13]ZUOfen,CHENLei,XUChen.MeasurementPerformanceofSimulta2

neousPhase2ShiftingInterferometer[J].ChineseJournalofLasers(中

4　结　论

　　本文提出了一种基于空间光调制器的一步相移数字全息术。数值模拟和预研实验都表明,基于空间光调制器的一步相移数字全息再现图像清晰,零级和共轭像被有效地去除,能很好地实现物波波前再现。相比于传统时间相移全息仅能研究静态物体的局限性,一步相移数字全息术记录装置简单,操作

国激光),2007,34(12):168221687.(inChinese)

作者简介:

朱竹青　(1976-),男,讲师。主要从事光学信息处理和光电器件理论模拟的研究1