專(zhuān)利名稱(chēng)：直接至數(shù)字的全息攝影和全息電視的采集和回放系統(tǒng)的改進(jìn)的制作方法
本申請(qǐng)是于1997年6月11日遞交而現(xiàn)在未決的共同未決美國(guó)系列號(hào)08/873,252的35 U.S.C.§120的部分繼續(xù)申請(qǐng)，該申請(qǐng)?jiān)诖吮蝗囊谩Ｗ鳛槁?lián)邦資助研究和開(kāi)發(fā)下的發(fā)明權(quán)利聲明本發(fā)明是按照政府支持的美國(guó)能源部給予Lockheed MartinEnergy Research Corporation的合同號(hào)DE-AC05-96OR22464執(zhí)行的，及政府對(duì)此發(fā)明具有一定權(quán)利。
2.相關(guān)技術(shù)的討論傳統(tǒng)全息攝影方法使用膠片或全息攝影底板(具有一層適用于全息攝影的照相乳劑的玻璃板)。(1)在模擬方法中，只有使用激光器(或某些情況下使用白光)和原始記錄的全息圖或它的復(fù)制品才能進(jìn)行回放。這些模擬方法慢、煩瑣和昂貴。(4)而且沒(méi)有辦法將它們壓縮為能夠在另一個(gè)場(chǎng)所傳送和回放的電子信號(hào)。必須始終發(fā)送硬拷貝。更壞的是，處理膠片的時(shí)間延遲使全息攝影及其變動(dòng)方案在許多場(chǎng)合下無(wú)法使用。即使能夠忍受傳統(tǒng)全息攝影系統(tǒng)本身的費(fèi)用，但由于必須處理膠片而造成的時(shí)間延遲和低產(chǎn)量使由于延遲所增加的費(fèi)用絕對(duì)無(wú)法忍受(例如車(chē)胎制造商無(wú)法等待45分鐘或即使只2分鐘來(lái)了解哪一個(gè)具體車(chē)胎中有裂痕)。
參照

圖1，其中顯示一個(gè)傳統(tǒng)邊帶全息攝影系統(tǒng)的光學(xué)幾何。(2-3)來(lái)自激光器110的光束由光束擴(kuò)展器120加以擴(kuò)展。在通過(guò)透鏡130之后，該光束被分束器140分離為兩部分。分束器140可以是例如90％反射性的。組成物光束150的反射光束射向鏡面160并且被它反射。物光束150然后射向一個(gè)物體170。該物光束150然后入射于一個(gè)全息底板190上。
與此同時(shí)，來(lái)自透鏡130的穿過(guò)分束器140的那部分光束組成一個(gè)參考光束180，它射向鏡面200并且被它反射。反射的參考光束然后入射于一個(gè)全息底板190上。
近年以來(lái)，開(kāi)發(fā)了全息攝影干涉量度學(xué)，盡管它還是一個(gè)模擬方法(5)。這包括聚焦全息攝影的開(kāi)發(fā)。(6-7)在此申請(qǐng)中已經(jīng)參考了幾篇文獻(xiàn)，它們被使用阿拉伯?dāng)?shù)字包括于上標(biāo)處的括號(hào)內(nèi)。這些和其他文獻(xiàn)的全部引用可以在說(shuō)明書(shū)末尾、緊挨權(quán)利要求書(shū)之前處找到。所有這些文獻(xiàn)的全部公開(kāi)內(nèi)容在此處被包括入本申請(qǐng)中，以便標(biāo)示本發(fā)明背景和闡述現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)。
此處公開(kāi)的改進(jìn)允許得到更高質(zhì)量、更低噪音的數(shù)字全息圖的采集和回放。這些改進(jìn)利用幾何學(xué)和光學(xué)部件的變動(dòng)方案，以便允許采集和分析高分辨率全息圖。此外，已經(jīng)對(duì)回放系統(tǒng)作了改進(jìn)以便允許將一個(gè)數(shù)字光柵(全息圖)寫(xiě)至一個(gè)光折射晶體，然后使用單個(gè)激光束回放該光柵或全息圖。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是基于一種用于記錄一個(gè)軸外全息圖的設(shè)備，該設(shè)備包括一個(gè)激光器；一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述激光器的照明分束器；一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述照明分束器的物鏡透鏡；一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述物鏡透鏡的物體；一個(gè)耦合至所述激光器的參考分束器；一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述參考分束器的參考鏡面；一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述參考分束器和所述照明分束器兩者的光束合并器；及一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述光束合并器的數(shù)字記錄器，其中一個(gè)參考光束和一個(gè)物光束在所述數(shù)字記錄器的焦平面處被合并以便形成一個(gè)軸外全息圖，以及所述物光束和所述參考光束組成多個(gè)實(shí)際上同時(shí)的參考和物體光波。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是基于一種記錄一個(gè)軸外全息圖的方法，包括將一個(gè)激光束分離為一個(gè)物光束和一個(gè)參考光束；將所述參考光束從一個(gè)參考光束鏡面反射出來(lái)；將所述物光束從一個(gè)照明分束器反射出來(lái)；使所述物光束通過(guò)一個(gè)物鏡透鏡；將所述物光束從一個(gè)物體反射出來(lái)；將所述參考光束和所述物光束聚焦于數(shù)字記錄器的焦平面以便形成一個(gè)軸外全息圖；數(shù)字地記錄所述軸外全息圖；及根據(jù)付里葉變換將所述軸外全息圖進(jìn)行變換以便獲得一組結(jié)果。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是基于一種用于寫(xiě)入一個(gè)軸外全息圖的設(shè)備，該設(shè)備包括一個(gè)激光器；一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述激光器的空間光調(diào)制器；一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述空間光調(diào)制器的透鏡；及一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述透鏡的光折射晶體，其中一個(gè)寫(xiě)光束被所述透鏡聚焦于所述光折射晶體的焦平面處以便將一個(gè)全息攝影衍射光柵圖案加于所述光折射晶體上。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是基于一種寫(xiě)入一個(gè)軸外全息圖的方法，包括使一個(gè)激光束通過(guò)一個(gè)空間光調(diào)制器；及將所述激光束聚焦于一個(gè)光折射晶體的焦平面處以便將一個(gè)全息攝影衍射光柵圖案加于所述光折射晶體上。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是基于一個(gè)用于回放一個(gè)軸外全息圖的設(shè)備，該設(shè)備包括一個(gè)激光器；及一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述激光器的光折射晶體。本發(fā)明的用于回放一個(gè)軸外全息圖的方法的另一個(gè)實(shí)施例包括使用一個(gè)回放光束將一個(gè)具有全息攝影衍射光柵的光折射晶體加以照明。
當(dāng)結(jié)合以下說(shuō)明和附圖考慮本發(fā)明時(shí)，將能更好地理解本發(fā)明的這些和其他方面。然而應(yīng)該理解，以下用于標(biāo)示本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例及其許多具體細(xì)節(jié)的說(shuō)明只是用于闡述而不是限制目的。能夠在不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的情況下作出許多變動(dòng)和修改，而本發(fā)明包括所有這類(lèi)修改。
圖1闡述一個(gè)被合適地標(biāo)以“現(xiàn)有技術(shù)”的傳統(tǒng)(Leith&Upatnieks)邊帶全息攝影系統(tǒng)的原理圖；圖2闡述一個(gè)表示本發(fā)明實(shí)施例的簡(jiǎn)單直接至數(shù)字的全息攝影系統(tǒng)的原理圖；圖3a闡述一個(gè)表示本發(fā)明實(shí)施例的“Michelson”光學(xué)幾何直接至數(shù)字的全息攝影設(shè)置的透視圖；圖3b闡述圖3A中所示直接至數(shù)字的全息攝影設(shè)置的另一個(gè)透視圖；圖4闡述一個(gè)表示本發(fā)明實(shí)施例的鏡面中一個(gè)涂寫(xiě)的數(shù)字地采集的全息圖；圖5闡述圖4的2-D付里葉變換的曲線；圖6闡述來(lái)自圖4的全息圖相位數(shù)據(jù)的回放；圖7闡述一個(gè)表示本發(fā)明實(shí)施例的全息攝影回放系統(tǒng)的原理圖；圖8闡述一個(gè)表示本發(fā)明實(shí)施例的非晶形碳膠片上的金顆粒的全息圖的所選區(qū)域；圖9闡述圖8中表示本發(fā)明實(shí)施例的全息圖的付里葉變換的模量的所選區(qū)域(中心區(qū)域自相關(guān)；左和右區(qū)域邊帶)；圖10A闡述Scherzer聚焦處的反傳遞函數(shù)；圖10B闡述一個(gè)表示本發(fā)明實(shí)施例的Gabor焦點(diǎn)處的全息攝影專(zhuān)用傳遞函數(shù)；圖11闡述一個(gè)表示本發(fā)明實(shí)施例的以s＝4.66的采樣率使用32個(gè)采樣點(diǎn)(離散付里葉變換中顯示點(diǎn)的數(shù)量為32)的余弦模式的離散付里葉變換的模量；圖12闡述一個(gè)表示本發(fā)明實(shí)施例的根據(jù)等式(6)的(余弦模式只限于與來(lái)自圖11的數(shù)據(jù)相同的區(qū)域(實(shí)際空間內(nèi))及圖11中找不到此圖中的任何細(xì)節(jié))余弦模式的分析付里葉變換的模量；圖13闡述一個(gè)表示本發(fā)明實(shí)施例的余弦模式(顯示點(diǎn)的初始集是圖11中的32；選擇參數(shù)π為16，擴(kuò)展付里葉變換中的顯示點(diǎn)數(shù)量為512及顯示與分析付里葉變換中可見(jiàn)的相同細(xì)節(jié))的擴(kuò)展付里葉變換的模量；圖14闡述一個(gè)表示本發(fā)明實(shí)施例的用于顯示偏移了象素的一部分的傳統(tǒng)離散付里葉變換(再一次使用與圖11相同的余弦模式；為Δk(及為二維中的Δl)選擇真實(shí)值，有可能顯示付里葉空間中的至少一個(gè)峰值以使它直接落在顯示點(diǎn)上；在此情況下，邊瓣消失(見(jiàn)右峰值))的擴(kuò)展付里葉算法的結(jié)果；圖15闡述一個(gè)表示本發(fā)明實(shí)施例的根據(jù)并不真正地處于中心的邊帶所重構(gòu)的幅值會(huì)在圖象中造成假象(最壞的情況是當(dāng)邊帶中心正好落在付里葉空間的顯示點(diǎn)中間)；
圖16闡述一個(gè)表示本發(fā)明實(shí)施例的具有通過(guò)透鏡照明的全息圖采集系統(tǒng)的Mach-Zender原理布局；圖17闡述一個(gè)表示本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字全息圖采集系統(tǒng)布局，用于闡述從一個(gè)照明分束器和光束合并器的面反射出來(lái)的物光束，從而消除像散；圖18闡述一個(gè)表示本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字全息圖采集系統(tǒng)的照片；圖19闡述一個(gè)表示本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)際回放系統(tǒng)的原理圖；圖20闡述一個(gè)表示本發(fā)明實(shí)施例的鈮酸鋰晶體和全息圖寫(xiě)/回放光學(xué)系統(tǒng)；圖21A和21B分別闡述表示本發(fā)明實(shí)施例的適用于全息攝影回放系統(tǒng)的透射性和反射性空間光調(diào)制器的光學(xué)幾何；圖22闡述一個(gè)表示本發(fā)明實(shí)施例的如同全息回放系統(tǒng)所實(shí)施的800×600計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的空間光調(diào)制器并且后隨以一個(gè)偏振器；及圖23闡述一個(gè)表示本發(fā)明實(shí)施例的用于顯示空間光調(diào)制器象素邊緣衍射階(中心亮點(diǎn)是零階衍射圖象)的筒狀透鏡的付里葉平面上的激光束的照片。
圖24A-24D闡述一個(gè)表示本發(fā)明實(shí)施例的與1/4波板組合的偏振分束器。
優(yōu)選實(shí)施例的描述更全面地參照附圖中闡述的和以下說(shuō)明中細(xì)化的非限制性實(shí)施例來(lái)解釋本發(fā)明及其不同特征和優(yōu)點(diǎn)。熟知的部件和處理技術(shù)將被忽略以避免不必要地使本發(fā)明的細(xì)節(jié)模糊。1.系統(tǒng)概述迄今為止沒(méi)有開(kāi)發(fā)數(shù)字全息攝影的原因是數(shù)字視頻攝象機(jī)或適用于數(shù)字媒質(zhì)的攝象機(jī)還不是足夠好以便記錄傳統(tǒng)全息圖中固有的非常高的空間頻率。本發(fā)明將數(shù)個(gè)能夠克服此困難的技術(shù)組合起來(lái)，因而允許記錄全息圖和所有它們的空間頻率，高至記錄用攝象機(jī)的固有全息攝影分辨率，以供付里葉變換全息圖分析之用。
必須意識(shí)到如何數(shù)字地記錄一個(gè)光學(xué)全息圖(及意識(shí)到它是一個(gè)全息圖)。還必須意識(shí)到干涉量度學(xué)中所用付里葉變換技術(shù)和電子全息攝影能夠用于分析全息圖。還必須意識(shí)到，將一個(gè)平面波在算術(shù)上加于數(shù)字全息圖和將所得強(qiáng)度函數(shù)寫(xiě)至一個(gè)光學(xué)上敏感晶體，將能允許使用與用于建立原始邊帶全息圖的角度不同(及大得多)的衍射角α實(shí)際地回放全息圖。2.優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述現(xiàn)在參照?qǐng)D2，一個(gè)簡(jiǎn)單的直接至數(shù)字的全息攝影系統(tǒng)被顯示以便闡述已經(jīng)被組合的硬件概念，用于數(shù)字記錄和回放全息圖。來(lái)自激光器210的光束被光束擴(kuò)展器/空間濾波器220所擴(kuò)展。擴(kuò)展的/濾光的光束然后通過(guò)一個(gè)透鏡230。然后該光束射向一個(gè)分束器240。分束器240可以是例如50％反射性的。被分束器反射的光束組成一個(gè)物光束250，它射向一個(gè)物體260。從物體260反射的那部分光束然后通過(guò)分束器240并且射向一個(gè)聚焦透鏡270。該光束射向一個(gè)電荷耦合設(shè)備(CCD)攝象機(jī)(未示出)。
與此同時(shí)，來(lái)自透鏡230并且通過(guò)分束器240的那部分光束組成一個(gè)參考光束280。參考光束280以小角度從鏡面290反射回來(lái)。來(lái)自鏡面290的反射參考光束然后射向分束器240。被分束器240反射的那部分反射參考光束然后射向聚焦透鏡270。來(lái)自聚焦透鏡270的參考光束然后射向CCD攝象機(jī)。來(lái)自聚焦透鏡270的物光束和來(lái)自聚焦透鏡270的參考光束一起組成多個(gè)同時(shí)參考和物體光波300。
將圖2與圖1進(jìn)行比較，可以看出，至少以下差別允許CCD攝象機(jī)建立全息圖而不使用膠片或照相底板。(1)本發(fā)明使用一個(gè)高分辨率CCD(例如1百40萬(wàn)個(gè)象素)，(已經(jīng)有超過(guò)6千萬(wàn)個(gè)象素的CCD可供使用)。(2)本發(fā)明使用一個(gè)“Michelson”光學(xué)幾何(分束器、參考光束和物光束的幾何關(guān)系將在非常小的角度下組合，參考光束鏡面和CCD能夠仿真一個(gè)Michelson干涉儀光學(xué)幾何)。此光學(xué)幾何允許將參考光束鏡面偏轉(zhuǎn)以便建立小角度，從而使全息圖付里葉分析的外差或邊帶在空間上出現(xiàn)干涉條紋。(3)本發(fā)明使用一個(gè)聚焦透鏡來(lái)將物體聚焦于CCD的焦平面上。此透鏡還按照需要通過(guò)使用不同聚焦長(zhǎng)度和調(diào)整相應(yīng)的空間光學(xué)幾何(例如物體距離與圖象距離之比)來(lái)提供放大或縮小作用。前述三個(gè)因素與文獻(xiàn)中熟知的付里葉變換軟件分析方法一起用于直接至數(shù)字地記錄和回放全息圖。(10-12)該系統(tǒng)適用于實(shí)時(shí)地記錄和回放全息攝影圖象或者將它們存儲(chǔ)以備事后回放。由于全息圖是數(shù)字地被存儲(chǔ)的，能夠建立一串全息圖以便建立一個(gè)全息攝影動(dòng)畫(huà)或全息圖，它們能夠被電子地播送以便在遠(yuǎn)處回放從而提供全息攝影電視(全息電視)。由于全息圖存儲(chǔ)幅值和相位，而相位正比于波長(zhǎng)和光路長(zhǎng)度，這個(gè)直接至數(shù)字全息攝影也能用作極端精確的測(cè)量工具，用于證實(shí)精確部件、組件等的形狀和尺寸。類(lèi)似地，將全息圖立即數(shù)字地存儲(chǔ)的能力能夠提供一種用于數(shù)字全息攝影干涉量度學(xué)的方法。相同物體的各全息圖在某些物理變化(應(yīng)力、溫度、精密加工等)后能夠彼此相減(相位直接相減)以便計(jì)算該變化的物理測(cè)量(相位變化正比于波長(zhǎng))。類(lèi)似地，能夠通過(guò)將兩個(gè)類(lèi)似物體的相應(yīng)全息圖相減而測(cè)量第二物體與第一或主物體的偏差從而將它們進(jìn)行比較。為單值地測(cè)量x-y平面中兩個(gè)象素之間在z平面中大于2π的相位變化，必須在多于一個(gè)波長(zhǎng)的情況下記錄全息圖(雙頻率干涉量度學(xué)的內(nèi)容是文獻(xiàn)中熟知的，因此此處不再重復(fù))。
本發(fā)明將高分辨率視頻攝象機(jī)的使用、全息攝影物光束和參考光波的非常小角度混合(這個(gè)角度的混合導(dǎo)致每個(gè)干涉條紋有至少兩個(gè)象素和每個(gè)需要分辨的空間特征有至少兩個(gè)干涉條紋)、在記錄(攝象機(jī))平面處的物體成象和空間低頻外差(邊帶)全息圖的付里葉變換分析都結(jié)合起來(lái)，從而有可能記錄全息攝影圖象(圖象中為每個(gè)象素記錄幅值和相位兩者)。此外，能夠在涉及物體聚焦的一個(gè)或多個(gè)透鏡的后焦平面中使用一個(gè)孔徑快門(mén)，以便阻止任何高于圖象系統(tǒng)所能分辨的頻率的混疊(混疊現(xiàn)象在文獻(xiàn)中是徹底地討論的，及在透鏡的后焦平面中放置孔徑快門(mén)以便限制空間頻率的做法也是很好地描述和了解的)。如果所用空間頻率都能被圖象系統(tǒng)所分辨，則不需要任何孔徑。一旦被記錄，有可能或者回放全息攝影圖象為一個(gè)二維顯示器上的3-D相位或幅值曲線，或者使用一個(gè)相位變化晶體和白光或激光束回放完整的原始記錄光波以便回放原始圖象。使用激光器將原始圖象寫(xiě)入相位變化媒質(zhì)而回放它，及或者白光或者另一個(gè)激光器被用于將它回放。使用激光器的三種不同顏色來(lái)記錄圖象并且合并回放的圖象，有可能做成一個(gè)真實(shí)顏色的全息圖。通過(guò)連續(xù)地寫(xiě)入和轉(zhuǎn)播一串圖象，有可能形成全息攝影動(dòng)畫(huà)。由于這些圖象是數(shù)字地記錄的，它們也能使用合適的數(shù)字編碼技術(shù)通過(guò)射頻(RF)波(例如微波)或通過(guò)光纖或電纜的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行播送，以及在遠(yuǎn)處回放。這能有效地實(shí)現(xiàn)全息攝影電視和動(dòng)畫(huà)或“全息電視”。
至于使用透鏡將物體聚焦于CCD的焦平面而言，一個(gè)點(diǎn)的衍射圖形能夠用一個(gè)球函數(shù)加以描述，當(dāng)離該圖形中心的距離增加時(shí)，該球函數(shù)具有愈加靠近的干涉條紋。由于這些干涉條紋愈來(lái)愈靠近，它們無(wú)法由一個(gè)視頻攝象機(jī)加以分辨。更壞的是，這些來(lái)自一個(gè)復(fù)雜物體的點(diǎn)衍射圖形建立一個(gè)不現(xiàn)實(shí)地密而復(fù)雜的圖形，它在任何地點(diǎn)都無(wú)法由一個(gè)視頻攝象機(jī)分辨。通過(guò)將物體聚焦于記錄平面上，能夠消除這些衍射圖形，以使現(xiàn)代高分辨率視頻攝象機(jī)能夠以合理的可信度記錄全息圖。
如果該記錄媒質(zhì)分辨100線/mm，則在單位放大倍數(shù)的情況下全息攝影分辨率將為大約16線/mm，或50微米的數(shù)量級(jí)?？梢允褂靡粋€(gè)放大透鏡來(lái)增加此限值。對(duì)于100線/mm的攝象機(jī)分辨率，如果使用10的放大倍數(shù)，則全息圖分辨率將為大約160線/mm。類(lèi)似地，在記錄攝象機(jī)上的原始圖象的任何縮小將會(huì)減少空間分辨率。
本發(fā)明也能被實(shí)施于多個(gè)選代方案中。例如，本發(fā)明能夠使用每個(gè)象素移相而不是外差采集全息圖的相位和幅值。移相干涉量度學(xué)是文獻(xiàn)中很好地闡述的。作為另一個(gè)例子，本發(fā)明能夠使用許多不同的將強(qiáng)度模式寫(xiě)入一個(gè)光學(xué)上敏感晶體的方法。這些方法包括使用一個(gè)精確聚焦的掃描激光束(而不是使用空間光調(diào)制器)，使用一個(gè)空間光調(diào)制器(SLM)而不偏轉(zhuǎn)激光束來(lái)寫(xiě)入，以及使用寫(xiě)入方案的許多可能的光學(xué)幾何變動(dòng)。作為另一個(gè)例子，本發(fā)明能夠使用一個(gè)采用光學(xué)效應(yīng)而不是相位變化的光學(xué)上敏感晶體，以便建立衍射光柵而回放全息圖。作為又一個(gè)例子，本發(fā)明能夠?qū)嶋H上使用一個(gè)非常精細(xì)象素空間光調(diào)制器來(lái)建立強(qiáng)度模式，從而不需要將強(qiáng)度模式寫(xiě)入一個(gè)用于回放全息圖的光學(xué)上敏感晶體。例子以下將通過(guò)非限制性例子進(jìn)一步描述本發(fā)明實(shí)施例，該例子用于較詳細(xì)地闡述不同主要特征。該例子只是為了便于理解實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的各種方法，以便幫助專(zhuān)業(yè)人員實(shí)施本發(fā)明。因此，不應(yīng)該將該例子構(gòu)成為限制本發(fā)明范圍。
圖3A是一個(gè)用于直接至數(shù)字全息攝影的示例性“Michelson”光學(xué)幾何的透視圖。激光束被提供給分束器310。來(lái)自分束器310的物光束射向一個(gè)半導(dǎo)體晶片安裝架320，然后射向一個(gè)聚焦透鏡330。與此同時(shí)，一個(gè)來(lái)自分束器310的參考光束射向一個(gè)參考光束鏡面，該參考光束鏡面被安裝于壓電參考光束鏡面安裝架340上。
圖3B是該示例性記錄用“Michelson”光學(xué)幾何的另一個(gè)透視圖。在此透視圖中，能夠更容易地了解到直接至數(shù)字CCD攝象機(jī)350相對(duì)于設(shè)備的其他子部件的位置。在此透視圖中，也能更容易地了解到物體標(biāo)本安裝架360的位置。
圖4是鏡面(此例中是物體)中一個(gè)涂寫(xiě)的外差(邊帶)全息圖。該全息圖是使用圖3A-3B中闡述和以上闡述的直接至數(shù)字全息攝影系統(tǒng)所制成。全息圖中能夠觀察到的干涉條紋是由于參考光束和物光束之間的干涉作用。該參考光束鏡面稍微偏轉(zhuǎn)以便建立這些干涉條紋。由于這些干涉條紋的存在，就有可能對(duì)全息圖進(jìn)行付里葉變換分析以便計(jì)算全息圖各象素的相位和幅值。該付里葉變換分析將在下面更詳細(xì)地討論。
圖5是圖4的二維付里葉變換的圖形曲線。x軸是沿著x方向的空間頻率軸及y軸是沿著y方向的空間頻率軸。實(shí)際數(shù)據(jù)本身是(fx，fy)頻率空間內(nèi)對(duì)應(yīng)于一個(gè)特定空間頻率強(qiáng)度的數(shù)字矩陣。白點(diǎn)的數(shù)字和亮度顯示圖4中所示空間頻率的頻率空間內(nèi)的強(qiáng)度和位置。能夠從圖5中知道，參考光束干涉條紋用作一個(gè)外差本地振蕩器，用于將真實(shí)和虛擬全息圖象偏移至軸外以及在頻率空間內(nèi)將它們分離。從香農(nóng)理輪(或Nyquist極限)知道，每個(gè)干涉條紋至少需要兩個(gè)象素用于分辨一個(gè)干涉條紋，以及每個(gè)可分辨特征至少需要3個(gè)干涉條紋用于從電子全息攝影中分辨全息圖中的物體(正常情況下每個(gè)特征需要3個(gè)至4個(gè)干涉條紋用于分辨載波空間頻率加上物體頻率，但Voelkl等使用擴(kuò)展付里葉變換時(shí)每個(gè)特征只需2個(gè)干涉條紋)。因此，這兩個(gè)極限決定物體所需放大倍數(shù)和參考光束與物光束之間的偏轉(zhuǎn)角度以便在全息圖中分辨一個(gè)特征(空間頻率)。
圖5中所示數(shù)據(jù)通過(guò)如下操作被分析將付里葉空間內(nèi)的各軸變換(偏移)為位于外差載波頻率(由物光束與參考光束之間的小偏轉(zhuǎn)角所引起的空間頻率)頂部之上，然后應(yīng)用一個(gè)數(shù)字濾波器(例如漢明或Butterworth濾波器)將原始原點(diǎn)周?chē)男盘?hào)(這些信號(hào)實(shí)際上是參考光束與它本身相互作用及物光束與它本身相互作用的結(jié)果，而從全息圖的觀點(diǎn)看它們只是噪音)濾去，以及然后完成逆付里葉變換。所有這些分析都能夠在數(shù)字計(jì)算機(jī)上執(zhí)行，并且能夠?qū)崟r(shí)地執(zhí)行。實(shí)時(shí)分析可能需要多至30至100個(gè)高性能并行處理器(例如Pentium Pro或DEC Alpha)以便達(dá)到每秒30幀的幀頻。這類(lèi)尺寸的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)今通常用作大數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和證券交易用計(jì)算機(jī)器。它們也適用于短期低分辨率天氣預(yù)報(bào)以及膠片工業(yè)的圖象操縱和建立?？梢灶A(yù)料，這類(lèi)系統(tǒng)將在6至10年內(nèi)成為桌上系統(tǒng)。
圖6顯示通過(guò)對(duì)來(lái)自圖5的數(shù)據(jù)(全息圖)完成如上所述的分析而建立的相位數(shù)據(jù)的回放。為將這些數(shù)據(jù)回放為一個(gè)實(shí)際全息圖，要求在一個(gè)光學(xué)晶體內(nèi)建立一個(gè)衍射光柵及使用激光束(或合適地處理過(guò)的白光)對(duì)衍射光柵以正確角度進(jìn)行照明。通過(guò)將一個(gè)函數(shù)f(x，y，z0)加至全息圖數(shù)據(jù)的每個(gè)象素h(x，y，z0)而從全息圖數(shù)據(jù)中計(jì)算實(shí)際上寫(xiě)至光學(xué)上敏感晶體的數(shù)據(jù)，其中這兩個(gè)函數(shù)都是復(fù)數(shù)以及f(x，y)＝eikcos(α)r及r是x2+y2+z2的平方根。
以上所加上的指數(shù)函數(shù)在物理上對(duì)應(yīng)于增加一個(gè)平面波，它以角度α與全息圖的原始物體光波相交。根據(jù)該和數(shù)所建立的函數(shù)被其共軛復(fù)數(shù)相乘以便形成絕對(duì)值強(qiáng)度函數(shù)，它使用激光器寫(xiě)至光敏感晶體(也可能只寫(xiě)參考光束與物體的強(qiáng)度的互相關(guān)項(xiàng)而去掉自相關(guān)項(xiàng))。光敏感晶體內(nèi)如此建立的衍射光柵然后能夠使用激光束以角度α進(jìn)行照明而回放原始全息圖。如果當(dāng)使用激光束寫(xiě)入時(shí)所使用晶體具有暫時(shí)相位變化或折射率變化，然后連續(xù)地寫(xiě)入來(lái)自瞬時(shí)地采集的或存儲(chǔ)的全息圖的新圖象，并且使用來(lái)自另一個(gè)激光器的激光束(或合適地處理過(guò)的白光)以角度α照明每個(gè)圖象，則能夠建立一個(gè)3-D動(dòng)畫(huà)或3-D電視圖象。這只是一個(gè)可能的而不是唯一的用于將全息攝影圖象寫(xiě)至光學(xué)上敏感晶體并且然后回放它的方法。
圖7闡述一個(gè)使用本發(fā)明生成一個(gè)動(dòng)畫(huà)或電視圖象的方法。能夠知道，通過(guò)將兩個(gè)激光束相交于一個(gè)相位變化晶體710內(nèi)而將全息圖寫(xiě)至相位變化或其他光學(xué)上活性晶體。激光束1通過(guò)一個(gè)空間光調(diào)制器720以便將進(jìn)入它的如上所述地從原始全息圖中在算術(shù)上建立的全息圖強(qiáng)度模式進(jìn)行調(diào)制。SLM 720由一個(gè)計(jì)算機(jī)740通過(guò)數(shù)據(jù)路徑750進(jìn)行控制。一個(gè)聚焦透鏡730在激光束1與激光束3相交的相位變化晶體710內(nèi)將此模式進(jìn)行聚焦，其中兩個(gè)激光器的組合強(qiáng)度適合于將該模式寫(xiě)至晶體710。在寫(xiě)入模式后，以角度α入射于晶體710上的激光束2將原始全息圖進(jìn)行回放。光波全息攝影入門(mén)為更加容易地理解此處描述的全息圖處理步驟，首先簡(jiǎn)單地回顧一下軸外全息攝影的本質(zhì)是有用的。在一個(gè)配備有高度相干電子源例如一個(gè)使用場(chǎng)發(fā)射電子槍的電子顯微鏡中，入射于標(biāo)本上的電子束在理想情況下是一個(gè)平面波。實(shí)際上，如果照明分布于一個(gè)大范圍內(nèi)，則能夠在合理地做到這點(diǎn)。在此理想情況下，顯微鏡內(nèi)的物體將入射平面波 修改為物體光波 它被定義為 和 兩者都是實(shí)函數(shù)并且分別用于描述物體幅值和物體相位。向量 是標(biāo)本平面或(x，y)平面內(nèi)的向量。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，放大因子和圖象旋轉(zhuǎn)都被忽略，因此圖象平面和物體平面內(nèi)的向量重合。
當(dāng)記錄軸外全息圖時(shí)，理想情況下該物體只位于雙棱鏡的一側(cè)。該雙棱鏡然后使用參考光波即雙棱鏡另一側(cè)的光波覆蓋圖象光波(取決于實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，也可為物體光波)(Lichte，1986；Joy等，1993；M_llenstedt&Diiker，1956；Tonomura，1993)。理想情況下，參考光波是一個(gè)平面波，它并不穿過(guò)標(biāo)本的任何部分。然而這不是唯一要求，如果參考光波穿過(guò)標(biāo)本或被磁場(chǎng)或電場(chǎng)所變形，仍然能夠獲得可接受的結(jié)果。在雙棱鏡之下的圖象平面中，我們找到圖象強(qiáng)度為I(r→)=1+A2(r→)+Iinel(r→)+2·A(r→)·cos(Δk→·r→+Φ(r))---(2)]]>其中附加項(xiàng) 考慮到非彈性散射的光子。 項(xiàng)描述全息攝影干涉條紋的空間頻率。 和 描述圖象幅值和相位，由于物鏡的象差(及其他干擾源)，它們與物體的幅值和相位不同。μ項(xiàng)描述不使用物體即A＝1及Iinel和Φ為零時(shí)干涉條紋的反差。
在圖8中，從非晶形碳膜上金顆粒的全息圖中選擇一個(gè)小區(qū)域，用于顯示干涉條紋。它們從圖象的左上角伸展至右下角。為提取關(guān)于(復(fù)數(shù))圖象光波和來(lái)自幅值和相位的信息，完成圖象強(qiáng)度 的付里葉變換(FT)并且獲得FT{T(r)}=FT{T+Iinel+A2(r→)}+]]>δ(Δk→-q→)*FT{A(r→)·eiΦ(r→)}+]]>δ(Δk→+q→)*FT{A(r→)·e-iΦ(r→)}---(3)]]>其中*標(biāo)示卷積。
圖8全息圖的付里葉變換被顯示于圖9中。中心區(qū)域被認(rèn)為是“自相關(guān)”，它對(duì)應(yīng)于一個(gè)傳統(tǒng)圖象的付里葉變換。此圖象的有趣特征是“邊帶”，它看上去像圍繞自相關(guān)的耳朵。更近的觀察顯示例如相對(duì)于邊帶中心沒(méi)有中心對(duì)稱(chēng)互相面對(duì)的光束并不具有相同強(qiáng)度；這是算術(shù)上的必要性。
等式(3)的最后兩行對(duì)應(yīng)于圖9中的兩個(gè)邊帶。通過(guò)將邊帶中的一個(gè)隔離掉，我們保留復(fù)數(shù)圖象光波的付里葉變換。忽略色差，該復(fù)數(shù)圖象光波的付里葉變換按照以下方式對(duì)應(yīng)于復(fù)數(shù)物體光波的付里葉變換 其中 項(xiàng)描述等平面光波色差。此處， 是付里葉空間(或倒數(shù)空間)即物鏡透鏡的后焦平面內(nèi)的一個(gè)二維向量。從此等式能夠明顯看出，如果 已知，則此信息能夠用于消除 的影響，其結(jié)果是改進(jìn)點(diǎn)分辨率(Tonomura等，1979；Fu等，1991)。這是所希望的，因?yàn)楦叻直媛示w結(jié)構(gòu)圖象的解釋將變?yōu)楦庇X(jué)。
除可能改進(jìn)顯微鏡的點(diǎn)分辨率之外，另一個(gè)光波全息攝影的重要特征是圖象相位的直接可存取性。與作為正弦函數(shù)的傳統(tǒng)反傳遞函數(shù)(Reimer，1989，如圖10A中位移的)相反，物體相位對(duì)圖象相位的傳遞函數(shù)由余弦函數(shù)加以描述。此傳遞函數(shù)被顯示于圖10B內(nèi)。余弦類(lèi)傳遞函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是大區(qū)域反差(尺寸＞1nm的細(xì)節(jié))不會(huì)減少，及除點(diǎn)分辨率稍微下降之外，圖象相位中的的信息總量高于Gabor焦點(diǎn)處的圖象強(qiáng)度中的信息(Weierstall，1989；Lichte，1991)。這是某些情況下為何圖象相位的直接顯示優(yōu)選于圖象強(qiáng)度的一個(gè)原因。擴(kuò)展付里葉變換為估計(jì)計(jì)算機(jī)中的全息圖，傳統(tǒng)上使用離散付里葉光學(xué)。雖然圖象的離散付里葉變換包含與原始圖象相同的信息，但傳統(tǒng)離散付里葉變換并不是完成此任務(wù)的理想工具。
為闡述此點(diǎn)，我們考慮一個(gè)其尺寸為N×N個(gè)象素的離散圖象，它能夠容易地從一個(gè)慢掃描CCD攝象機(jī)中獲得。假設(shè)CCD攝象機(jī)的一個(gè)象素的尺寸具有度量d×d，及相鄰象素之間的距離也是d。為每個(gè)象素記錄圖象函數(shù)I(x，y)，并且具有值為Imn=1d2∫md(m-1)d∫nd(n-1)dI(x,y)dxdy,---(5)]]>其中m，n＝1，…，N。由于在象素面積上的積分，Im，n與在象素中心((m-1/2)d，(n-1/2)d)處的函數(shù)I(x，y)值略為不同。此效果與其他效果一起對(duì)CCD攝象機(jī)的MTF起作用。對(duì)于這個(gè)討論，我們假設(shè)已經(jīng)校正MTF，因此I((m-1/2)d，(n-1/2)d)＝In，m。我們還暫時(shí)假設(shè)對(duì)于0≤x，y≤Nd，I(x，y)具有以下形式I(x，y)＝cos[2π(xu+yv)](6)而在別處則為零。對(duì)于0≤m，n≤N，數(shù)字化圖象Im，n為Im，n＝cos{2π[(m-1/2)ud+(n-1/2)vd]}(7)而在別處則為零。我們把為在垂直于等式(7)中所定義干涉條紋的方向內(nèi)覆蓋2π所需象素?cái)?shù)量定義為空間頻率 的采樣率ss:=1du2+v2---(8)]]>不要求此象素?cái)?shù)量為整數(shù)。采樣理輪認(rèn)為，如果圖象函數(shù)I(x，y)被如此采樣以使Nyquist極限之下沒(méi)有圖象的空間頻率被采樣(12)，則在CCD攝象機(jī)的區(qū)域內(nèi)圖象函數(shù)是唯一地被定義的。換言之，如果圖象函數(shù)I(x，y)的所有空間頻率都被使用s≥2進(jìn)行采樣，則在CCD攝象機(jī)的區(qū)域內(nèi)關(guān)于圖象函數(shù)I(x，y)的信息是完全的。因此，如果使用例如124×124個(gè)或13789×13789個(gè)采樣點(diǎn)(即顯示點(diǎn))在實(shí)空間和付里葉空間兩者內(nèi)都顯示I(x，y)，則只是顯示器的問(wèn)題。離散付里葉變換FTd{…}被定義為ETd(...)=1NΣm,n=1N(...)e-2πi(km+∈)/N---(9)]]>其中N/2≤k，l≤N/2-1。圖11顯示一維內(nèi)和N＝32時(shí)等式(7)FTd{Im}的付里葉變換的模量。使用擴(kuò)展付里葉算法的動(dòng)機(jī)原本來(lái)自FTd{Im}的模量顯示與等式(6)FTa{I(x)}的分析付里葉變換的模量顯示之間的驚人差別。該分析付里葉變換FTa被定義為FTa{...}=∫∫-∞∞{...}e2πi(xu+yu)dxdy---(10)]]>=∫∫0Nd{...}e2πi(xu+yu)dxdy.]]>FTa{I(x)}的模量被顯示于圖12中。在比較圖11和12之后能夠清楚地看出，圖12中能夠看見(jiàn)的細(xì)節(jié)在圖11中都看不見(jiàn)。此外，F(xiàn)Ta在付里葉空間內(nèi)擴(kuò)展至無(wú)窮，而FTd的擴(kuò)展不超過(guò)1/(2d)處的熟知的Nyquist極限。
(離散)擴(kuò)展付里葉變換EFT被如下定義EFT{...}=1NΣm,n=1N{...}---(11)]]>×e-2πi[(k+Δk)m+(l+Δl)n]/(Nτ),]]>其中-1≤Δk，Δl≤1；-Nτ/2≤k，l≤INτ/2-1。逆擴(kuò)展付里葉變換被定義為EFT-1{...}=1Nτ2Σk,l=-Nτ/2Nτ/2-1{...}----(12)]]>×e-2πi[(k+Δk)m+(l+Δl)n]/(Nτ),]]>新變量Δk，Δl和τ允許改變付里葉空間內(nèi)的顯示以及顯示點(diǎn)數(shù)量。注意到當(dāng)Δk，Δl＝0和τ＝1時(shí)EFT＝FTd。τ的影響可從圖13中看出τ的影響。使用τ＝16和Δk，Δl＝0，現(xiàn)在有NΔ＝512個(gè)點(diǎn)而不是圖11中的N＝32個(gè)點(diǎn)被顯示于付里葉空間內(nèi)。顯然，可在分析付里葉變換(圖12)中看見(jiàn)的細(xì)節(jié)也出現(xiàn)于離散EFT中。但是再一次，EFT(對(duì)于τ≥1)和FTd兩者包含相同信息。在分析付里葉變換的模量與擴(kuò)展付里葉變換的模量的顯示之間還有兩個(gè)差別。首先，對(duì)于擴(kuò)展付里葉變換仍然存在Nyquist極限及沒(méi)有空間頻率能超過(guò)Nyquist極限。其次，受限制的圖象區(qū)域在付里葉空間內(nèi)造成較高頻率，它們?cè)贜yquist極限處被反射回來(lái)并且造成差別例如FTa中能夠看見(jiàn)的非常小的細(xì)節(jié)的消失。Δk的影響EFT{Im}中Δk的影響被顯示于圖14中，這是特殊情況Δk＝0.133和τ＝1。與圖11比較，現(xiàn)在付里葉空間中兩個(gè)峰值中的右側(cè)一個(gè)正好與一個(gè)象素(或顯示點(diǎn))重合。如圖11中可看見(jiàn)的，這使邊帶消失。
對(duì)于軸外光波全息攝影而言，付里葉空間中的顯示點(diǎn)的偏移很重要，對(duì)于圖象幅值的重構(gòu)特別重要(在大多數(shù)情況下，在重構(gòu)相位中由于邊帶中心偏離顯示點(diǎn)而造成的楔狀部分能夠容易地給予補(bǔ)償)。邊帶中心偏離顯示點(diǎn)的效應(yīng)是在重構(gòu)幅值中產(chǎn)生噪音。
我們能夠演示重構(gòu)時(shí)在付里葉空間中邊帶中心實(shí)際上偏離顯示點(diǎn)的效應(yīng)。為做到此點(diǎn)，我們?cè)谟?jì)算機(jī)中生成一個(gè)空全息圖(圖象尺寸512×512)以使邊帶準(zhǔn)確地落在付里葉空間中的顯示點(diǎn)(k，l)上。在此情況下，重構(gòu)的幅值是平的并且顯示出平均標(biāo)準(zhǔn)偏差有效地為0％。生成中的稍微變換例如采樣率s的減少促使邊帶中心落在顯示點(diǎn)(k，l)與(k+1，l+1)之間。再次計(jì)算平均標(biāo)準(zhǔn)偏差，以及我們繼續(xù)減少采樣率直至邊帶中心落在顯示點(diǎn)(k+1，l+1)上。此仿真的結(jié)果被顯示于圖15中。在最壞的情況下，當(dāng)邊帶中心被發(fā)現(xiàn)位于(k+1/2，l+1/2)處時(shí)，重構(gòu)幅值的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差到達(dá)10％。
基于以上觀察，以下重構(gòu)過(guò)程是有利的(1)選擇不顯示物體影響的區(qū)域全息圖(如果可能的話)。
(2)對(duì)此區(qū)域(或所有全息圖)應(yīng)用漢明窗口。
(3)完成FTd和提取關(guān)于邊帶確切位置的信息。這為擴(kuò)展付里葉算法定義Δk和Δl。
(4)使用Δk和Δl上的信息而應(yīng)用EFT。使用τ＝1。
(5)將現(xiàn)在完全對(duì)中心的邊帶進(jìn)行隔離。
(6)完成逆FTd。
(7)提取幅值和相位。
例子。應(yīng)用漢明窗口和完成FTd。邊帶的位置例如是(134.62，172.31)，使用10thPfefferkorn Conf.Scanning Microsc.Suppl.6(1992)347中的W.J.de Ruigter等；_Δk＝0.62和Δl＝0.31。使用這些數(shù)據(jù)以及τ＝1并且完成全息圖的EFT。現(xiàn)在邊帶的中心位于一個(gè)顯示點(diǎn)上并且在重構(gòu)幅值中減少假象。數(shù)字全息圖采集系統(tǒng)的改進(jìn)通過(guò)透鏡照明和Mach-Zender光學(xué)幾何本發(fā)明能夠包括標(biāo)本物體的通過(guò)透鏡照明而允許物鏡靠近物體。本發(fā)明能夠包括Mach-Zender光學(xué)幾何，與Michelson光學(xué)幾何相比較，它提供大范圍的載波頻率干涉條紋的可調(diào)整性而同時(shí)保持物光束和參考光束的覆蓋。
參照?qǐng)D16，激光器1605在光學(xué)上耦合至可變衰減器1610，它在光學(xué)上耦合至可變分束器1615。一個(gè)帶有光束擴(kuò)展器組件1625的空間濾波器在光學(xué)上耦合至可變分束器1615。照明分束器1630在光學(xué)上耦合至組件1625。物鏡透鏡1635在光學(xué)上耦合至分束器1630。一個(gè)感興趣的物體1640靠近透鏡1635。光束合并器1650通過(guò)筒狀透鏡1645耦合至分束器1630。CCD攝象機(jī)在光學(xué)上耦合至光束合并器1650。參考分束器1665通過(guò)另一個(gè)具有光束擴(kuò)展器組件1660的空間濾波器在光學(xué)上耦合至分束器1615。參考鏡面1765通過(guò)參考物鏡透鏡1680在光學(xué)上耦合至分束器1665。光束合并器1650通過(guò)另一個(gè)筒狀透鏡1670在光學(xué)上耦合至分束器1665。
仍然參照?qǐng)D16，一個(gè)來(lái)自可變分束器1615的物光束1620通過(guò)組件1625，然后被照明分束器1630反射并且通過(guò)物體物鏡透鏡1635。該物光束1620然后與一個(gè)感興趣的物體1640相互作用，返回通過(guò)透鏡1635及然后通過(guò)照明分束器1630和通過(guò)筒狀透鏡1645射向光束合并器1650。參考光束1685通過(guò)組件1660，被參考分束器1665反射，然后通過(guò)參考物鏡1660。該參考光束1685從參考鏡面1675反射回來(lái)，返回通過(guò)透鏡1680及然后通過(guò)參考分束器1665及通過(guò)筒狀透鏡1670射向光束合并器1650。合并的光束自光束合并器1650射向CCD攝象機(jī)1655，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在該處被收集。當(dāng)然，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)能夠被記錄、傳輸和/或變換。
圖16顯示一個(gè)Mach-Zender光學(xué)幾何的原理圖。將圖16的Mach-Zender光學(xué)幾何(稱(chēng)為Mach-Zender，是因?yàn)樗?lèi)似于Mach-Zender干涉儀的光學(xué)幾何)與Michelson光學(xué)幾何進(jìn)行比較，能夠看出，聚焦透鏡(圖16中的物鏡1635)能夠在更大程度上靠近物體1640，因?yàn)橥ㄟ^(guò)透鏡照明的做法允許將用于照明的分束器1630放置于物鏡透鏡1635之后而不是在物鏡透鏡1635與物體1640之間。這允許使用大數(shù)字孔徑、高放大倍數(shù)物鏡觀看小物體(及記錄其全息圖)。取決于當(dāng)時(shí)情況，對(duì)于大物體，原始Michelson光學(xué)幾何可能是優(yōu)選的。
從圖16中還能知道，最后光束合并器1650正好位于CCD攝象機(jī)1655之前。該最后光束合并器1650將參考光束和物光束1685、1620合并以便照明數(shù)字CCD攝象機(jī)1655。能夠改變光束合并器的角度以使參考光束和物光束確切地同線，或者一般而言，以一個(gè)彼此間的角度打在電荷耦合設(shè)備攝象機(jī)上以便產(chǎn)生外差載波干涉條紋。這允許載波干涉條紋頻率在0與CCD攝象機(jī)的Nyquist極限之間變化。至少對(duì)于放大光學(xué)幾何而言(在該光學(xué)幾何中物體全息圖被放大以便由數(shù)字?jǐn)z象機(jī)進(jìn)行采集)，最后光束合并器1650比Michelson光學(xué)幾何離數(shù)字?jǐn)z象機(jī)1655靠近得多。這允許物光束與參考光束之間的合并角度相對(duì)地大而不至于從參考光束和物光束中造成光點(diǎn)而不再覆蓋CCD攝象機(jī)。這允許對(duì)載波頻率干涉條紋進(jìn)行精細(xì)得多的控制。有可能在零值直至該系統(tǒng)約束條件所允許最大角度值之間改變兩個(gè)光束之間的角度而不使外差全息圖的空間載波頻率超過(guò)CCD所允許的Nyquist頻率(即可以增加該角度直至空間載波頻率的每個(gè)干涉條紋只有兩個(gè)CCD象素-當(dāng)角度超過(guò)此值時(shí)空間載波頻率不再能夠準(zhǔn)確地被CCD所記錄)。使用Michelson光學(xué)幾何不可能達(dá)到全息圖的最大空間載波頻率，因?yàn)樗杞嵌瓤赡茏銐虼笠蚨谀承┕鈱W(xué)幾何中在CCD攝象機(jī)處參考光束和物光束不再覆蓋。分束器/光束合并器的物光束前表面照明用于消除像散本發(fā)明能夠包括物光束從分束器的前表面反射，從而有助于防止圖象中的像散。圖16中布局的限制是當(dāng)物光束射向CCD攝象機(jī)時(shí)，它通過(guò)照明分束器材料。將照明光學(xué)幾何修改以使激光束通過(guò)分束器時(shí)只是為了照明，而從物體返回的光束從分束器的前表面反射，這能夠消除這點(diǎn)。此光學(xué)幾何防止由于通過(guò)分束器而產(chǎn)生的圖象中的像散，并且簡(jiǎn)化系統(tǒng)的透鏡設(shè)計(jì)，不然將需要考慮到分束器的材料。圖17闡述安裝50X物鏡的這類(lèi)光學(xué)幾何，(該系統(tǒng)也用于此配置中，為Nikon10X和Nikon 100X物鏡)。
參照?qǐng)D17，PCX透鏡1710在光學(xué)上耦合至分束器1720。標(biāo)本1730通過(guò)透鏡1635在光學(xué)上耦合至分束器1720。能夠知道，來(lái)自標(biāo)本1730的物光束從分束器1720的前表面1725反射并且通過(guò)筒狀透鏡1735射向光束合并器1730。也能知道，來(lái)自參考鏡面1675的參考光束從參考分束器1740的前表面反射。在此例子中，合并的光束射向一個(gè)帶有Kodak KAF-1400傳感器的Apogee KX-14攝象機(jī)。四分之一波板和偏振器光束隔離用于抑制不必要的反射本發(fā)明能夠包括四分之一波板和偏振器光束隔離的使用，以便抑制不必要的反射。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明能夠使用四分之一波板隔離器設(shè)計(jì)將來(lái)自物鏡的透鏡表面(或任何其他來(lái)源)的雜散反射抑制超過(guò)幅值的一個(gè)數(shù)量級(jí)。為使用此技術(shù)，照明分束器被一個(gè)偏振分束器所替代，該偏振分束器使p偏振光束通過(guò)而將s偏振光束反射，以及一個(gè)四分之一波板被放置于物鏡與物體之間。該四分之一波板被調(diào)整以便當(dāng)入射的p偏振光束打在物體上時(shí)被轉(zhuǎn)換為圓形偏振光束。從物體返回的光束再一次通過(guò)四分之一波板而被轉(zhuǎn)換為s偏振光束。該s偏振光束現(xiàn)在被從偏振分束器反射并且通過(guò)光學(xué)路徑而下達(dá)至CCD攝象機(jī)。來(lái)自物鏡的雜散反射現(xiàn)在被抑制，因?yàn)樗鼈內(nèi)匀皇莗偏振光束而不被偏振分束器所反射。選代的版本可能是只在筒狀透鏡之前放置一個(gè)偏振器而根本不用偏振分束器。此外，偏振分束器能夠使s偏振光束通過(guò)而將p偏振光束反射。為防止由于四分之一波板所引起的像散，在設(shè)計(jì)該物鏡時(shí)必須專(zhuān)門(mén)考慮到四分之一波板的材料、位置和厚度。否則該四分之一波板將會(huì)在物體圖象中造成某些像散或其他象差。此技術(shù)已經(jīng)在ORNL的系統(tǒng)上試驗(yàn)過(guò)，其配置為四分之一波板和偏振器位于筒狀透鏡之前，以及被發(fā)現(xiàn)為能夠?qū)⒉槐匾奈镧R透鏡反射和其他噪音抑制至超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)。
參照?qǐng)D24A，一個(gè)p通過(guò)1/4波板2410在光學(xué)上耦合至偏振分束器2420。參照?qǐng)D24B，一個(gè)s通過(guò)1/4波板2430在光學(xué)上耦合至偏振分束器2420。參照?qǐng)D24C，一個(gè)p通過(guò)1/4波板2410在光學(xué)上耦合至偏振分束器2420的前表面。參照?qǐng)D24D，一個(gè)s通過(guò)1/4波板2430在光學(xué)上耦合至偏振分束器2420的前表面。完全相同的物光束和參考光束路徑本發(fā)明能夠包括盡可能地使用完全相同的物光束和參考光束路徑，從而保持載波干涉條紋頻率恒定并且允許進(jìn)行付里葉變換分析。一個(gè)變動(dòng)的載波干涉條紋頻率將在回放時(shí)產(chǎn)生假象。
從圖16中能夠知道，此設(shè)計(jì)中的物光束和參考光束路徑主要是相同的。問(wèn)題的使是物光束和參考光束的波前盡可能與數(shù)字?jǐn)z象機(jī)(CCD傳感器)處的幾乎相同。半相同波前將會(huì)干涉和產(chǎn)生具有恒定空間頻率的線性載波干涉條紋。如本發(fā)明初始公開(kāi)內(nèi)容中所討論的，付里葉變換分析用于消除全息攝影空間載波頻率，及一個(gè)數(shù)字濾光器被用于在逆EFT之后只留下物光束相位和幅值。如果全息攝影載波頻率不是恒定的，則此技術(shù)不起作用，因?yàn)橛捎谳d波頻率的附加頻率分量的存在而在逆變換中產(chǎn)生雜散假象。使用半相同物光束和參考光束路徑的結(jié)果是很恒定的外差全息圖的空間載波頻率。一個(gè)選代的方法是準(zhǔn)確地計(jì)算數(shù)字?jǐn)z象機(jī)處的物光束波前特性以及使用更簡(jiǎn)單的光學(xué)幾何設(shè)計(jì)來(lái)重現(xiàn)參考光束中的波前。圖18顯示ORNL處全息攝影實(shí)驗(yàn)室中的原型系統(tǒng)的照片，其中實(shí)施半相同物光束和參考光束路徑。使用聲光調(diào)制器替代機(jī)械衰減器和無(wú)限可變比分束器本發(fā)明能夠包括使用聲光調(diào)制器替代機(jī)械衰減器和無(wú)限可變比分束器。對(duì)于高速操作，及為避免機(jī)械快門(mén)的磨損和撕裂(例如對(duì)于數(shù)字?jǐn)z象機(jī))，能夠使用聲光調(diào)制器替代圖16中所示機(jī)械衰減器和可變比分束器兩者。單個(gè)聲光調(diào)制器能夠用于替代衰減器，和每個(gè)參考光束和物光束路徑內(nèi)的一個(gè)聲光調(diào)制器能夠用于調(diào)整特定路徑中的功率并且用作一個(gè)高速快門(mén)。聲光調(diào)制器通常由射頻(RF)電磁波驅(qū)動(dòng)并且具有一個(gè)通常為1微秒數(shù)量級(jí)的接通/關(guān)斷時(shí)間。這對(duì)連續(xù)地以每秒多幀的幀頻采集圖象(例如全息電視)的情況特別有用，其中機(jī)械部件無(wú)法快速地調(diào)整并且由于每天操作周期數(shù)量大而面臨故障局面。使用光纖為每個(gè)分支將激光器耦合至匹配透鏡本發(fā)明能夠使用光纖為采集系統(tǒng)的每個(gè)分支(物光束、回放光束)將激光器耦合至匹配透鏡。例如，空間濾波器能夠被單模式偏振保持光纖所替代。圖24B中顯示一個(gè)光纖2435。光纖的使用允許激光器系統(tǒng)和聲光調(diào)制器和其他光束處理部件在需要時(shí)遠(yuǎn)離采集系統(tǒng)，從而不必要再費(fèi)時(shí)地和非常細(xì)致地對(duì)準(zhǔn)空間濾波器的微米尺寸針孔。單模式光纖能夠使不在所允許模式中的任何激光束快速地衰減，從而“清理”光束斷面。
從圖16中能夠知道，如果鏡面和透鏡被用于將激光器耦合至“全息攝象機(jī)”的物體和參考分支，當(dāng)激光器遠(yuǎn)離攝象機(jī)系統(tǒng)時(shí)這將不方便。遠(yuǎn)處位置將要求無(wú)阻擋光束路徑，由于安全性理由或?yàn)榱瞬皇顾樾己彤愇锴秩牍饴泛凸鈱W(xué)系統(tǒng)，可能需要將其封裝。另一方面，如果單模式偏振保持光纖用于為每個(gè)分支將激光器耦合至匹配透鏡，則激光器的遠(yuǎn)處位置是十分方便的，及單模式光纖也抑制除所允許的傳播模式外的所有其他模式，以致能夠不用圖16中所示兩個(gè)空間濾波器。在許多情況下激光器和聲光調(diào)制器或機(jī)械衰減器和分束器的遠(yuǎn)處位置具有顯著優(yōu)點(diǎn)。激光器通常是笨重的并且對(duì)環(huán)境有相當(dāng)要求(冷卻、電力等)，在重量是重要因素或機(jī)動(dòng)性是重要因素的應(yīng)用場(chǎng)合中具有靈活連接的遠(yuǎn)處位置允許全息攝象機(jī)頭既輕又機(jī)動(dòng)。數(shù)字全息回放系統(tǒng)的改進(jìn)實(shí)際系統(tǒng)布局本發(fā)明能夠包括將SLM輸出進(jìn)行付里葉透鏡濾光以便去除由于SLM象素邊緣而引起的光柵效應(yīng)。圖19顯示一個(gè)描述于本發(fā)明初始公開(kāi)內(nèi)容中的回放系統(tǒng)的實(shí)際原理實(shí)施圖。激光器1900通過(guò)可變衰減器1905在光學(xué)上耦合至可變分束器1910。一個(gè)寫(xiě)光束1950從可變分束器1910通過(guò)快門(mén)1955到達(dá)鏡面1960，以及通過(guò)空間濾波器1965和通過(guò)準(zhǔn)直透鏡1970到達(dá)空間光調(diào)制器1975。寫(xiě)光束1950從空間光調(diào)制器1975通過(guò)線性偏振器1977、通過(guò)筒狀透鏡1980、通過(guò)孔徑1985和通過(guò)物鏡透鏡1990到達(dá)光束合并器1945，然后到達(dá)光折射晶體1995的焦平面。一個(gè)回放光束1915從可變分束器1910通過(guò)1/2波板1920、通過(guò)快門(mén)1925、通過(guò)空間濾波器1930和通過(guò)準(zhǔn)直透鏡1935到達(dá)鏡面1940、到達(dá)光束合并器1945(例如分束器)，及然后到達(dá)光折射晶體1995的焦平面。一組觀看光學(xué)系統(tǒng)1999在光學(xué)上耦合至晶體1995。
仍然參照?qǐng)D19，在被濾光和準(zhǔn)直至合適尺寸后，寫(xiě)光束1950通過(guò)SLM 1975(空間光調(diào)制器)，在該處它被(例如由一個(gè)計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的SLM)數(shù)字地調(diào)制以便加上所需全息攝影衍射光柵圖案。筒狀透鏡1980和物鏡1990然后將全息攝影光柵聚焦縮小至合適尺寸并且聚焦于光折射晶體1995中(在此情況下是鈮酸鋰，當(dāng)然鈦酸鋇和其他光折射晶體是可用的)?？s小倍數(shù)用于使晶體1995中的全息攝影衍射光柵能夠分離出所用零階光束以供回放和回放的全息圖之用。整個(gè)回放光束串對(duì)于寫(xiě)過(guò)程是多余的。一旦全息攝影光柵被寫(xiě)至光折射晶體1995，能夠通過(guò)關(guān)閉寫(xiě)光束快門(mén)1955和打開(kāi)回放光束快門(mén)1925來(lái)加以回放，以使寫(xiě)至光折射晶體的全息攝影光柵被回放光束1915以正確角度照明從而回放該全息圖。選代地，能夠通過(guò)關(guān)閉對(duì)SLM 1975的數(shù)字調(diào)制而使現(xiàn)在近似為未調(diào)制平面光波的寫(xiě)光束對(duì)先前被寫(xiě)入光折射晶體1995的全息圖進(jìn)行照明，從而將該全息回放。在此配置中，回放的全息圖從晶體1995中浮現(xiàn)的角度是回放光束打中該晶體以便在寫(xiě)光束原始方向內(nèi)回放它的角度。這由圖19中右下角的向下箭頭所表示。在此情況下整個(gè)回放光束光學(xué)系統(tǒng)和物鏡透鏡與光折射晶體之間的分束器變得多余和不必要。因此被寫(xiě)入光折射晶體1995的全息攝影光柵能夠使用回放光束進(jìn)行回放，或者選代地由寫(xiě)光束單獨(dú)進(jìn)行回放而將空間光調(diào)制器關(guān)閉，從而不需要任何回放光束或相關(guān)聯(lián)的設(shè)備。由于顯示定時(shí)的理由，可能更希望一個(gè)或其他配置。
圖20是ORNL處全息攝影實(shí)驗(yàn)室中實(shí)施的原型回放系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的照片。有數(shù)個(gè)合適的商業(yè)上現(xiàn)成可用的SLM，反射LCD(液晶顯示器)，透射LCD兩者和微鏡面(例如Texas Instruments DLP-數(shù)字光處理器-實(shí)施例)。通常這些LCD SLM需要一個(gè)偏振器。
圖21A和21B顯示兩個(gè)適合于在一個(gè)全息攝影回放系統(tǒng)中實(shí)施的SLM光學(xué)幾何。注意到一個(gè)微鏡面實(shí)施例不要求偏振器并且不像所闡述LCD實(shí)施例那樣轉(zhuǎn)動(dòng)偏振方向。圖22顯示圖19中原理性顯示的全息攝影回放寫(xiě)光束設(shè)置所采用的800象素×600象素透射SLM的照片。消除SLM象素邊緣衍射光柵本發(fā)明能夠包括將全息圖衍射光柵寫(xiě)至光折射晶體并且使用相同光束進(jìn)行回放，其中接通SLM(空間光調(diào)制器)信號(hào)以便寫(xiě)入而關(guān)閉它以便回放。當(dāng)沒(méi)有信號(hào)給SLM時(shí)，寫(xiě)光束成為一個(gè)平面波，適合于回放并且不要求使用單獨(dú)的回放光束。
因?yàn)镾LM象素具有有限邊緣(相對(duì)于無(wú)限薄而言)，這些邊緣形成一個(gè)相當(dāng)強(qiáng)的衍射光柵。如果這些邊緣/衍射光柵不被從圖象中消除，則它們?cè)趯?xiě)至光折射晶體的全息圖光柵中較高頻率處造成假象。這些假象是不希望的，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生光的混淆衍射階并且與準(zhǔn)備寫(xiě)至光折射晶體的所希望的全息圖光柵相互作用。
再次參照?qǐng)D19，這些象素邊緣/衍射光柵能夠通過(guò)將孔徑1985放置于筒狀透鏡的付里葉平面處而加以消除，該付里葉平面出現(xiàn)于筒狀透鏡與聚焦物鏡之間。該孔徑的尺寸被選為只準(zhǔn)零階衍射光束通過(guò)，這能消除象素邊緣但不能消除寫(xiě)至SLM的圖象，因?yàn)橄笏剡吘壥桥cSLM相關(guān)聯(lián)的最高頻率(按照Nyquist極限，象素本身最多能夠顯示等于象素邊緣頻率一半的頻率)。通過(guò)關(guān)閉SLM和觀察由象素邊緣造成的衍射階在何處成為聚焦點(diǎn)，能夠容易地找到付里葉平面。圖23顯示激光束通過(guò)SLM和筒狀透鏡之后聚焦于筒狀透鏡付里葉平面處的照片。使用聲光調(diào)制器和單模式偏振保持光纖替代衰減器、快門(mén)和空間濾波器本發(fā)明能夠包括為速度和方便而使用一個(gè)聲光調(diào)制器來(lái)替代機(jī)械光束衰減器。更具體地，能夠?yàn)樗俣群头奖愣褂靡粋€(gè)聲光調(diào)制器來(lái)替代機(jī)械快門(mén)。
如以上結(jié)合全息圖采集系統(tǒng)所討論的，及由于相同理由，能夠使用聲光調(diào)制器(AOM)替代圖19中所示衰減器和可變分束器。類(lèi)似地，激光器和AOM能夠遠(yuǎn)離全息回放頭(“全息電視”頭)而使用單模式偏振保持光纖將它們連至回放光學(xué)系統(tǒng)。這又一次用于消除由于激光器和AOM遠(yuǎn)離全息電視頭而引起的質(zhì)量和環(huán)境(熱、振動(dòng)等)的效應(yīng)，并且使它變?yōu)檩p而機(jī)動(dòng)。該光纖再一次用于消除圖19中所示空間濾波器。
許多類(lèi)似的光學(xué)幾何是可能的。能夠修改角度；能夠修改參考光束和物光束光學(xué)幾何。能夠修改寫(xiě)光束和回放光束光學(xué)幾何。具體部件能夠被其他種類(lèi)的部件所替代。用于紀(jì)錄和回放的激光器波長(zhǎng)可以是不同的。該系統(tǒng)也能使用相干x輻射、UV、DUV、VUV或紅外相干輻射來(lái)實(shí)施。該回放系統(tǒng)可以被修改為在寫(xiě)入光折射晶體之后使用白光進(jìn)行回放。將SLM移相而不是幅值調(diào)制能夠用于回放系統(tǒng)。能夠使用鐵電體SLM，而且微鏡面(例如Texas Instruments DLP system)也能用于替代一個(gè)SLM。本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用技術(shù)上具有價(jià)值的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用是計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量的全息攝影干涉量度學(xué)。此外，本發(fā)明對(duì)于全息攝影電視或動(dòng)畫(huà)(“全息電視”)是有用的，例如用于娛樂(lè)目的或訓(xùn)練目的等。預(yù)料光波全息攝影顯微鏡學(xué)和電子全息攝影顯微鏡學(xué)的納視覺(jué)化和三維測(cè)量將成為主要科研應(yīng)用。實(shí)際上本發(fā)明具有數(shù)不清的用途，不必再次一一列舉。
本發(fā)明對(duì)超精確計(jì)量學(xué)是有用的。本發(fā)明對(duì)3D顯示和技術(shù)材料和科學(xué)數(shù)據(jù)組的檢驗(yàn)是有用的。本發(fā)明對(duì)3D可視新聞、通信、會(huì)議、電影、游戲、廣告和娛樂(lè)目的是有用的。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)至少由于以下理由，一個(gè)代表本發(fā)明實(shí)施例的直接至數(shù)字全息圖系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)上合理的和有優(yōu)點(diǎn)的。高分辨率CCD和光學(xué)技術(shù)的組合能夠?qū)⒏缮鎴D形(干涉條紋)的密度減少至CCD能夠記錄的密度，與用于干涉量度學(xué)的和由Voelkl博士用于電子全息攝影的付里葉變換技術(shù)組合，允許全息圖的電子記錄和回放。
所有此處描述和公開(kāi)的本發(fā)明實(shí)施例能夠被實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用而不需過(guò)度試驗(yàn)。雖然此處公開(kāi)了本發(fā)明人認(rèn)為用于實(shí)施本發(fā)明的最佳模式，但本發(fā)明的實(shí)施并不限于此。能夠表明，能夠在不背離本發(fā)明基礎(chǔ)概念的實(shí)質(zhì)和范圍的情況下作出本發(fā)明各特征的不同附加、修改和重新安排。因此，專(zhuān)業(yè)人員知道，本發(fā)明能夠與此處描述內(nèi)容不同地加以實(shí)施。
例如，個(gè)別部件不必以所公開(kāi)的形狀被形成或被裝配于所公開(kāi)的配置中，而實(shí)際上能夠以任何形狀做成，以及被裝配于實(shí)際上任何配置中。此外，個(gè)別部件不必使用所公開(kāi)的材料來(lái)制造，而是能夠使用任何合適的材料制造。此外，雖然此處描述的記錄設(shè)備是一個(gè)物理上獨(dú)立的模塊，但能夠表明，記錄設(shè)備能夠與它的相關(guān)聯(lián)設(shè)備制造為一個(gè)整體。此外，如果每個(gè)所公開(kāi)實(shí)施例的元件和特征與每個(gè)其他公開(kāi)實(shí)施例的元件和特征不是相互排斥，則每個(gè)所公開(kāi)實(shí)施例的元件和特征能夠與每個(gè)其他公開(kāi)實(shí)施例的元件和特征組合或由其替代。
所附權(quán)利要求書(shū)意在覆蓋所有這類(lèi)附加、修改和重新安排。本發(fā)明的合適實(shí)施例由所附子權(quán)利要求所區(qū)別。
參考資料1.D.Gabor，Proc.Roy.Soc.London Ser.A A197，459(1949).2.E.Leith and J.Upatnieks，J.Opt.Soc.Am.52，1123(1962).3.E.Leith and J.Upatnieks，J.Opt.Soc.Am.53，1377(1963).4.J.B.Develis and G.O.Reynolds，Theory and Application of Holography，Addison-Wesley，Reading，Massachusetts，1967.5.L.O.Heflinger，R.F.Wuerker，and R.E.Brooks，J.Appl.Phys.37，642(1966).6.F.C.Jahoda，R.A.Jeffries，and G.A.Sawyer，Appl.Opt.6，1407(1967)；7.F.C.Jahoda and R.E.Siemon，Holographic Interferometry Cookbook，LA-5058-MSInformal Report UC-37，Los Alamos Scientific Laboratory，Los Alamos，New Mexico，(1972).8.M.Kujawinski，in Interferogram Analysis；Digital Fringe Pattern MeasurementTechniques，(edited by D.W.Robinson and G.T.Reid)，IOP Publishing Ltd.，Bristol，England，1993.9.K.Creath and T.Kreis，in Holographic InterferometryPrincipals and Methods，(editedby K.Rastogi)，Springer-Verlag，New York，New York，1994.10. E.Voelkl，L.F.Allard，and B.Frost，J.Microscopy 180，pt.1，October，1995，pp.39-50.11. E.Voelkl，and L.F.Allard，A.Datye，B.Frost，Ultramicroscopy 58，(1995)，pp.97-103.12. E.Voelkl and L.F.Allard，ICEM-13(13’th International Conference on ElectronMicroscopy)，17-22 July，1994，Paris，F(xiàn)rance，roceedings，p.287.13. The Electrical Engineering Handbook，CRC Press，(Richard C.Dorf et al.eds.，1993).14. Handbook of Optics，Volumes I-II，2nded.，McGraw Hill Inc.，(Michael Bass et al. eos.，1995).
權(quán)利要求
1.一種用于記錄一個(gè)軸外全息圖的設(shè)備，包括一個(gè)激光器；一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述激光器的照明分束器；一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述照明分束器的物鏡透鏡；一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述物鏡透鏡的物；一個(gè)耦合至所述激光器的參考分束器；一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述參考分束器的參考鏡面；一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述參考分束器和所述照明分束器的光束合并器；及一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述光束合并器的數(shù)字記錄器，其中一個(gè)參考光束和一個(gè)物光束在所述數(shù)字記錄器的焦平面處被合并以便形成一個(gè)軸外全息圖，以及所述物光束和所述參考光束組成多個(gè)基本上同時(shí)的參考和物光波。
2.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述照明分束器、所述物鏡透鏡、所述物、所述參考分束器、所述參考鏡面、所述光束合并器和所述數(shù)字記錄器定義一個(gè)Mach-Zender光學(xué)幾何。
3.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中來(lái)自所述物的物光束被所述照明分束器的前表面反射以及來(lái)自所述參考鏡面的參考光束被所述參考分束器的前表面反射。
4.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述照明分束器包括一個(gè)偏振照明分束器以及所述參考分束器包括一個(gè)偏振參考分束器，及還包括，一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述偏振照明分束器與所述物之間的照明四分之一波板；及一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述偏振參考分束器與所述參考鏡面之間的參考四分之一波板。
5.權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述照明分束器與所述光束合并器之間的第一偏振器；及一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述參考分束器與所述光束合并器之間的第二偏振器。
6.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中物光束路徑基本上與參考光束路徑相同。
7.權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述激光器與所述照明分束器和所述參考分束器兩者之間的聲光調(diào)制器。
8.權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述激光器與所述照明分束器之間的第一聲光調(diào)制器及一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述激光器與所述參考分束器之間的第二聲光調(diào)制器。
9.權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述激光器與所述照明分束器之間的第一光纖及一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述激光器與所述參考分束器之間的第二光纖。
10.權(quán)利要求9的設(shè)備，其中所述第一光纖包括一個(gè)第一單模式偏振保持光纖及所述第二光纖包括一個(gè)第二單模式偏振保持光纖。
11.權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述照明分束器與所述光束合并器之間的第一筒狀透鏡及一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述參考分束器與所述光束合并器之間的第二筒狀透鏡。
12.權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述激光器與所述照明分束器之間的第一光束擴(kuò)展器/空間濾波器及一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述激光器與所述參考分束器之間的第二光束擴(kuò)展器/空間濾波器。
13.一種用于記錄一個(gè)軸外全息圖的方法，包括將一個(gè)激光束分離為一個(gè)物光束和一個(gè)參考光束；使所述參考光束從一個(gè)參考光束鏡面反射出來(lái)；使所述物光束從一個(gè)照明分束器反射出來(lái)；使所述物光束通過(guò)一個(gè)物鏡；使所述物光束從一個(gè)物反射出來(lái)；將所述參考光束和所述物光束聚焦于一個(gè)數(shù)字記錄器的焦平面以便形成一個(gè)軸外全息圖；數(shù)字地記錄所述軸外全息圖；及根據(jù)付里葉變換對(duì)所述軸外全息圖進(jìn)行變換以便獲得一組結(jié)果。
14.權(quán)利要求13的方法，還包括在數(shù)字地記錄之前使用一個(gè)光束合并器將所述物光束與所述參考光束合并。
15.權(quán)利要求13的方法，其中(i)使所述物光束從所述照明分束器反射出來(lái)的步驟包括在從所述物反射所述物光束之后從所述照明分束器的前表面反射所述物光束及(ii)使所述參考光束從所述參考分束器反射出來(lái)的步驟包括在從所述參考鏡面反射所述參考光束之后從所述參考反射器的前表面反射所述參考光束。
16.權(quán)利要求13的方法，其中(i)使所述物光束從所述照明分束器反射出來(lái)的步驟包括從一個(gè)偏振照明分束器反射所述物光束及(ii)使所述參考光束從所述參考分束器反射出來(lái)的步驟包括從一個(gè)偏振參考分束器反射所述參考光束，及還包括(a)在將所述物光束從所述物反射出來(lái)之前和之后都使所述物光束通過(guò)一個(gè)照明四分之一波板及(b)在將所述參考光束從所述參考鏡面反射出來(lái)之前和之后都使所述參考光束通過(guò)一個(gè)參考四分之一波板。
17.權(quán)利要求14的方法，還包括在將所述物光束從所述照明分束器反射出來(lái)之后及在使用所述光束合并器將所述物光束和所述參考光束合并之前都使所述物光束通過(guò)一個(gè)第一偏振器；及在將所述參考光束從所述參考分束器反射出來(lái)之后及在使用所述光束合并器將所述物光束和所述參考光束合并之前都使所述參考光束通過(guò)一個(gè)第二偏振器。
18.權(quán)利要求13的方法，其中由所述物光束所描繪的物光束路徑基本上與由所述參考光束所描繪的參考光束路徑相同。
19.權(quán)利要求13的方法，還包括在將所述激光束分離之前使所述激光束通過(guò)一個(gè)聲光調(diào)制器。
20.權(quán)利要求13的方法，還包括在使用所述照明分束器將所述物光束反射之前使所述物光束通過(guò)第一聲光調(diào)制器；及在使用所述參考分束器將所述參考光束反射之前使所述參考光束通過(guò)第二聲光調(diào)制器。
21.權(quán)利要求13的方法，還包括在使用所述照明分束器將所述物光束反射之前使所述物光束通過(guò)第一光纖；及在使用所述參考分束器將所述參考光束反射之前使所述參考光束通過(guò)第二光纖。
22.權(quán)利要求13的方法，還包括在從所述照明分束器將所述物光束反射之后使所述物光束通過(guò)第一筒狀透鏡；及在從所述參考分束器將所述參考光束反射之后使所述物光束通過(guò)第二筒狀透鏡。
23.權(quán)利要求13的方法，還包括在用所述照明分束器將所述物光束反射之前使所述物光束通過(guò)第一光束擴(kuò)展器/空間濾波器；及在使用所述參考分束器將所述參考光束反射之前使所述參考光束通過(guò)第二光束擴(kuò)展器/空間濾波器。
24.權(quán)利要求13的方法，還包括將所述軸外全息圖存儲(chǔ)為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
25.權(quán)利要求13的方法，還包括回放所述軸外全息圖。
26.權(quán)利要求13的方法，還包括傳輸所述軸外全息圖。
27.一個(gè)由權(quán)利要求13的方法所準(zhǔn)備的軸外全息圖。
28.權(quán)利要求27的軸外全息圖，其中所述軸外全息圖是使用擴(kuò)展付里葉變換所生成的。
29.一種用于寫(xiě)入一個(gè)軸外全息圖的設(shè)備，包括一個(gè)激光器；一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述激光器的空間光調(diào)制器；一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述空間光調(diào)制器的透鏡；及一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述透鏡的光折射晶體，其中一個(gè)寫(xiě)光束被所述透鏡聚焦于所述光折射晶體的一個(gè)焦平面處以便將一個(gè)全息衍射光柵圖案加于所述光折射晶體上。
30.權(quán)利要求29的設(shè)備，其中所述軸外全息圖能夠根據(jù)通過(guò)使用一個(gè)回放光束以非正交角度將所述全息圖光柵照明而加于所述光折射晶體上的所述全息衍射光柵圖案而進(jìn)行回放。
31.權(quán)利要求29的設(shè)備，其中所述軸外全息圖能夠根據(jù)所述全息衍射光柵圖案以非正交角度進(jìn)行回放，所述全息衍射光柵圖案是通過(guò)使實(shí)際上所有所述寫(xiě)光束通過(guò)所述空間光調(diào)制器和使用所述寫(xiě)光束將所述全息衍射光柵圖案進(jìn)行照明而加于所述光折射晶體上的。
32.權(quán)利要求29的設(shè)備，還包括一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述空間光調(diào)制器與所述光折射晶體之間的零衍射階孔徑。
33.權(quán)利要求29的設(shè)備，還包括一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述激光器與所述空間光調(diào)制器之間的聲光調(diào)制器。
34.權(quán)利要求29的設(shè)備，還包括一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述激光器與所述空間光調(diào)制器之間的分束器及一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述分束器的回放鏡面；及一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述回放鏡面和所述空間光調(diào)制器的光束合并器。
35.權(quán)利要求29的設(shè)備，還包括一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述激光器與所述空間光調(diào)制器之間的光纖。
36.權(quán)利要求35的設(shè)備，其中所述光纖包括一個(gè)第一單模式偏振保持光纖。
37.權(quán)利要求29的設(shè)備，其中所述空間光調(diào)制器選自包含反射液晶顯示器、透射液晶顯示器和微鏡面在內(nèi)的組中。
38.權(quán)利要求29的設(shè)備，其中所述空間光調(diào)制器包括一個(gè)液晶顯示器，及還包括一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述空間光調(diào)制器與所述光束合并器之間的線性偏振器。
39.一種寫(xiě)入一個(gè)軸外全息圖的方法，包括使一個(gè)寫(xiě)光束通過(guò)一個(gè)空間光調(diào)制器；及將所述寫(xiě)光束聚焦于一個(gè)光折射晶體的焦平面處以便將一個(gè)全息衍射光柵圖案加于所述光折射晶體上。
40.權(quán)利要求39的方法，還包括通過(guò)關(guān)閉一個(gè)寫(xiě)光束快門(mén)和使用一個(gè)回放光束以非正交角度照明所述全息光柵而根據(jù)加于所述光折射晶體上的所述全息衍射光柵圖案對(duì)所述軸外全息圖進(jìn)行回放。
41.權(quán)利要求39的方法，還包括根據(jù)所述全息衍射光柵圖案而以非正交角度回放所述軸外全息圖，所述全息衍射光柵圖案是通過(guò)將實(shí)際上所有所述寫(xiě)光束通過(guò)所述空間光調(diào)制器和使用所述寫(xiě)光束將所述全息攝影光柵進(jìn)行照明而加于所述光折射晶體上的。
42.權(quán)利要求39的方法，還包括使所述寫(xiě)光束通過(guò)一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述空間光調(diào)制器與所述光折射晶體之間的筒狀透鏡；使所述寫(xiě)光束通過(guò)一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述筒狀透鏡與所述光折射晶體之間的零衍射階孔徑；及使所述寫(xiě)光束通過(guò)一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述零衍射階孔徑與所述光折射晶體之間的物透鏡。
43.權(quán)利要求39的方法，還包括使所述激光束通過(guò)一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述激光器與所述光折射晶體之間的聲光調(diào)制器。
44.權(quán)利要求40的方法，還包括使所述寫(xiě)光束通過(guò)一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述激光器與所述空間光調(diào)制器之間的第一聲光調(diào)制器及使所述回放光束通過(guò)一個(gè)在光學(xué)上耦合于所述激光器與所述光折射晶體之間的第二聲光調(diào)制器。
45.權(quán)利要求39的方法，還包括使所述寫(xiě)光束通過(guò)一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述空間光調(diào)制器的第一光纖。
46.一種用于回放一個(gè)軸外全息圖的設(shè)備，包括一個(gè)激光器；及一個(gè)在光學(xué)上耦合至所述激光器的光折射晶體。
47.權(quán)利要求46的設(shè)備，還包括在光學(xué)上耦合至所述光折射晶體的觀看光學(xué)系統(tǒng)。
48.權(quán)利要求46的設(shè)備，其中所述軸外全息圖是使用一個(gè)回放光束照明所述光折射晶體而以非正交角度進(jìn)行回放的。
49.權(quán)利要求46的設(shè)備，其中所述軸外全息圖是使用一個(gè)回放光束以非正交角度照明所述光折射晶體而進(jìn)行回放的。
50.一種用于回放一個(gè)軸外全息圖的方法，包括使用一個(gè)回放光束將一個(gè)具有全息攝影衍射光柵的光折射晶體加以照明。
51.權(quán)利要求50的方法，其中所述軸外全息圖是使用一個(gè)回放光束以正交角度照明所述光折射晶體而以非正交角度進(jìn)行回放的。
52.權(quán)利要求50的方法，其中所述軸外全息圖是使用一個(gè)回放光束以非正交角度照明所述光折射晶體而以正交角度進(jìn)行回放的。
全文摘要
描述一種用于直接至數(shù)字全息攝影和全息電視的采集和回放系統(tǒng)。一種記錄一個(gè)軸外全息圖的方法包括將一個(gè)激光束分離為一個(gè)物光束(1620)和一個(gè)參考光束(1685)；使所述參考光束從一個(gè)參考光束鏡面(1675)反射出來(lái)；使所述物光束從一個(gè)照明分束器(1630)反射出來(lái)；使所述物光束通過(guò)一個(gè)物鏡透鏡(1635)；使所述物光束從一個(gè)物體(1640)反射出來(lái)；將所述參考光束和所述物光束聚焦于數(shù)字記錄器(1655)的焦平面以便形成一個(gè)軸外全息圖；將軸外全息圖數(shù)字地記錄和進(jìn)行付里葉變換。一種寫(xiě)入一個(gè)軸外全息圖的方法包括使一個(gè)激光束(1950)通過(guò)一個(gè)空間光調(diào)制器(1975)；及將激光束聚焦于一個(gè)光折射晶體(1995)的焦平面處以便加上一個(gè)全息圖。一種用于回放軸外全息圖的方法包括使用回放光束(1915)照明一個(gè)具有全息圖的光折射晶體。
文檔編號(hào)G03H1/02GK1415083SQ00818161
公開(kāi)日2003年4月30日 申請(qǐng)日期2000年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月4日
發(fā)明者克拉倫斯·E·托馬斯, 格里高利·R·哈森 申請(qǐng)人:Ut-巴特勒有限責(zé)任公司