專(zhuān)利名稱(chēng)：直接一數(shù)字全息術(shù),全息干涉測(cè)量術(shù),和全息影象的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及全息術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明具體涉及直接-數(shù)字全息圖的獲取和再現(xiàn)系統(tǒng)(即，無(wú)膠片，無(wú)干板)。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，全息圖的獲取是基于電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)。所以，本發(fā)明涉及一種全息系統(tǒng)。
傳統(tǒng)的全息術(shù)方法使用膠片或全息干板(帶有適用于全息術(shù)照相乳膠的玻璃板)以記錄全息圖(1)。只可能利用激光(或在某些情況下用白光)和原始記錄的全息圖或其復(fù)制品采用模擬的方法實(shí)施再現(xiàn)。這些模擬的方法是很慢，麻煩，和昂貴的(4)。而且，還沒(méi)有辦法把它們變換成電子信號(hào)，可以在另外的地方發(fā)射和再現(xiàn)。往往需要送出硬拷貝。尤其是，處理膠片引起的時(shí)間延遲在很多情況下妨礙了全息術(shù)及其變型的使用。即使經(jīng)典全息系統(tǒng)本身的費(fèi)用是可以接受的，但由于需要處理膠片引起的時(shí)間延遲和低產(chǎn)出率帶來(lái)與延遲相關(guān)的費(fèi)用是絕對(duì)不可接受的(例如，輪胎制造者不能等待45分鐘，甚至2分鐘，以知道一個(gè)具體輪胎中有瑕疵)。
參照

圖1，展示一個(gè)經(jīng)典的邊帶全息系統(tǒng)記錄光路(2-3)。來(lái)自激光器110的光被擴(kuò)束器120擴(kuò)束。在通過(guò)透鏡130之后，該光被分束器140分成兩個(gè)分量。例如，分束器140可以是90％發(fā)射的。構(gòu)成物光束150的反射光束向前傳播，被反射鏡160反射。于是，物光束150朝向物體170傳播。然后，物光束150入射到全息干板190。
與此同時(shí)，來(lái)自透鏡130傳播通過(guò)分束器140的那部分光構(gòu)成參考光束180，朝向反射鏡200傳播并被反射鏡200反射。然后，反射的參考光束入射到全息干板190。
最近以來(lái)，已經(jīng)發(fā)展了全息干涉測(cè)量術(shù)，雖然還是一種模擬方法(5)。這包括了聚焦全息術(shù)的發(fā)展(6-7)。
在這個(gè)專(zhuān)利申請(qǐng)中，由括號(hào)內(nèi)阿拉伯?dāng)?shù)字組成的上標(biāo)給出作為參考的幾個(gè)刊物?？梢栽诰o接著權(quán)利要求書(shū)之前和本專(zhuān)利說(shuō)明的末尾找到完全引證這些及其他的刊物。特此完整地公開(kāi)這些刊物，合并到本申請(qǐng)中作為參考，其目的是指出本發(fā)明的背景和說(shuō)明當(dāng)前的技術(shù)水平。
所以，特別需要有這樣的方法，用于1)直接記錄全息圖到CCD(電荷耦合器件)攝像機(jī)或任何其他具有數(shù)字計(jì)算機(jī)接口的攝像機(jī)，和然后2)存儲(chǔ)該全息圖到數(shù)字存儲(chǔ)介質(zhì)(例如，RAM，硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，磁帶，可記錄CD，等等)。實(shí)施這個(gè)方法設(shè)備的主要特征包括利用參考光束與物光束之間非常小的夾角和聚焦全息圖到像平面上以簡(jiǎn)化該圖像。此外，本發(fā)明包括1)在二維顯示器上顯示全息圖相位或幅度的方法，和2)完全利用光激活晶體和激光再現(xiàn)全息圖的方法。與此對(duì)比，現(xiàn)有技術(shù)不包含描述如何用電子方法(數(shù)字方法)記錄光學(xué)全息圖，更少涉及再現(xiàn)或廣播光學(xué)全息圖。
若結(jié)合以下描述和附圖進(jìn)行考慮時(shí)，可以更好地理解和明白本發(fā)明的這些和其他方面。然而，應(yīng)當(dāng)明白，說(shuō)明本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例及其若干個(gè)具體細(xì)節(jié)的以下描述是作為舉例而不是限制。在不偏離本發(fā)明精神的條件下，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以有許多種變化和改動(dòng)，本發(fā)明包括所有這些改動(dòng)。
在參照這些范例而不是限制的實(shí)施例情況下，可以更容易理解構(gòu)成本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)和特征以及本發(fā)明給出模型系統(tǒng)的元件和操作的清晰概念，這些實(shí)施例在附圖中給以說(shuō)明并構(gòu)成這個(gè)專(zhuān)利說(shuō)明的一部分，其中在幾個(gè)圖中相同的參考數(shù)字表示相同的元件。應(yīng)當(dāng)注意到，附圖中說(shuō)明的特征不一定是按比例畫(huà)出的。
圖1表示經(jīng)典(Leith & Upatnieks)邊帶全息系統(tǒng)的示意圖，合適地標(biāo)記為“現(xiàn)有技術(shù)”；圖2表示簡(jiǎn)單的直接-數(shù)字全息系統(tǒng)的示意圖，它代表本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例；圖3a表示“Michelson”光路的直接-數(shù)字全息裝置的透視圖，它代表本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例；圖3b表示圖3A中所示直接-數(shù)字全息裝置的另一個(gè)透視圖4表示用數(shù)字方法獲得的反射鏡上一條傷痕的全息圖，它代表本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例；圖5表示圖4的2-D傅里葉變換圖；圖6表示根據(jù)圖4的全息圖再現(xiàn)全息圖的相位數(shù)據(jù)；圖7表示全息再現(xiàn)系統(tǒng)的示意圖，它代表本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例；圖8表示在無(wú)定形的碳薄膜上金微粒全息圖的選取區(qū)域，它代表本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例；圖9表示圖8中全息圖的傅里葉變換模量的選取區(qū)域(中心區(qū)域自相關(guān)；左區(qū)域和右區(qū)域邊帶)，它代表本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例；圖10A表示在Scherzer焦點(diǎn)處的反差轉(zhuǎn)移函數(shù)；圖10B表示在Gabor焦點(diǎn)處的全息術(shù)專(zhuān)用轉(zhuǎn)移函數(shù)，它代表本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例；圖11表示以抽樣率s＝4.66抽樣32點(diǎn)的余弦圖形的離散傅里葉變換模量(在離散傅里葉變換中顯示點(diǎn)的數(shù)目為32)，它代表本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例；圖12表示根據(jù)公式(6)余弦圖形的解析傅里葉變換模量，它代表本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例(該余弦圖形限制于與圖11數(shù)據(jù)相同的區(qū)域(在實(shí)空間)，圖11中不可能找到這個(gè)圖中的細(xì)節(jié))；圖13表示余弦圖形的擴(kuò)展傅里葉變換模量，它代表本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例(原始組的顯示點(diǎn)為32，如同圖11中的一樣；選取參量π為16，在擴(kuò)展傅里葉變換中的顯示點(diǎn)數(shù)目為512，展現(xiàn)出如在解析傅里葉變換中可以看見(jiàn)的相同細(xì)節(jié))；圖14表示擴(kuò)展傅里葉算法的結(jié)果，可以顯示普通的離散傅里葉變換，但移位一個(gè)像素的幾分之一，它代表本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例(而且，還是采用與圖11相同的余弦圖形；選取Δk(和在二維中的Δl)的真實(shí)值，在傅里葉空間中至少可以顯示一個(gè)峰，它直接落在顯示點(diǎn)上；在此情況下，旁瓣消失(見(jiàn)右邊的峰))；和圖15表示根據(jù)不是完全在中心的旁瓣得到的再現(xiàn)幅度，該再現(xiàn)幅度在圖像中產(chǎn)生假象，它代表本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例(最壞的情況是，當(dāng)旁瓣的中心正好落在傅里葉空間中兩個(gè)顯示點(diǎn)之間)。
參照若干個(gè)非限制性實(shí)施例，更充分地說(shuō)明本發(fā)明及其各種特征和優(yōu)點(diǎn)細(xì)節(jié)，在附圖和以下詳細(xì)的描述中說(shuō)明這些實(shí)施例。省略對(duì)熟知元件和處理技術(shù)的描述，為的是不必要地掩飾本發(fā)明的細(xì)節(jié)。
1.系統(tǒng)縱覽數(shù)字全息術(shù)直至今日還沒(méi)有發(fā)展的原因是，數(shù)字視頻攝像機(jī)或適用于數(shù)字介質(zhì)攝像機(jī)的分辨率還不夠好，不足以記錄經(jīng)典全息圖中固有的甚高空間頻率。本發(fā)明組合幾個(gè)克服這些困難的技術(shù)，允許記錄全息圖及其所有的空間頻率，達(dá)到用于傅里葉變換全息圖分析的記錄攝像機(jī)的固有全息分辨率。
實(shí)現(xiàn)如何用數(shù)字方式記錄光學(xué)全息圖(它確實(shí)是全息圖)是必需的。在干涉測(cè)量學(xué)和電子全息術(shù)中所用的傅里葉變換技術(shù)可用于分析全息圖也是必需的。平面波的數(shù)學(xué)相加到數(shù)字全息圖，和把生成的強(qiáng)度函數(shù)寫(xiě)入到光敏晶體，可以用不同于(遠(yuǎn)大于)產(chǎn)生原始邊帶全息圖的衍射角α實(shí)際再現(xiàn)全息圖，這些也是必需的。
2.詳細(xì)描述優(yōu)選的實(shí)施例參照?qǐng)D2，展示一個(gè)簡(jiǎn)單的直接-數(shù)字全息系統(tǒng)，說(shuō)明已組合的硬件可以數(shù)字記錄和再現(xiàn)全息圖。來(lái)自激光器210的光被擴(kuò)束器/空間濾波器220擴(kuò)束。然后，擴(kuò)束/濾波后的光傳播通過(guò)透鏡230。于是，該光傳播到分束器240。例如，分束器240可以是50％反射的。被分束器反射的光構(gòu)成物光束250，朝向物體260傳播。于是，從物體260反射的一部分光通過(guò)分束器240，并朝向聚焦透鏡270傳播。然后，這部分光傳播到電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)(未畫(huà)出)。
與此同時(shí)，來(lái)自透鏡230傳播通過(guò)分束器240的那部分光構(gòu)成參考光束280。參考光束280以小角度從反射鏡290上反射。然后，從反射鏡290的反射參考光束朝向分束器240傳播。于是，被分束器240反射的那部分反射參考光束朝向聚焦透鏡270傳播。然后，來(lái)自聚焦透鏡270的參考光束朝向CCD攝像機(jī)傳播。來(lái)自聚焦透鏡270的物光束和來(lái)自聚焦透鏡270的參考光束一起構(gòu)成多個(gè)同時(shí)的參考波和物波300。
把圖2與圖1進(jìn)行比較，可以看出，至少有以下的差別可以利用CCD攝像機(jī)記錄全息圖，而不是用膠片或照相干板記錄。1)本發(fā)明利用高分辨率CCD(例如，1.4百萬(wàn)像素)，(已經(jīng)有超過(guò)6千萬(wàn)像素的CCD)。2)本發(fā)明采用“Michelson”光路(分束器，參考光束反射鏡，和CCD之間類(lèi)似于Michelson干涉測(cè)量術(shù)光路的關(guān)系)。這種光路允許參考光束和物光束以非常小的夾角進(jìn)行組合(讓參考光束反射鏡傾斜以產(chǎn)生小的夾角，制成空間外差或邊帶條紋，用于全息圖的傅里葉分析)。3)本發(fā)明利用聚焦透鏡把物光會(huì)聚到CCD的焦平面上。根據(jù)要求，通過(guò)采用幾個(gè)不同焦距的透鏡并調(diào)節(jié)相應(yīng)的空間幾何關(guān)系(例如，物距與像距之間的比例)，這個(gè)透鏡還可以有放大或縮小的作用。若結(jié)合文獻(xiàn)(10-12)中熟知的傅里葉變換軟件分析方法，則上述三個(gè)因素允許直接-數(shù)字記錄和再現(xiàn)全息圖。
該系統(tǒng)適合于實(shí)時(shí)記錄和再現(xiàn)全息圖像，或存儲(chǔ)全息圖像供以后再現(xiàn)。由于全息圖是數(shù)字方式存儲(chǔ)的，可以制作一系列全息圖以制成全息電影，或可以用電子學(xué)方法播放全息圖，用于在遠(yuǎn)處再現(xiàn)以制成全息影象(HoloVision)。由于全息圖存儲(chǔ)幅度和相位，其相位正比于波長(zhǎng)和光程長(zhǎng)，這個(gè)直接-數(shù)字全息術(shù)可以作為極其精確的測(cè)量工具，用于確認(rèn)精密元件，組合件等的形狀和大小。類(lèi)似地，數(shù)字方式存儲(chǔ)全息圖立即地提供一個(gè)數(shù)字全息干涉測(cè)量術(shù)的方法。相同物體的全息圖，在某些物理變化(應(yīng)力，溫度，微型加工，等等)以后，可以從另一個(gè)全息圖中減去(相位的直接相減)，以計(jì)算該變化的物理量度(相位變化正比于波長(zhǎng))。類(lèi)似地，可以把一個(gè)物體與相同的一個(gè)物體進(jìn)行比較，通過(guò)它們對(duì)應(yīng)全息圖的相減，以測(cè)量第二個(gè)物體與第一個(gè)物體或母物體的偏差。為了確切地測(cè)量出x-y平面上兩個(gè)像素沿z平面方向大于2π的相位變化，必須采用多個(gè)波長(zhǎng)記錄全息圖(在文獻(xiàn)中對(duì)雙頻干涉測(cè)量術(shù)的討論是眾所周知的，所以不在此重復(fù))。
本發(fā)明組合使用高分辨率視頻攝像機(jī)，全息物波和參考波的甚小夾角混合(在此夾角下的混合導(dǎo)致每個(gè)條紋至少兩個(gè)像素和每個(gè)分辨的空間特征至少兩個(gè)條紋)，物體成像在記錄(攝像機(jī))平面，和空間低頻外差(邊帶)全息圖的傅里葉變換分析，就可以記錄全息圖像(對(duì)每個(gè)像素記錄相位和幅度的圖像)。此外，孔徑光闌可以用在一個(gè)或多個(gè)會(huì)聚物體的透鏡后焦平面上，以避免任何高于成像系統(tǒng)可分辨頻率的混淆(在文獻(xiàn)中對(duì)混淆有充分的描述，把孔徑光闌放置在透鏡的后焦平面以限制現(xiàn)有的空間頻率，也有很多的描述和容易理解)。若物體中的所有空間頻率可以被成像系統(tǒng)分辨，就不需要孔徑光闌。一旦完成記錄，就可以在二維顯示器上再現(xiàn)全息圖像成3-D相位或幅度圖，或利用相變晶體再現(xiàn)完全的原始記錄波，和利用白光或激光再現(xiàn)原始圖像。原始圖像的再現(xiàn)是利用激光寫(xiě)入到相變介質(zhì)中，和利用白光或另一個(gè)激光再現(xiàn)。利用三個(gè)不同顏色的激光記錄圖像以及組合再現(xiàn)的圖像，就可以制成真實(shí)顏色的全息圖。通過(guò)連續(xù)寫(xiě)入和再現(xiàn)一系列圖像，就可以制成全息電影。由于這些圖像是用數(shù)字方式記錄的，它們也可以利用射頻(RF)波(例如，微波)播放，或利用合適的數(shù)字編碼技術(shù)通過(guò)光纖或光纜的數(shù)字網(wǎng)傳播，并在遠(yuǎn)處再現(xiàn)。這就可以實(shí)現(xiàn)全息電視和電影，即“全息影象”。
關(guān)于利用透鏡把物聚焦到CCD的焦平面上，點(diǎn)的衍射圖形可以用球函數(shù)描述，隨著離衍射圖形中心距離的增大，該函數(shù)有逐漸靠近的條紋。隨著這些條紋越來(lái)越靠近在一起，視頻攝像機(jī)就不能分辨這些條紋。尤其是，這些來(lái)自復(fù)雜物體各點(diǎn)的衍射圖形之間相互作用造成極其密集和復(fù)雜的圖形，在該圖形的任何地方都不能被視頻攝像機(jī)分辨。把物聚焦到記錄平面上就消除這些衍射圖形，所以，現(xiàn)代高分辨率視頻攝像機(jī)能夠以相當(dāng)高的保真度記錄全息圖。
若記錄介質(zhì)能夠分辨100線/mm，則在放大倍數(shù)為1的情況下，全息分辨率約為16線/mm，或50微米的數(shù)量級(jí)。這個(gè)限制可以通過(guò)放大透鏡得到放大。對(duì)于一個(gè)分辨率為100線/mm的攝像機(jī)，若采用的放大倍數(shù)為10，則該全息圖的分辨率約為160線/mm。類(lèi)似地，縮小記錄攝像機(jī)上的原始圖像，則空間分辨率就降低。
本發(fā)明還可以采用若干個(gè)不同的方法加以實(shí)現(xiàn)。例如，本發(fā)明可以利用相移而不是外差獲取每個(gè)像素的全息圖相位和幅度。在文獻(xiàn)中對(duì)相移干涉測(cè)量術(shù)有充分的描述。作為另一個(gè)例子，本發(fā)明可以采用不同的方法，把強(qiáng)度圖形寫(xiě)入到光敏晶體上。這些方法包括；利用銳聚焦掃描激光束(而不是利用空間光調(diào)制器)，利用空間光調(diào)制器(SLM)寫(xiě)入，但不用偏置激光束，以及寫(xiě)入方案中許多可能的光路變化。作為另一個(gè)例子，本發(fā)明可以利用這樣的光敏晶體，它具有不同于相變的光學(xué)效應(yīng)，制成衍射光柵來(lái)再現(xiàn)全息圖。作為又一個(gè)例子，本發(fā)明實(shí)際上可以利用非常精細(xì)像素的空間光調(diào)制器以產(chǎn)生強(qiáng)度圖形，從而避免任何需要寫(xiě)入強(qiáng)度圖形到光激活晶體中來(lái)再現(xiàn)全息圖。
舉例現(xiàn)在，通過(guò)以下一個(gè)非限制性例子，進(jìn)一步描述本發(fā)明的具體實(shí)施例，利用這個(gè)例子詳細(xì)說(shuō)明各種有意義的特征。這個(gè)例子僅僅作為便于理解實(shí)踐本發(fā)明的方法，使專(zhuān)業(yè)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。因此，該例子不應(yīng)該解釋成對(duì)本發(fā)明范圍的限制。
圖3A表示作為范例的直接一數(shù)字全息術(shù)的“Michelson”光路的透視圖。激光射到分束器310。來(lái)自分束器310的物光束傳播到半導(dǎo)體晶片支架320，然后射到聚焦透鏡330。與此同時(shí)，來(lái)自分束器310的參考光束傳播到參考光束反射鏡，該反射鏡安裝在壓電參考光束反射鏡支架340上。
圖3B表示另一個(gè)作為范例的記錄“Michelson”光路的透視圖。在這個(gè)透視圖中，直接-數(shù)字CCD攝像機(jī)350相對(duì)于該設(shè)備其他組件的位置是更容易理解的。在這個(gè)透視圖中，物體目標(biāo)支架360的位置也是很容易理解的。圖4表示反射鏡上一條傷痕(在此情況下的物體)的外差(邊帶)全息圖。該全息圖是利用圖3A-3B中的直接-數(shù)字全息術(shù)系統(tǒng)和根據(jù)上述制成的。在全息圖中可以觀察到的條紋是由于參考光束與物光束干涉的結(jié)果。讓參考光束反射鏡略微傾斜以產(chǎn)生這些條紋。正是有了這些條紋才可以利用全息圖的傅里葉變換分析，計(jì)算該全息圖像素的相位和幅度。以下要更詳細(xì)地討論傅里葉變換分析。
圖5是圖4的二維傅里葉變換坐標(biāo)圖。x軸是沿x方向的空間頻率軸和y軸是沿y方向的空間頻率軸。實(shí)際的數(shù)據(jù)本身是個(gè)數(shù)字矩陣，對(duì)應(yīng)于(fx，fy)頻率空間中特定空間頻率的強(qiáng)度。白色點(diǎn)的數(shù)目和亮度表示出現(xiàn)在圖4空頻的頻率空間中的強(qiáng)度和位置。從圖5中可以看出，參考光束條紋的作用是外差本機(jī)振蕩器，使實(shí)的和虛的全息像離軸，就可以在頻率空間中分開(kāi)。根據(jù)Shannon定理(或Nyquist定理)，分辨一個(gè)條紋要求每個(gè)條紋至少有兩個(gè)像素；根據(jù)電子全息術(shù)，分辨全息圖中的物體要求每個(gè)可分辨特征至少有3個(gè)條紋(名義上，每個(gè)特征要求有3個(gè)至4個(gè)條紋，可以分辨載波空間頻率和物波頻率，但利用Voelkl等人的擴(kuò)展傅里葉變換，每個(gè)特征允許利用2個(gè)條紋)。因此，為了分辨全息圖中的特征(空間頻率)，這兩個(gè)限制因素確定所要求的物體放大倍數(shù)和參考光束與物光束之間的傾角。
分析圖5中所示的數(shù)據(jù)是把傅里葉空間中的軸變換(移位)到外差載頻(物光束與參考光束之間小角度傾角產(chǎn)生的空間頻率)之上，然后加上數(shù)字濾波器(例如，Hanning濾波器或Butterworth濾波器)以去掉原點(diǎn)周?chē)男盘?hào)(這些信號(hào)實(shí)際上是由參考光束與其本身之間干涉和物光束與其本身之間干涉產(chǎn)生的，從全息圖的觀點(diǎn)考慮只是噪聲而已)，最后完成逆傅里葉變換。所有這些分析都可以在數(shù)字計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，且能夠?qū)崟r(shí)地完成。實(shí)時(shí)分析可能要求多達(dá)30至100個(gè)高性能并行處理器(例如，Pentium Pro或DEC Alpha)，以獲得每秒30幀的幀速率。當(dāng)前，這種規(guī)模的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般用作大數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和股票市場(chǎng)計(jì)算機(jī)器。它們也適用于短周期低分辨率天氣預(yù)報(bào)，和電影工業(yè)中的圖像操作和創(chuàng)造?？梢灶A(yù)料，在6至10年內(nèi)這種系統(tǒng)將成為臺(tái)式系統(tǒng)。
圖6表示通過(guò)對(duì)圖5數(shù)據(jù)(全息圖)完成上述分析建立的相位數(shù)據(jù)再現(xiàn)。再現(xiàn)作為實(shí)際全息圖的數(shù)據(jù)，要求在光學(xué)晶體中制成衍射光柵，并利用激光(或恰當(dāng)處理過(guò)的白光)以正確的角度照射該衍射光柵。把函數(shù)f(x，y，z0)加到全息圖數(shù)據(jù)的每個(gè)像素h(x，y，z0)上，根據(jù)該全息圖數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)際寫(xiě)入到光敏晶體中的數(shù)據(jù)，其中這兩個(gè)函數(shù)都是復(fù)函數(shù)，且f(x，y)＝eikcos(α)r并且r是x2+y2+z20的平方根。
以上所加的指數(shù)函數(shù)物理上相當(dāng)于加一個(gè)平面波，此平面波以角度α與全息圖的原始物波相交。二者之和產(chǎn)生的函數(shù)乘其復(fù)共軛形成絕對(duì)值強(qiáng)度函數(shù)，利用激光寫(xiě)入到光敏晶體中(也可以只寫(xiě)入?yún)⒖脊馐c物光束的強(qiáng)度交叉項(xiàng)，去掉自相關(guān)項(xiàng))。于是，在光敏晶體中如此產(chǎn)生的衍射光柵可以用夾角α的激光照射以再現(xiàn)原始全息圖。若所用的晶體在用激光寫(xiě)入時(shí)形成暫時(shí)的相位變化或折射率變化，則通過(guò)連續(xù)寫(xiě)入新的圖像形成瞬時(shí)獲取或存儲(chǔ)的圖像，再用另一個(gè)激光器的激光(或恰當(dāng)處理過(guò)的白光)以?shī)A角α照射每個(gè)圖像，可以產(chǎn)生3-D電影或3-D電視圖像。這只是一種可能的方法，而不是唯一可能的方法，把全息圖像寫(xiě)入到光敏晶體中和再現(xiàn)該全息圖像。
圖7表示利用本發(fā)明產(chǎn)生電影或電視的方法?？梢灾?，通過(guò)兩個(gè)激光束在晶體中交叉，把全息圖寫(xiě)入到相變或其他光激活的晶體中。激光束1通過(guò)SLM(空間光調(diào)制器)，在其中調(diào)制全息圖強(qiáng)度圖形，如上所述，數(shù)學(xué)上建立原始全息圖。聚焦透鏡把這個(gè)圖形會(huì)聚到相變晶體中激光束1與激光束3交叉的地方，其中兩個(gè)激光的合成強(qiáng)度適合于寫(xiě)入該圖形到晶體中。在寫(xiě)入圖形以后，以?shī)A角α入射到該晶體上的激光束2再現(xiàn)原始全息圖。
介紹光波全息術(shù)為了更容易明白此處描述的全息圖處理步驟，首先，簡(jiǎn)要地復(fù)習(xí)一下離軸全息術(shù)的性質(zhì)是有益的。在電子顯微鏡中，配備了高度相干的電子源，例如，利用場(chǎng)致發(fā)射電子槍的一種電子源，理想上，入射到樣品上的電子束是一個(gè)平面波。實(shí)際上，若照射是擴(kuò)展到一個(gè)很大的區(qū)域，則在合理的近似下得到這個(gè)平面波。在這個(gè)理想的情況下，顯微鏡中的物把入射的平面波Imn=1d2∫(m-1)dmd∫(n-1)dndI(x,y)dxdy,]]>改變成物波部可以快速安裝到一井筒中，因?yàn)樵趯⒐ぞ哌\(yùn)行到井筒中之前多邊工具就安裝在地面上。
側(cè)套管柱可以進(jìn)一步鉆至下一孔部的深度，而一中間直徑的襯套被運(yùn)行和用水泥固定。為了提供在側(cè)套管柱中的壓力完整性并為一開(kāi)采襯套鉆一個(gè)孔，用一個(gè)拼接回接襯套跨過(guò)側(cè)接合點(diǎn)，用可收回的回接壓緊器將拼接回接襯套密封在上端。用于側(cè)套管柱的一未打孔的開(kāi)采襯套側(cè)向運(yùn)行并用水泥固定，而在側(cè)套管柱中的回接襯套被回收。接著回收偏置裝置，并以對(duì)側(cè)套管所述相同的方式完成將主套管柱鉆取和襯套在一開(kāi)采區(qū)。于是可以通過(guò)在套管中運(yùn)行較小直徑的管道以為了在雙套管柱之間壓力完整跨過(guò)側(cè)接合點(diǎn)、用永久拼接回接壓緊器密封管道并對(duì)開(kāi)采襯套穿孔而混合地或使用雙管道柱完成鉆井。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，例如包括對(duì)主和側(cè)套管部的直徑都為
英寸的套管部以及較大直徑的承載部的多邊工具在地面上組裝并在一套管部底部運(yùn)行進(jìn)入井筒中。在制造過(guò)程中使用一一體的定位子塊已定位在承載套管部中的偏置裝置如一斜向器也在制造過(guò)程中在側(cè)套管部與窗對(duì)齊。在多邊工具安裝后，使用一7英寸中間襯套的套管結(jié)構(gòu)以及一
英寸的開(kāi)采襯套延伸雙套管柱。其他套管結(jié)構(gòu)也可用于本發(fā)明中，如
英寸×
英寸×5英寸以及
英寸×
英寸×
英寸的結(jié)構(gòu)。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，構(gòu)造成帶有上述主和側(cè)套管部的兩個(gè)或多個(gè)多邊工具以間隔開(kāi)的水平在一原套管部中運(yùn)行。接著從每個(gè)多邊工具延伸側(cè)套管則提供相應(yīng)于使用的多邊工具數(shù)量的多個(gè)側(cè)向分支。
本發(fā)明的其他目的、優(yōu)點(diǎn)和新穎特征對(duì)參照附圖閱讀了以下對(duì)優(yōu)選實(shí)施例和權(quán)利要求描述的本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的，其中附圖圖1是本發(fā)明一多邊工具的局部剖視圖。
圖2(a)-2(s)是順序的局部剖視圖，示出使用本發(fā)明的圖1的多邊工具完成雙井套管柱的一方法。
圖3是一局部剖視圖，詳細(xì)示出斜向器與預(yù)制承載部窗的對(duì)齊。
公式(3)的最后兩行對(duì)應(yīng)于圖9中的兩個(gè)邊帶。把其中一個(gè)傅里葉變換的邊帶隔離開(kāi)，我們保留下復(fù)圖像波的傅里葉變換。忽略色差，復(fù)圖像波的傅里葉變換對(duì)應(yīng)于如下復(fù)物波的傅里葉變換
其中
描述等暈波像差。此處
是傅里葉空間(或倒易空間)即，物鏡的后焦面中的二維矢量。從這個(gè)公式可以看出，若
已知，則這個(gè)信息可用于消除
的影響，導(dǎo)致點(diǎn)分辨率的提高(Tonomura等人，1979；Fu等人，1991)。這是我們所希望的，因?yàn)閷?duì)高分辨率晶體結(jié)構(gòu)圖像的解釋變得更加直觀。
除了可以提高顯微鏡的點(diǎn)分辨率以外，光波全息術(shù)的另一個(gè)重要特征是可以直接讀取圖像相位。與普通反差轉(zhuǎn)移函數(shù)對(duì)比，這是一個(gè)正弦函數(shù)(Reimer，1989)，表示在圖10A中。物相位改變成圖像相位的轉(zhuǎn)移函數(shù)是由余弦函數(shù)描述。這個(gè)轉(zhuǎn)移函數(shù)在圖10B中表示。余弦型轉(zhuǎn)移函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，沒(méi)有降低大面積的反差(尺寸的細(xì)節(jié)＞1nm)，除了略微下降的點(diǎn)分辨率以外，圖像相位中的總信息量高于Gabor焦點(diǎn)處圖像強(qiáng)度中的總信息量(Weierstall，1989；Lichte，1991)。這是其中一個(gè)原因，為什么在某些情況下直接顯示圖像相位優(yōu)于圖像強(qiáng)度。
擴(kuò)展傅里葉變換為了在計(jì)算機(jī)中估算全息圖，通常利用離散傅里葉變換。雖然圖像的離散傅里葉變換包含與原始圖像相同的信息，但是，普通里散傅里葉變換不是完成這個(gè)任務(wù)的理想工具。
為了給以說(shuō)明，讓我們考慮大小為N×N像素的離散圖像，利用慢掃描CCD攝像機(jī)容易獲得這個(gè)離散圖像。假設(shè)CCD攝像機(jī)中一個(gè)像素的大小有尺度d×d，且相鄰像素之間的距離也是d。圖像函數(shù)I(x，y)記錄在每個(gè)像素上，其值為Imn=1d2∫(m-1)dmd∫(n-1)dndI(x,y)dxdy---(5)]]>其中m，n＝1，…，N。Imn略微不同于函數(shù)I(x，y)在像素((m-1/2)d，(n-1/2)d)中心的值，因?yàn)榉e分是在像素的整個(gè)區(qū)域上。這個(gè)效應(yīng)以及其他的效應(yīng)對(duì)CCD攝像機(jī)的MTF起作用。對(duì)于這個(gè)討論，我們假設(shè)，已修正了MTF，所以I((m-1/2)d，(n-1/2)d)＝Imn。我們暫時(shí)還假設(shè)，I(x，y)具有以下形式I(x，y)＝cos[2π(xu+yv)](6)其中0≤m，n≤N，其余為零。數(shù)字化圖像Imn為Imn＝cos{2π[(m-1/2)ud+(n-1/2)vd]}(7)其中0≤m，n≤N，其余為零。我們規(guī)定在垂直于公式(7)中確定條紋的方向上需要覆蓋2π的像素?cái)?shù)目為空間頻率
的抽樣率ss=1d(u2+v2)---(8)]]>并不要求這個(gè)像素?cái)?shù)目是一個(gè)整數(shù)。抽樣定理表述為，若圖像函數(shù)I(x，y)是如此抽樣，抽樣的空間頻率不低于Nyquist限制，則該圖像函數(shù)在CCD攝像機(jī)的區(qū)域內(nèi)是唯一地確定的。換句話(huà)說(shuō)，若對(duì)圖像函數(shù)I(x，y)抽樣的所有空間頻率有s≥2，則在CCD攝像機(jī)的區(qū)域內(nèi)有關(guān)I(x，y)的信息Imn是完全的。所以，在真實(shí)空間或傅里葉空間中，例如，若抽樣的點(diǎn)數(shù)(即，顯示點(diǎn)數(shù))為124×124或13789×13789，則剩下的只應(yīng)該是顯示的問(wèn)題了。離散傅里葉變換FTd{…}定義為FTd{···}=1NΣm,n=1N(···)e-2πi(km+∈)/N---(9)]]>其中N/2≤k，l≤N/2-1。圖11表示公式(7)FTd{Im}在一維和N＝32情況下傅里葉變換的模。擴(kuò)展傅里葉變換的初衷是來(lái)自FTd{Im}的模顯示與公式(6)的解析傅里葉變換FTa{I(x)}的模顯示之間顯著差別。解析傅里葉變換FTa的定義為FTa{···}=∫∫-∞∞{···}e2πi(xu+yu)dxdy]]>=∫∫0Nd{···}e2πi(xu+yu)dxdy---(10)]]>
在圖12中顯示FTa{I(x)}的模。比較圖11與圖12，可以清楚地看出，圖11中沒(méi)有圖12中可以看見(jiàn)的細(xì)節(jié)。而且，F(xiàn)Ta在傅里葉空間中延伸到無(wú)限遠(yuǎn)，而FTd并沒(méi)有延伸到超過(guò)熟知的Nyquist限制1/(2d)。
(離散)擴(kuò)展傅里葉變換EFT定義如下EET{···}=1NΣm,n=1N{···}×e-2πi[(k+Δk)m+(l+ΔI)n]/N----(11)]]>其中-1≤Δk，Δl≤1，π/2≤k，l≤Nπ/2-1。逆擴(kuò)展傅里葉變換EFT定義如下EET-1{···}=1Nτ2Σk,l=-Nτ/2Nτ/2-1{···}×e2πi[(k+Δk)m+(l+Δl)n]/N---(12)]]>新的變量Δk，Δ和π可以在傅里葉空間中顯示變化，顯示的點(diǎn)數(shù)也可以變化。注意，對(duì)于Δk，Δl＝0和π＝1，則EFT＝FTd。
π的作用從圖13中可以看出π的作用。采用π＝16和Δk，Δl＝0，現(xiàn)在有NΔ＝512個(gè)點(diǎn)在傅里葉空間中顯示，而不是圖11中所示的N＝32點(diǎn)。顯然，在解析傅里葉變換(圖12)中可以看見(jiàn)的細(xì)節(jié)也出現(xiàn)在離散EFT中。而且，EFT(對(duì)于π≥1)和FTd包含相同的信息。在顯示解析傅里葉變換的模與擴(kuò)展傅里葉變換的模之間仍有兩個(gè)差別。第一，Nyquist限制對(duì)于擴(kuò)展傅里葉變換仍然成立，在Nyquist限制以外沒(méi)有空間頻率。第二，有限的圖像區(qū)域在傅里葉空間中產(chǎn)生較高的頻率，它反映在Nyquist限制上并產(chǎn)生差別，例如，在FTa中可以看見(jiàn)十分精細(xì)的細(xì)節(jié)消失了。
Δk的作用圖14中顯示在Δk＝0.133和π＝1的特殊情況下Δk在EFT{Im}中的作用。與圖11進(jìn)行比較，兩個(gè)峰的右側(cè)正好與傅里葉空間中的像素(或顯示點(diǎn))一致。這造成在圖11中可以看見(jiàn)的旁瓣消失。
這個(gè)在傅里葉空間中顯示點(diǎn)的移位對(duì)于離軸光波全息術(shù)是十分重要的，特別是在再現(xiàn)圖像幅度的時(shí)候(在大多數(shù)情況下，可以容易地補(bǔ)償邊帶中心偏離顯示點(diǎn)造成的再現(xiàn)相位中的楔形)。邊帶中心偏離顯示點(diǎn)的效應(yīng)是在再現(xiàn)的幅度中產(chǎn)生噪聲。
我們可以在再現(xiàn)時(shí)演示邊帶中心實(shí)際偏離傅里葉空間中顯示點(diǎn)中心的效應(yīng)。為此，我們?cè)谟?jì)算機(jī)中產(chǎn)生一個(gè)空的全息圖(圖像大小為512×512)，使邊帶正好落在傅里葉空間中的顯示點(diǎn)(k，l)上。在此情況下，再現(xiàn)的幅度是平坦的，其平均標(biāo)準(zhǔn)偏差實(shí)際上為0％。在制作中略微作些變化，即，減小抽樣率s，使邊帶中心落在顯示點(diǎn)(k，l)與(k+1，l+1)之間。再一次計(jì)算平均標(biāo)準(zhǔn)偏差，我們繼續(xù)減小抽樣率，直到邊帶中心落在顯示點(diǎn)(k+1，l+1)上。這個(gè)模擬結(jié)果顯示在圖15中。在最壞的情況下，當(dāng)發(fā)現(xiàn)邊帶中心落在點(diǎn)(k+1/2，l+1/2)時(shí)，在再現(xiàn)的幅度中平均標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到10％。
根據(jù)以上的觀察，以下的再現(xiàn)過(guò)程可能是有益的(1)選取不展示物體有貢獻(xiàn)的那部分面積全息圖(若可能的話(huà))。
(2)把Hanning窗加到這部分面積(或全部全息圖)上。
(3)完成FTd和提取有關(guān)邊帶準(zhǔn)確位置的信息。這確定擴(kuò)展傅里葉算法的Δk和Δl。
(4)利用Δk，Δl的信息應(yīng)用EFT。采用π＝1。
(5)把現(xiàn)在完全處在中心的邊帶隔離開(kāi)。
(6)完成逆FTd。
(7)提取幅度和相位。
舉例加上Hanning窗和完成FTd。假設(shè)邊帶的位置在(134.62，172.31)，利用W.J.de Ruigter等人在Proc.10thPfefferkornConf.Scanning Microsc.Suppl.6(1992)347，得到Δk＝0.62，和Δl＝0.31。采用這些數(shù)據(jù)和π＝1，并完成全息圖的EFT?，F(xiàn)在，邊帶的中心在顯示點(diǎn)上，且減小了再現(xiàn)幅度中的假象。
本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用本發(fā)明在技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)有價(jià)值的實(shí)際應(yīng)用是用于計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量的全息干涉測(cè)量術(shù)。此外，本發(fā)明可用在全息電視或電影(“HoloVision”)中，諸如，用于娛樂(lè)，訓(xùn)練，等等?？梢灶A(yù)期，用于光波全息顯微術(shù)和電子全息顯微術(shù)的三維毫微米級(jí)觀察和測(cè)量主要是科學(xué)的價(jià)值。實(shí)際上，本發(fā)明有無(wú)數(shù)的應(yīng)用，此處無(wú)須贅述。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)直接-數(shù)字全息系統(tǒng)代表本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，它具有高的成本效益和優(yōu)點(diǎn)，至少有以下原因。高分辨率CCD與光學(xué)技術(shù)的結(jié)合，該光學(xué)技術(shù)把干涉圖形(條紋)的密度降低到CCD能夠記錄的密度，并結(jié)合用于干涉測(cè)量術(shù)和由Voelkl博士用于電子全息術(shù)的傅里葉變換方法，可以用電子方法記錄和再現(xiàn)全息圖?？梢詫?shí)現(xiàn)此處描述的所有公開(kāi)的本發(fā)明諸實(shí)施例，在實(shí)際中沒(méi)有不合適的實(shí)驗(yàn)。雖然以上公開(kāi)了由發(fā)明者設(shè)想的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式，但本發(fā)明的實(shí)施不受以上限制。顯然，在不偏離本發(fā)明概念之下精神和范圍的條件下，可以對(duì)本發(fā)明的特征作各種添加，改動(dòng)和重組。所以，專(zhuān)業(yè)人員能夠理解，在不同于上述特定的條件下可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
例如，各種元件不必是上述的形狀，或按照上述的配置加以組合；而實(shí)際上可以是任何的形狀，可以是任何的配置加以組合。此外，各種元件不必是按照上述的材料制成，而實(shí)際上可以是用任何合適的材料制成。而且，雖然上述的記錄設(shè)備是物理上分開(kāi)的模塊，顯然，該記錄設(shè)備可以集成到相關(guān)的設(shè)備中。此外，所有公開(kāi)的元件和每個(gè)公開(kāi)實(shí)施例的特征可以與其他公開(kāi)實(shí)施例中的元件和特征進(jìn)行組合或替換，只要這些元件或特征不是互相排斥的。
我們認(rèn)為，所附的權(quán)利要求書(shū)覆蓋了所有這些添加，改動(dòng)和重組。本發(fā)明的各種適宜實(shí)施例之間的區(qū)別在所附權(quán)利要求書(shū)的各條目中。
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權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，包括激光器；光學(xué)耦合到所述激光器的分束器；光學(xué)耦合到所述分束器的參考光束反射鏡；光學(xué)耦合到所述分束器的物；光學(xué)耦合到所述參考光束反射鏡和所述物的聚焦透鏡；和光學(xué)耦合到所述聚焦透鏡的數(shù)字錄像機(jī)；其中參考光束以非直角入射到到所述參考光束反射鏡，以及所述參考光束和物光束被所述聚焦透鏡會(huì)聚到所述數(shù)字錄像機(jī)的焦平面上形成圖像。
2.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述數(shù)字錄像機(jī)是CCD攝像機(jī)。
3.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括在所述激光器與所述分束器之間光學(xué)耦合的擴(kuò)束器/空間濾波器。
4.一種用于計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量的方法，該方法包含利用權(quán)利要求1的設(shè)備。
5.一種利用權(quán)利要求1的設(shè)備制成的圖像。
6.一種方法，包括把激光束分成參考光束和物光束；從參考光束反射鏡以非直角反射所述參考光束；從物體反射所述物光束；會(huì)聚所述參考光束和所述物光束到數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的焦平面上形成圖像；和數(shù)字記錄所述圖像。
7.按照權(quán)利要求6的方法，其中數(shù)字記錄包括利用CCD攝像機(jī)檢測(cè)所述光束。
8.按照權(quán)利要求6的方法，還包括存儲(chǔ)所述圖像作為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
9.按照權(quán)利要求6的方法，還包括再現(xiàn)所述圖像。
10.按照權(quán)利要求6的方法，還包括發(fā)射所述圖像。
11.一種用于實(shí)施權(quán)利要求6的方法的設(shè)備。
12.由一種過(guò)程制備的圖像，該過(guò)程包括步驟把激光束分成參考光束和物光束；從參考光束反射鏡以非直角反射所述參考光束；從物體反射所述物光束；會(huì)聚所述參考光束和所述物光束到數(shù)字錄像機(jī)的焦平面上形成圖像；和數(shù)字記錄所述圖像。
13.按照權(quán)利要求12的圖像，其中所述圖像是利用傅里葉變換產(chǎn)生的。
14.一種方法，包括提供i) 數(shù)字錄像機(jī)；ii) 光源；iii)分束器；iv) 參考光束反射鏡；v) 與所述數(shù)字錄像機(jī)連接的數(shù)字存儲(chǔ)器；利用來(lái)自所述光源的光子照射所述物體；從所述物體發(fā)射發(fā)射光到所述數(shù)字錄像機(jī)；利用來(lái)自所述光源的光子以非直角照射所述參考光束反射鏡；會(huì)聚來(lái)自所述物體和所述參考光束反射鏡的反射光到所述數(shù)字錄像機(jī)的焦平面上；利用所述數(shù)字錄像機(jī)記錄所述反射光以形成圖像；利用所述數(shù)字存儲(chǔ)器存儲(chǔ)所述數(shù)字圖像；和按照傅里葉變換，變換所述數(shù)字圖像以得到一組結(jié)果。
15.按照權(quán)利要求14的方法，還包括發(fā)射和接收所述一組結(jié)果。
16.按照權(quán)利要求15的方法，還包括再現(xiàn)所述數(shù)字圖像。
全文摘要
描述了用于直接－數(shù)字全息術(shù)的系統(tǒng)和方法。一種設(shè)備包括:激光器(210);光路上與激光器聯(lián)系的分束器(240);光路上與分束器聯(lián)系的參考光束反射鏡(290);光路上與分束器聯(lián)系的物(260);光路上與參考光束反射鏡和物聯(lián)系的聚焦透鏡(270);和光路上與聚焦透鏡聯(lián)系的數(shù)字錄像機(jī)。參考光束以非直角入射到參考光束反射鏡上,以及參考光束和物光束被聚焦透鏡會(huì)聚到數(shù)字錄像機(jī)的焦平面上形成圖像。該系統(tǒng)和方法的優(yōu)點(diǎn)是,可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助全息測(cè)量。
文檔編號(hào)G03H1/04GK1260052SQ98806066
公開(kāi)日2000年7月12日 申請(qǐng)日期1998年6月9日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月11日
發(fā)明者克拉倫斯·E·托馬斯, 拉里·R·貝勒, 格戈里·R·漢森, 戴維·A·拉斯穆森, 埃德加·沃爾科, 詹姆斯·卡斯特拉肯, 米歇爾·西姆庫(kù)萊特, 勞倫斯·克洛 申請(qǐng)人:洛克希德·馬丁能量研究公司