計(jì)算全息實(shí)驗(yàn)的MatlabGui仿真

成純富 歐藝文 方照東 陳嘉軒 陳澤浩 楊張永

【摘要】本文介紹了計(jì)算全息實(shí)驗(yàn)的基本原理，利用Matlab Gui對(duì)計(jì)算全息實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了仿真，分析了通光孔徑寬度、隨機(jī)噪聲系數(shù)和閾值系數(shù)對(duì)計(jì)算全息再現(xiàn)像質(zhì)量的影響。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算全息實(shí)驗(yàn) Matlab Gui 迂回相位編碼

【中圖分類號(hào)】O438.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2019）10-0220-01

一、引言

計(jì)算全息是利用計(jì)算機(jī)控制繪圖儀制作全息圖及衍射光學(xué)元件的技術(shù)。由于計(jì)算全息只需要提供物波函數(shù)，而不需要被記錄物體的真實(shí)存在，這給計(jì)算全息的應(yīng)用提供了極大的便利性。隨著計(jì)算全息編碼技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算全息技術(shù)已廣泛應(yīng)用于圖像識(shí)別、光束整形、三維顯示、干涉計(jì)量等領(lǐng)域。

為了加深對(duì)計(jì)算全息技術(shù)的理解，以便今后能夠更加靈活的應(yīng)用計(jì)算全息技術(shù)。通常，信息光學(xué)實(shí)驗(yàn)中會(huì)開設(shè)計(jì)算全息實(shí)驗(yàn)，即利用高分辨率的相位調(diào)制器實(shí)現(xiàn)計(jì)算全息圖的實(shí)時(shí)再現(xiàn)，通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以初步理解計(jì)算全息的基本原理，但仍然對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、快速傅里葉變換和編碼方法缺乏深入的理解。為此，許多研究小組對(duì)計(jì)算全息的Matlab仿真進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，但由于Matlab缺乏直觀性，其效果仍然不佳。針對(duì)上述情況，本文將開展基于Matlab Gui的計(jì)算全息的仿真，不但實(shí)現(xiàn)了直觀的效果，還提供了視頻介紹，這對(duì)計(jì)算全息的學(xué)習(xí)無疑起到了更大的促進(jìn)作用。

二、計(jì)算全息實(shí)驗(yàn)的基本原理

計(jì)算全息圖通常由計(jì)算機(jī)控制繪圖儀，先制作放大圖形，然后用精密照相機(jī)制作縮小的透明片。由于繪圖儀只能識(shí)別非負(fù)實(shí)函數(shù)，所以必須對(duì)原函數(shù)進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換，把原函數(shù)（通常為復(fù)值函數(shù)）轉(zhuǎn)換為非負(fù)實(shí)函數(shù)，以便繪圖儀制作。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了多種編碼方法，本文中采用羅曼型迂回相位編碼，即在全息圖每個(gè)抽樣單元內(nèi)放置一個(gè)矩形通光孔徑，通過改變通光孔徑的面積來編碼復(fù)數(shù)波面的振幅，改變通光孔徑中心與抽樣單元中心的位置來編碼相位。如果存在模式溢出問題，按照光柵衍射理論，解決的辦法是將溢出的部分移至本單元的另一側(cè)進(jìn)行模式溢出校正[1]。

三、計(jì)算全息實(shí)驗(yàn)的Matlab Gui仿真

按照計(jì)算全息的基本原理，我們利用Matlab Gui對(duì)計(jì)算全息進(jìn)行了模擬仿真，仿真界面如圖1所示。由圖1可以看出：仿真界面主要包括實(shí)驗(yàn)原理的介紹視頻以及通光孔徑寬度、隨機(jī)噪聲系數(shù)和閾值系數(shù)對(duì)再現(xiàn)像質(zhì)量的影響。視頻提供任課實(shí)驗(yàn)教師講解的計(jì)算全息實(shí)驗(yàn)的基本原理和Matlab Gui編程的主要思路，該視頻不但可以加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解，還可以激發(fā)學(xué)生編程的興趣。

仿真結(jié)果表明：通光孔徑寬度越小，再現(xiàn)像越清晰，但再現(xiàn)象的亮度有所下降，由于再現(xiàn)像的亮度會(huì)影響再現(xiàn)像的清晰度，故通光孔徑也不能太小，其大小設(shè)置需滿足抽樣定理，否則因?yàn)榱炼忍刀槐阌^察。當(dāng)通光孔徑寬度固定時(shí)，若物光場的隨機(jī)噪聲系數(shù)增大，則再現(xiàn)像越清晰，但再現(xiàn)象的亮度有所下降。當(dāng)通光孔徑寬度和隨機(jī)噪聲系數(shù)不變時(shí)，增大閾值系數(shù)（物頻譜模的最大值與再現(xiàn)的觀察距離之比），再現(xiàn)像也越來越清晰，但再現(xiàn)像的亮度有所下降。

四、結(jié)論

本文采用Matlab Gui軟件模擬了計(jì)算全息圖。仿真界面不但友好、直觀，而且提供了視頻介紹的功能。仿真結(jié)果不但驗(yàn)證了計(jì)算全息實(shí)驗(yàn)的基本現(xiàn)象，而且可激發(fā)學(xué)生編程以及計(jì)算全息理論知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇顯渝，李繼陶編著.信息光學(xué)[M].北京市：科學(xué)出版社， 1999