直接至數字的全息攝影和全息電視的采集和回放系統的改進的制作方法

專利名稱：直接至數字的全息攝影和全息電視的采集和回放系統的改進的制作方法
本申請是于1997年6月11日遞交而現在未決的共同未決美國系列號08/873,252的35 U.S.C.§120的部分繼續申請，該申請在此被全文引用。作為聯邦資助研究和開發下的發明權利聲明本發明是按照政府支持的美國能源部給予Lockheed MartinEnergy Research Corporation的合同號DE-AC05-96OR22464執行的，及政府對此發明具有一定權利。
2.相關技術的討論傳統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制品才能進行回放。這些模擬方法慢、煩瑣和昂貴。(4)而且沒有辦法將它們壓縮為能夠在另一個場所傳送和回放的電子信號。必須始終發送硬拷貝。更壞的是，處理膠片的時間延遲使全息攝影及其變動方案在許多場合下無法使用。即使能夠忍受傳統全息攝影系統本身的費用，但由于必須處理膠片而造成的時間延遲和低產量使由于延遲所增加的費用絕對無法忍受(例如車胎制造商無法等待45分鐘或即使只2分鐘來了解哪一個具體車胎中有裂痕)。
參照

圖1，其中顯示一個傳統邊帶全息攝影系統的光學幾何。(2-3)來自激光器110的光束由光束擴展器120加以擴展。在通過透鏡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然后射向一個物體170。該物光束150然后入射于一個全息底板190上。
與此同時，來自透鏡130的穿過分束器140的那部分光束組成一個參考光束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全息底板190上。
近年以來，開發了全息攝影干涉量度學，盡管它還是一個模擬方法(5)。這包括聚焦全息攝影的開發。(6-7)在此申請中已經參考了幾篇文獻，它們被使用阿拉伯數字包括于上標處的括號內。這些和其他文獻的全部引用可以在說明書末尾、緊挨權利要求書之前處找到。所有這些文獻的全部公開內容在此處被包括入本申請中，以便標示本發明背景和闡述現有技術狀態。
此處公開的改進允許得到更高質量、更低噪音的數字全息圖的采集和回放。這些改進利用幾何學和光學部件的變動方案，以便允許采集和分析高分辨率全息圖。此外，已經對回放系統作了改進以便允許將一個數字光柵(全息圖)寫至一個光折射晶體，然后使用單個激光束回放該光柵或全息圖。
本發明的一個實施例是基于一種用于記錄一個軸外全息圖的設備，該設備包括一個激光器；一個在光學上耦合至所述激光器的照明分束器；一個在光學上耦合至所述照明分束器的物鏡透鏡；一個在光學上耦合至所述物鏡透鏡的物體；一個耦合至所述激光器的參考分束器；一個在光學上耦合至所述參考分束器的參考鏡面；一個在光學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；及一個在光學上耦合至所述光束合并器的數字記錄器，其中一個參考光束和一個物光束在所述數字記錄器的焦平面處被合并以便形成一個軸外全息圖，以及所述物光束和所述參考光束組成多個實際上同時的參考和物體光波。本發明的另一個實施例是基于一種記錄一個軸外全息圖的方法，包括將一個激光束分離為一個物光束和一個參考光束；將所述參考光束從一個參考光束鏡面反射出來；將所述物光束從一個照明分束器反射出來；使所述物光束通過一個物鏡透鏡；將所述物光束從一個物體反射出來；將所述參考光束和所述物光束聚焦于數字記錄器的焦平面以便形成一個軸外全息圖；數字地記錄所述軸外全息圖；及根據付里葉變換將所述軸外全息圖進行變換以便獲得一組結果。
本發明的另一個實施例是基于一種用于寫入一個軸外全息圖的設備，該設備包括一個激光器；一個在光學上耦合至所述激光器的空間光調制器；一個在光學上耦合至所述空間光調制器的透鏡；及一個在光學上耦合至所述透鏡的光折射晶體，其中一個寫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全息攝影衍射光柵圖案加于所述光折射晶體上。本發明的另一個實施例是基于一種寫入一個軸外全息圖的方法，包括使一個激光束通過一個空間光調制器；及將所述激光束聚焦于一個光折射晶體的焦平面處以便將一個全息攝影衍射光柵圖案加于所述光折射晶體上。
本發明的另一個實施例是基于一個用于回放一個軸外全息圖的設備，該設備包括一個激光器；及一個在光學上耦合至所述激光器的光折射晶體。本發明的用于回放一個軸外全息圖的方法的另一個實施例包括使用一個回放光束將一個具有全息攝影衍射光柵的光折射晶體加以照明。
當結合以下說明和附圖考慮本發明時，將能更好地理解本發明的這些和其他方面。然而應該理解，以下用于標示本發明優選實施例及其許多具體細節的說明只是用于闡述而不是限制目的。能夠在不背離本發明的實質和范圍的情況下作出許多變動和修改，而本發明包括所有這類修改。
圖1闡述一個被合適地標以“現有技術”的傳統(Leith&Upatnieks)邊帶全息攝影系統的原理圖；圖2闡述一個表示本發明實施例的簡單直接至數字的全息攝影系統的原理圖；圖3a闡述一個表示本發明實施例的“Michelson”光學幾何直接至數字的全息攝影設置的透視圖；圖3b闡述圖3A中所示直接至數字的全息攝影設置的另一個透視圖；圖4闡述一個表示本發明實施例的鏡面中一個涂寫的數字地采集的全息圖；圖5闡述圖4的2-D付里葉變換的曲線；圖6闡述來自圖4的全息圖相位數據的回放；圖7闡述一個表示本發明實施例的全息攝影回放系統的原理圖；圖8闡述一個表示本發明實施例的非晶形碳膠片上的金顆粒的全息圖的所選區域；圖9闡述圖8中表示本發明實施例的全息圖的付里葉變換的模量的所選區域(中心區域自相關；左和右區域邊帶)；圖10A闡述Scherzer聚焦處的反傳遞函數；圖10B闡述一個表示本發明實施例的Gabor焦點處的全息攝影專用傳遞函數；圖11闡述一個表示本發明實施例的以s＝4.66的采樣率使用32個采樣點(離散付里葉變換中顯示點的數量為32)的余弦模式的離散付里葉變換的模量；圖12闡述一個表示本發明實施例的根據等式(6)的(余弦模式只限于與來自圖11的數據相同的區域(實際空間內)及圖11中找不到此圖中的任何細節)余弦模式的分析付里葉變換的模量；圖13闡述一個表示本發明實施例的余弦模式(顯示點的初始集是圖11中的32；選擇參數π為16，擴展付里葉變換中的顯示點數量為512及顯示與分析付里葉變換中可見的相同細節)的擴展付里葉變換的模量；圖14闡述一個表示本發明實施例的用于顯示偏移了象素的一部分的傳統離散付里葉變換(再一次使用與圖11相同的余弦模式；為Δk(及為二維中的Δl)選擇真實值，有可能顯示付里葉空間中的至少一個峰值以使它直接落在顯示點上；在此情況下，邊瓣消失(見右峰值))的擴展付里葉算法的結果；圖15闡述一個表示本發明實施例的根據并不真正地處于中心的邊帶所重構的幅值會在圖象中造成假象(最壞的情況是當邊帶中心正好落在付里葉空間的顯示點中間)；
圖16闡述一個表示本發明實施例的具有通過透鏡照明的全息圖采集系統的Mach-Zender原理布局；圖17闡述一個表示本發明實施例的數字全息圖采集系統布局，用于闡述從一個照明分束器和光束合并器的面反射出來的物光束，從而消除像散；圖18闡述一個表示本發明實施例的數字全息圖采集系統的照片；圖19闡述一個表示本發明實施例的實際回放系統的原理圖；圖20闡述一個表示本發明實施例的鈮酸鋰晶體和全息圖寫/回放光學系統；圖21A和21B分別闡述表示本發明實施例的適用于全息攝影回放系統的透射性和反射性空間光調制器的光學幾何；圖22闡述一個表示本發明實施例的如同全息回放系統所實施的800×600計算機驅動的空間光調制器并且后隨以一個偏振器；及圖23闡述一個表示本發明實施例的用于顯示空間光調制器象素邊緣衍射階(中心亮點是零階衍射圖象)的筒狀透鏡的付里葉平面上的激光束的照片。
圖24A-24D闡述一個表示本發明實施例的與1/4波板組合的偏振分束器。
優選實施例的描述更全面地參照附圖中闡述的和以下說明中細化的非限制性實施例來解釋本發明及其不同特征和優點。熟知的部件和處理技術將被忽略以避免不必要地使本發明的細節模糊。1.系統概述迄今為止沒有開發數字全息攝影的原因是數字視頻攝象機或適用于數字媒質的攝象機還不是足夠好以便記錄傳統全息圖中固有的非常高的空間頻率。本發明將數個能夠克服此困難的技術組合起來，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。
必須意識到如何數字地記錄一個光學全息圖(及意識到它是一個全息圖)。還必須意識到干涉量度學中所用付里葉變換技術和電子全息攝影能夠用于分析全息圖。還必須意識到，將一個平面波在算術上加于數字全息圖和將所得強度函數寫至一個光學上敏感晶體，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實際地回放全息圖。2.優選實施例的詳細描述現在參照圖2，一個簡單的直接至數字的全息攝影系統被顯示以便闡述已經被組合的硬件概念，用于數字記錄和回放全息圖。來自激光器210的光束被光束擴展器/空間濾波器220所擴展。擴展的/濾光的光束然后通過一個透鏡230。然后該光束射向一個分束器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物光束250，它射向一個物體260。從物體260反射的那部分光束然后通過分束器240并且射向一個聚焦透鏡270。該光束射向一個電荷耦合設備(CCD)攝象機(未示出)。
與此同時，來自透鏡230并且通過分束器240的那部分光束組成一個參考光束280。參考光束280以小角度從鏡面290反射回來。來自鏡面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。來自聚焦透鏡270的參考光束然后射向CCD攝象機。來自聚焦透鏡270的物光束和來自聚焦透鏡270的參考光束一起組成多個同時參考和物體光波300。
將圖2與圖1進行比較，可以看出，至少以下差別允許CCD攝象機建立全息圖而不使用膠片或照相底板。(1)本發明使用一個高分辨率CCD(例如1百40萬個象素)，(已經有超過6千萬個象素的CCD可供使用)。(2)本發明使用一個“Michelson”光學幾何(分束器、參考光束和物光束的幾何關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Michelson干涉儀光學幾何)。此光學幾何允許將參考光束鏡面偏轉以便建立小角度，從而使全息圖付里葉分析的外差或邊帶在空間上出現干涉條紋。(3)本發明使用一個聚焦透鏡來將物體聚焦于CCD的焦平面上。此透鏡還按照需要通過使用不同聚焦長度和調整相應的空間光學幾何(例如物體距離與圖象距離之比)來提供放大或縮小作用。前述三個因素與文獻中熟知的付里葉變換軟件分析方法一起用于直接至數字地記錄和回放全息圖。(10-12)該系統適用于實時地記錄和回放全息攝影圖象或者將它們存儲以備事后回放。由于全息圖是數字地被存儲的，能夠建立一串全息圖以便建立一個全息攝影動畫或全息圖，它們能夠被電子地播送以便在遠處回放從而提供全息攝影電視(全息電視)。由于全息圖存儲幅值和相位，而相位正比于波長和光路長度，這個直接至數字全息攝影也能用作極端精確的測量工具，用于證實精確部件、組件等的形狀和尺寸。類似地，將全息圖立即數字地存儲的能力能夠提供一種用于數字全息攝影干涉量度學的方法。相同物體的各全息圖在某些物理變化(應力、溫度、精密加工等)后能夠彼此相減(相位直接相減)以便計算該變化的物理測量(相位變化正比于波長)。類似地，能夠通過將兩個類似物體的相應全息圖相減而測量第二物體與第一或主物體的偏差從而將它們進行比較。為單值地測量x-y平面中兩個象素之間在z平面中大于2π的相位變化，必須在多于一個波長的情況下記錄全息圖(雙頻率干涉量度學的內容是文獻中熟知的，因此此處不再重復)。
本發明將高分辨率視頻攝象機的使用、全息攝影物光束和參考光波的非常小角度混合(這個角度的混合導致每個干涉條紋有至少兩個象素和每個需要分辨的空間特征有至少兩個干涉條紋)、在記錄(攝象機)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合起來，從而有可能記錄全息攝影圖象(圖象中為每個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或多個透鏡的后焦平面中使用一個孔徑快門，以便阻止任何高于圖象系統所能分辨的頻率的混疊(混疊現象在文獻中是徹底地討論的，及在透鏡的后焦平面中放置孔徑快門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二維顯示器上的3-D相位或幅值曲線，或者使用一個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入相位變化媒質而回放它，及或者白光或者另一個激光器被用于將它回放。使用激光器的三種不同顏色來記錄圖象并且合并回放的圖象，有可能做成一個真實顏色的全息圖。通過連續地寫入和轉播一串圖象，有可能形成全息攝影動畫。由于這些圖象是數字地記錄的，它們也能使用合適的數字編碼技術通過射頻(RF)波(例如微波)或通過光纖或電纜的數字網絡進行播送，以及在遠處回放。這能有效地實現全息攝影電視和動畫或“全息電視”。
至于使用透鏡將物體聚焦于CCD的焦平面而言，一個點的衍射圖形能夠用一個球函數加以描述，當離該圖形中心的距離增加時，該球函數具有愈加靠近的干涉條紋。由于這些干涉條紋愈來愈靠近，它們無法由一個視頻攝象機加以分辨。更壞的是，這些來自一個復雜物體的點衍射圖形建立一個不現實地密而復雜的圖形，它在任何地點都無法由一個視頻攝象機分辨。通過將物體聚焦于記錄平面上，能夠消除這些衍射圖形，以使現代高分辨率視頻攝象機能夠以合理的可信度記錄全息圖。
如果該記錄媒質分辨100線/mm，則在單位放大倍數的情況下全息攝影分辨率將為大約16線/mm，或50微米的數量級。可以使用一個放大透鏡來增加此限值。對于100線/mm的攝象機分辨率，如果使用10的放大倍數，則全息圖分辨率將為大約160線/mm。類似地，在記錄攝象機上的原始圖象的任何縮小將會減少空間分辨率。
本發明也能被實施于多個選代方案中。例如，本發明能夠使用每個象素移相而不是外差采集全息圖的相位和幅值。移相干涉量度學是文獻中很好地闡述的。作為另一個例子，本發明能夠使用許多不同的將強度模式寫入一個光學上敏感晶體的方法。這些方法包括使用一個精確聚焦的掃描激光束(而不是使用空間光調制器)，使用一個空間光調制器(SLM)而不偏轉激光束來寫入，以及使用寫入方案的許多可能的光學幾何變動。作為另一個例子，本發明能夠使用一個采用光學效應而不是相位變化的光學上敏感晶體，以便建立衍射光柵而回放全息圖。作為又一個例子，本發明能夠實際上使用一個非常精細象素空間光調制器來建立強度模式，從而不需要將強度模式寫入一個用于回放全息圖的光學上敏感晶體。例子以下將通過非限制性例子進一步描述本發明實施例，該例子用于較詳細地闡述不同主要特征。該例子只是為了便于理解實現本發明的各種方法，以便幫助專業人員實施本發明。因此，不應該將該例子構成為限制本發明范圍。
圖3A是一個用于直接至數字全息攝影的示例性“Michelson”光學幾何的透視圖。激光束被提供給分束器310。來自分束器310的物光束射向一個半導體晶片安裝架320，然后射向一個聚焦透鏡330。與此同時，一個來自分束器310的參考光束射向一個參考光束鏡面，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”光學幾何的另一個透視圖。在此透視圖中，能夠更容易地了解到直接至數字CCD攝象機350相對于設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本安裝架360的位置。
圖4是鏡面(此例中是物體)中一個涂寫的外差(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字全息攝影系統所制成。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，就有可能對全息圖進行付里葉變換分析以便計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。實際數據本身是(fx，fy)頻率空間內對應于一個特定空間頻率強度的數字矩陣。白點的數字和亮度顯示圖4中所示空間頻率的頻率空間內的強度和位置。能夠從圖5中知道，參考光束干涉條紋用作一個外差本地振蕩器，用于將真實和虛擬全息圖象偏移至軸外以及在頻率空間內將它們分離。從香農理輪(或Nyquist極限)知道，每個干涉條紋至少需要兩個象素用于分辨一個干涉條紋，以及每個可分辨特征至少需要3個干涉條紋用于從電子全息攝影中分辨全息圖中的物體(正常情況下每個特征需要3個至4個干涉條紋用于分辨載波空間頻率加上物體頻率，但Voelkl等使用擴展付里葉變換時每個特征只需2個干涉條紋)。因此，這兩個極限決定物體所需放大倍數和參考光束與物光束之間的偏轉角度以便在全息圖中分辨一個特征(空間頻率)。
圖5中所示數據通過如下操作被分析將付里葉空間內的各軸變換(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角所引起的空間頻率)頂部之上，然后應用一個數字濾波器(例如漢明或Butterworth濾波器)將原始原點周圍的信號(這些信號實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果，而從全息圖的觀點看它們只是噪音)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字計算機上執行，并且能夠實時地執行。實時分析可能需要多至30至100個高性能并行處理器(例如Pentium Pro或DEC Alpha)以便達到每秒30幀的幀頻。這類尺寸的計算機系統當今通常用作大數據庫服務器和證券交易用計算機器。它們也適用于短期低分辨率天氣預報以及膠片工業的圖象操縱和建立。可以預料，這類系統將在6至10年內成為桌上系統。
圖6顯示通過對來自圖5的數據(全息圖)完成如上所述的分析而建立的相位數據的回放。為將這些數據回放為一個實際全息圖，要求在一個光學晶體內建立一個衍射光柵及使用激光束(或合適地處理過的白光)對衍射光柵以正確角度進行照明。通過將一個函數f(x，y，z0)加至全息圖數據的每個象素h(x，y，z0)而從全息圖數據中計算實際上寫至光學上敏感晶體的數據，其中這兩個函數都是復數以及f(x，y)＝eikcos(α)r及r是x2+y2+z2的平方根。
以上所加上的指數函數在物理上對應于增加一個平面波，它以角度α與全息圖的原始物體光波相交。根據該和數所建立的函數被其共軛復數相乘以便形成絕對值強度函數，它使用激光器寫至光敏感晶體(也可能只寫參考光束與物體的強度的互相關項而去掉自相關項)。光敏感晶體內如此建立的衍射光柵然后能夠使用激光束以角度α進行照明而回放原始全息圖。如果當使用激光束寫入時所使用晶體具有暫時相位變化或折射率變化，然后連續地寫入來自瞬時地采集的或存儲的全息圖的新圖象，并且使用來自另一個激光器的激光束(或合適地處理過的白光)以角度α照明每個圖象，則能夠建立一個3-D動畫或3-D電視圖象。這只是一個可能的而不是唯一的用于將全息攝影圖象寫至光學上敏感晶體并且然后回放它的方法。
圖7闡述一個使用本發明生成一個動畫或電視圖象的方法。能夠知道，通過將兩個激光束相交于一個相位變化晶體710內而將全息圖寫至相位變化或其他光學上活性晶體。激光束1通過一個空間光調制器720以便將進入它的如上所述地從原始全息圖中在算術上建立的全息圖強度模式進行調制。SLM 720由一個計算機740通過數據路徑750進行控制。一個聚焦透鏡730在激光束1與激光束3相交的相位變化晶體710內將此模式進行聚焦，其中兩個激光器的組合強度適合于將該模式寫至晶體710。在寫入模式后，以角度α入射于晶體710上的激光束2將原始全息圖進行回放。光波全息攝影入門為更加容易地理解此處描述的全息圖處理步驟，首先簡單地回顧一下軸外全息攝影的本質是有用的。在一個配備有高度相干電子源例如一個使用場發射電子槍的電子顯微鏡中，入射于標本上的電子束在理想情況下是一個平面波。實際上，如果照明分布于一個大范圍內，則能夠在合理地做到這點。在此理想情況下，顯微鏡內的物體將入射平面波 修改為物體光波 它被定義為 和 兩者都是實函數并且分別用于描述物體幅值和物體相位。向量 是標本平面或(x，y)平面內的向量。為簡化起見，放大因子和圖象旋轉都被忽略，因此圖象平面和物體平面內的向量重合。
當記錄軸外全息圖時，理想情況下該物體只位于雙棱鏡的一側。該雙棱鏡然后使用參考光波即雙棱鏡另一側的光波覆蓋圖象光波(取決于實驗的設置，也可為物體光波)(Lichte，1986；Joy等，1993；M_llenstedt&Diiker，1956；Tonomura，1993)。理想情況下，參考光波是一個平面波，它并不穿過標本的任何部分。然而這不是唯一要求，如果參考光波穿過標本或被磁場或電場所變形，仍然能夠獲得可接受的結果。在雙棱鏡之下的圖象平面中，我們找到圖象強度為I(r→)=1+A2(r→)+Iinel(r→)+2·A(r→)·cos(Δk→·r→+Φ(r))---(2)]]>其中附加項 考慮到非彈性散射的光子。 項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項描述不使用物體即A＝1及Iinel和Φ為零時干涉條紋的反差。
在圖8中，從非晶形碳膜上金顆粒的全息圖中選擇一個小區域，用于顯示干涉條紋。它們從圖象的左上角伸展至右下角。為提取關于(復數)圖象光波和來自幅值和相位的信息，完成圖象強度 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*標示卷積。
圖8全息圖的付里葉變換被顯示于圖9中。中心區域被認為是“自相關”，它對應于一個傳統圖象的付里葉變換。此圖象的有趣特征是“邊帶”，它看上去像圍繞自相關的耳朵。更近的觀察顯示例如相對于邊帶中心沒有中心對稱互相面對的光束并不具有相同強度；這是算術上的必要性。
等式(3)的最后兩行對應于圖9中的兩個邊帶。通過將邊帶中的一個隔離掉，我們保留復數圖象光波的付里葉變換。忽略色差，該復數圖象光波的付里葉變換按照以下方式對應于復數物體光波的付里葉變換 其中 項描述等平面光波色差。此處， 是付里葉空間(或倒數空間)即物鏡透鏡的后焦平面內的一個二維向量。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，其結果是改進點分辨率(Tonomura等，1979；Fu等，1991)。這是所希望的，因為高分辨率晶體結構圖象的解釋將變為更直覺。
除可能改進顯微鏡的點分辨率之外，另一個光波全息攝影的重要特征是圖象相位的直接可存取性。與作為正弦函數的傳統反傳遞函數(Reimer，1989，如圖10A中位移的)相反，物體相位對圖象相位的傳遞函數由余弦函數加以描述。此傳遞函數被顯示于圖10B內。余弦類傳遞函數的優點是大區域反差(尺寸＞1nm的細節)不會減少，及除點分辨率稍微下降之外，圖象相位中的的信息總量高于Gabor焦點處的圖象強度中的信息(Weierstall，1989；Lichte，1991)。這是某些情況下為何圖象相位的直接顯示優選于圖象強度的一個原因。擴展付里葉變換為估計計算機中的全息圖，傳統上使用離散付里葉光學。雖然圖象的離散付里葉變換包含與原始圖象相同的信息，但傳統離散付里葉變換并不是完成此任務的理想工具。
為闡述此點，我們考慮一個其尺寸為N×N個象素的離散圖象，它能夠容易地從一個慢掃描CCD攝象機中獲得。假設CCD攝象機的一個象素的尺寸具有度量d×d，及相鄰象素之間的距離也是d。為每個象素記錄圖象函數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I(x，y)值略為不同。此效果與其他效果一起對CCD攝象機的MTF起作用。對于這個討論，我們假設已經校正MTF，因此I((m-1/2)d，(n-1/2)d)＝In，m。我們還暫時假設對于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。對于0≤m，n≤N，數字化圖象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覆蓋2π所需象素數量定義為空間頻率 的采樣率ss:=1du2+v2---(8)]]>不要求此象素數量為整數。采樣理輪認為，如果圖象函數I(x，y)被如此采樣以使Nyquist極限之下沒有圖象的空間頻率被采樣(12)，則在CCD攝象機的區域內圖象函數是唯一地被定義的。換言之，如果圖象函數I(x，y)的所有空間頻率都被使用s≥2進行采樣，則在CCD攝象機的區域內關于圖象函數I(x，y)的信息是完全的。因此，如果使用例如124×124個或13789×13789個采樣點(即顯示點)在實空間和付里葉空間兩者內都顯示I(x，y)，則只是顯示器的問題。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顯示一維內和N＝32時等式(7)FTd{Im}的付里葉變換的模量。使用擴展付里葉算法的動機原本來自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中能夠看見的細節在圖11中都看不見。此外，FTa在付里葉空間內擴展至無窮，而FTd的擴展不超過1/(2d)處的熟知的Nyquist極限。
(離散)擴展付里葉變換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的顯示以及顯示點數量。注意到當Δk，Δl＝0和τ＝1時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，現在有NΔ＝512個點而不是圖11中的N＝32個點被顯示于付里葉空間內。顯然，可在分析付里葉變換(圖12)中看見的細節也出現于離散EFT中。但是再一次，EFT(對于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展付里葉變換的模量的顯示之間還有兩個差別。首先，對于擴展付里葉變換仍然存在Nyquist極限及沒有空間頻率能超過Nyquist極限。其次，受限制的圖象區域在付里葉空間內造成較高頻率，它們在Nyquist極限處被反射回來并且造成差別例如FTa中能夠看見的非常小的細節的消失。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，現在付里葉空間中兩個峰值中的右側一個正好與一個象素(或顯示點)重合。如圖11中可看見的，這使邊帶消失。
對于軸外光波全息攝影而言，付里葉空間中的顯示點的偏移很重要，對于圖象幅值的重構特別重要(在大多數情況下，在重構相位中由于邊帶中心偏離顯示點而造成的楔狀部分能夠容易地給予補償)。邊帶中心偏離顯示點的效應是在重構幅值中產生噪音。
我們能夠演示重構時在付里葉空間中邊帶中心實際上偏離顯示點的效應。為做到此點，我們在計算機中生成一個空全息圖(圖象尺寸512×512)以使邊帶準確地落在付里葉空間中的顯示點(k，l)上。在此情況下，重構的幅值是平的并且顯示出平均標準偏差有效地為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(k，l)與(k+1，l+1)之間。再次計算平均標準偏差，以及我們繼續減少采樣率直至邊帶中心落在顯示點(k+1，l+1)上。此仿真的結果被顯示于圖15中。在最壞的情況下，當邊帶中心被發現位于(k+1/2，l+1/2)處時，重構幅值的平均標準偏差到達10％。
基于以上觀察，以下重構過程是有利的(1)選擇不顯示物體影響的區域全息圖(如果可能的話)。
(2)對此區域(或所有全息圖)應用漢明窗口。
(3)完成FTd和提取關于邊帶確切位置的信息。這為擴展付里葉算法定義Δk和Δl。
(4)使用Δk和Δl上的信息而應用EFT。使用τ＝1。
(5)將現在完全對中心的邊帶進行隔離。
(6)完成逆FTd。
(7)提取幅值和相位。
例子。應用漢明窗口和完成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。使用這些數據以及τ＝1并且完成全息圖的EFT。現在邊帶的中心位于一個顯示點上并且在重構幅值中減少假象。數字全息圖采集系統的改進通過透鏡照明和Mach-Zender光學幾何本發明能夠包括標本物體的通過透鏡照明而允許物鏡靠近物體。本發明能夠包括Mach-Zender光學幾何，與Michelson光學幾何相比較，它提供大范圍的載波頻率干涉條紋的可調整性而同時保持物光束和參考光束的覆蓋。
參照圖16，激光器1605在光學上耦合至可變衰減器1610，它在光學上耦合至可變分束器1615。一個帶有光束擴展器組件1625的空間濾波器在光學上耦合至可變分束器1615。照明分束器1630在光學上耦合至組件1625。物鏡透鏡1635在光學上耦合至分束器1630。一個感興趣的物體1640靠近透鏡1635。光束合并器1650通過筒狀透鏡1645耦合至分束器1630。CCD攝象機在光學上耦合至光束合并器1650。參考分束器1665通過另一個具有光束擴展器組件1660的空間濾波器在光學上耦合至分束器1615。參考鏡面1765通過參考物鏡透鏡1680在光學上耦合至分束器1665。光束合并器1650通過另一個筒狀透鏡1670在光學上耦合至分束器1665。
仍然參照圖16，一個來自可變分束器1615的物光束1620通過組件1625，然后被照明分束器1630反射并且通過物體物鏡透鏡1635。該物光束1620然后與一個感興趣的物體1640相互作用，返回通過透鏡1635及然后通過照明分束器1630和通過筒狀透鏡1645射向光束合并器1650。參考光束1685通過組件1660，被參考分束器1665反射，然后通過參考物鏡1660。該參考光束1685從參考鏡面1675反射回來，返回通過透鏡1680及然后通過參考分束器1665及通過筒狀透鏡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1655，數字數據在該處被收集。當然，數字數據能夠被記錄、傳輸和/或變換。
圖16顯示一個Mach-Zender光學幾何的原理圖。將圖16的Mach-Zender光學幾何(稱為Mach-Zender，是因為它類似于Mach-Zender干涉儀的光學幾何)與Michelson光學幾何進行比較，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，因為通過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。這允許使用大數字孔徑、高放大倍數物鏡觀看小物體(及記錄其全息圖)。取決于當時情況，對于大物體，原始Michelson光學幾何可能是優選的。
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合并以便照明數字CCD攝象機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，以一個彼此間的角度打在電荷耦合設備攝象機上以便產生外差載波干涉條紋。這允許載波干涉條紋頻率在0與CCD攝象機的Nyquist極限之間變化。至少對于放大光學幾何而言(在該光學幾何中物體全息圖被放大以便由數字攝象機進行采集)，最后光束合并器1650比Michelson光學幾何離數字攝象機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地大而不至于從參考光束和物光束中造成光點而不再覆蓋CCD攝象機。這允許對載波頻率干涉條紋進行精細得多的控制。有可能在零值直至該系統約束條件所允許最大角度值之間改變兩個光束之間的角度而不使外差全息圖的空間載波頻率超過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干涉條紋只有兩個CCD象素-當角度超過此值時空間載波頻率不再能夠準確地被CCD所記錄)。使用Michelson光學幾何不可能達到全息圖的最大空間載波頻率，因為所需角度可能足夠大因而在某些光學幾何中在CCD攝象機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中布局的限制是當物光束射向CCD攝象機時，它通過照明分束器材料。將照明光學幾何修改以使激光束通過分束器時只是為了照明，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。此光學幾何防止由于通過分束器而產生的圖象中的像散，并且簡化系統的透鏡設計，不然將需要考慮到分束器的材料。圖17闡述安裝50X物鏡的這類光學幾何，(該系統也用于此配置中，為Nikon10X和Nikon 100X物鏡)。
參照圖17，PCX透鏡1710在光學上耦合至分束器1720。標本1730通過透鏡1635在光學上耦合至分束器1720。能夠知道，來自標本1730的物光束從分束器1720的前表面1725反射并且通過筒狀透鏡1735射向光束合并器1730。也能知道，來自參考鏡面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帶有Kodak KAF-1400傳感器的Apogee KX-14攝象機。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。實驗已經證明能夠使用四分之一波板隔離器設計將來自物鏡的透鏡表面(或任何其他來源)的雜散反射抑制超過幅值的一個數量級。為使用此技術，照明分束器被一個偏振分束器所替代，該偏振分束器使p偏振光束通過而將s偏振光束反射，以及一個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整以便當入射的p偏振光束打在物體上時被轉換為圓形偏振光束。從物體返回的光束再一次通過四分之一波板而被轉換為s偏振光束。該s偏振光束現在被從偏振分束器反射并且通過光學路徑而下達至CCD攝象機。來自物鏡的雜散反射現在被抑制，因為它們仍然是p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，在設計該物鏡時必須專門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在物體圖象中造成某些像散或其他象差。此技術已經在ORNL的系統上試驗過，其配置為四分之一波板和偏振器位于筒狀透鏡之前，以及被發現為能夠將不必要的物鏡透鏡反射和其他噪音抑制至超過一個數量級。
參照圖24A，一個p通過1/4波板2410在光學上耦合至偏振分束器2420。參照圖24B，一個s通過1/4波板2430在光學上耦合至偏振分束器2420。參照圖24C，一個p通過1/4波板2410在光學上耦合至偏振分束器2420的前表面。參照圖24D，一個s通過1/4波板2430在光學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行付里葉變換分析。一個變動的載波干涉條紋頻率將在回放時產生假象。
從圖16中能夠知道，此設計中的物光束和參考光束路徑主要是相同的。問題的使是物光束和參考光束的波前盡可能與數字攝象機(CCD傳感器)處的幾乎相同。半相同波前將會干涉和產生具有恒定空間頻率的線性載波干涉條紋。如本發明初始公開內容中所討論的，付里葉變換分析用于消除全息攝影空間載波頻率，及一個數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，則此技術不起作用，因為由于載波頻率的附加頻率分量的存在而在逆變換中產生雜散假象。使用半相同物光束和參考光束路徑的結果是很恒定的外差全息圖的空間載波頻率。一個選代的方法是準確地計算數字攝象機處的物光束波前特性以及使用更簡單的光學幾何設計來重現參考光束中的波前。圖18顯示ORNL處全息攝影實驗室中的原型系統的照片，其中實施半相同物光束和參考光束路徑。使用聲光調制器替代機械衰減器和無限可變比分束器本發明能夠包括使用聲光調制器替代機械衰減器和無限可變比分束器。對于高速操作，及為避免機械快門的磨損和撕裂(例如對于數字攝象機)，能夠使用聲光調制器替代圖16中所示機械衰減器和可變比分束器兩者。單個聲光調制器能夠用于替代衰減器，和每個參考光束和物光束路徑內的一個聲光調制器能夠用于調整特定路徑中的功率并且用作一個高速快門。聲光調制器通常由射頻(RF)電磁波驅動并且具有一個通常為1微秒數量級的接通/關斷時間。這對連續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，其中機械部件無法快速地調整并且由于每天操作周期數量大而面臨故障局面。使用光纖為每個分支將激光器耦合至匹配透鏡本發明能夠使用光纖為采集系統的每個分支(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中顯示一個光纖2435。光纖的使用允許激光器系統和聲光調制器和其他光束處理部件在需要時遠離采集系統，從而不必要再費時地和非常細致地對準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”的物體和參考分支，當激光器遠離攝象機系統時這將不方便。遠處位置將要求無阻擋光束路徑，由于安全性理由或為了不使碎屑和異物侵入光路和光學系統，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分支將激光器耦合至匹配透鏡，則激光器的遠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中所示兩個空間濾波器。在許多情況下激光器和聲光調制器或機械衰減器和分束器的遠處位置具有顯著優點。激光器通常是笨重的并且對環境有相當要求(冷卻、電力等)，在重量是重要因素或機動性是重要因素的應用場合中具有靈活連接的遠處位置允許全息攝象機頭既輕又機動。數字全息回放系統的改進實際系統布局本發明能夠包括將SLM輸出進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。圖19顯示一個描述于本發明初始公開內容中的回放系統的實際原理實施圖。激光器1900通過可變衰減器1905在光學上耦合至可變分束器1910。一個寫光束1950從可變分束器1910通過快門1955到達鏡面1960，以及通過空間濾波器1965和通過準直透鏡1970到達空間光調制器1975。寫光束1950從空間光調制器1975通過線性偏振器1977、通過筒狀透鏡1980、通過孔徑1985和通過物鏡透鏡1990到達光束合并器1945，然后到達光折射晶體1995的焦平面。一個回放光束1915從可變分束器1910通過1/2波板1920、通過快門1925、通過空間濾波器1930和通過準直透鏡1935到達鏡面1940、到達光束合并器1945(例如分束器)，及然后到達光折射晶體1995的焦平面。一組觀看光學系統1999在光學上耦合至晶體1995。
仍然參照圖19，在被濾光和準直至合適尺寸后，寫光束1950通過SLM 1975(空間光調制器)，在該處它被(例如由一個計算機驅動的SLM)數字地調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，當然鈦酸鋇和其他光折射晶體是可用的)。縮小倍數用于使晶體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。整個回放光束串對于寫過程是多余的。一旦全息攝影光柵被寫至光折射晶體1995，能夠通過關閉寫光束快門1955和打開回放光束快門1925來加以回放，以使寫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，能夠通過關閉對SLM 1975的數字調制而使現在近似為未調制平面光波的寫光束對先前被寫入光折射晶體1995的全息圖進行照明，從而將該全息回放。在此配置中，回放的全息圖從晶體1995中浮現的角度是回放光束打中該晶體以便在寫光束原始方向內回放它的角度。這由圖19中右下角的向下箭頭所表示。在此情況下整個回放光束光學系統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。因此被寫入光折射晶體1995的全息攝影光柵能夠使用回放光束進行回放，或者選代地由寫光束單獨進行回放而將空間光調制器關閉，從而不需要任何回放光束或相關聯的設備。由于顯示定時的理由，可能更希望一個或其他配置。
圖20是ORNL處全息攝影實驗室中實施的原型回放系統光學系統的照片。有數個合適的商業上現成可用的SLM，反射LCD(液晶顯示器)，透射LCD兩者和微鏡面(例如Texas Instruments DLP-數字光處理器-實施例)。通常這些LCD SLM需要一個偏振器。
圖21A和21B顯示兩個適合于在一個全息攝影回放系統中實施的SLM光學幾何。注意到一個微鏡面實施例不要求偏振器并且不像所闡述LCD實施例那樣轉動偏振方向。圖22顯示圖19中原理性顯示的全息攝影回放寫光束設置所采用的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明能夠包括將全息圖衍射光柵寫至光折射晶體并且使用相同光束進行回放，其中接通SLM(空間光調制器)信號以便寫入而關閉它以便回放。當沒有信號給SLM時，寫光束成為一個平面波，適合于回放并且不要求使用單獨的回放光束。
因為SLM象素具有有限邊緣(相對于無限薄而言)，這些邊緣形成一個相當強的衍射光柵。如果這些邊緣/衍射光柵不被從圖象中消除，則它們在寫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，因為它們產生光的混淆衍射階并且與準備寫至光折射晶體的所希望的全息圖光柵相互作用。
再次參照圖19，這些象素邊緣/衍射光柵能夠通過將孔徑1985放置于筒狀透鏡的付里葉平面處而加以消除，該付里葉平面出現于筒狀透鏡與聚焦物鏡之間。該孔徑的尺寸被選為只準零階衍射光束通過，這能消除象素邊緣但不能消除寫至SLM的圖象，因為象素邊緣是與SLM相關聯的最高頻率(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)。通過關閉SLM和觀察由象素邊緣造成的衍射階在何處成為聚焦點，能夠容易地找到付里葉平面。圖23顯示激光束通過SLM和筒狀透鏡之后聚焦于筒狀透鏡付里葉平面處的照片。使用聲光調制器和單模式偏振保持光纖替代衰減器、快門和空間濾波器本發明能夠包括為速度和方便而使用一個聲光調制器來替代機械光束衰減器。更具體地，能夠為速度和方便而使用一個聲光調制器來替代機械快門。
如以上結合全息圖采集系統所討論的，及由于相同理由，能夠使用聲光調制器(AOM)替代圖19中所示衰減器和可變分束器。類似地，激光器和AOM能夠遠離全息回放頭(“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系統。這又一次用于消除由于激光器和AOM遠離全息電視頭而引起的質量和環境(熱、振動等)的效應，并且使它變為輕而機動。該光纖再一次用于消除圖19中所示空間濾波器。
許多類似的光學幾何是可能的。能夠修改角度；能夠修改參考光束和物光束光學幾何。能夠修改寫光束和回放光束光學幾何。具體部件能夠被其他種類的部件所替代。用于紀錄和回放的激光器波長可以是不同的。該系統也能使用相干x輻射、UV、DUV、VUV或紅外相干輻射來實施。該回放系統可以被修改為在寫入光折射晶體之后使用白光進行回放。將SLM移相而不是幅值調制能夠用于回放系統。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SLM。本發明的實際應用技術上具有價值的本發明的一個實際應用是計算機輔助測量的全息攝影干涉量度學。此外，本發明對于全息攝影電視或動畫(“全息電視”)是有用的，例如用于娛樂目的或訓練目的等。預料光波全息攝影顯微鏡學和電子全息攝影顯微鏡學的納視覺化和三維測量將成為主要科研應用。實際上本發明具有數不清的用途，不必再次一一列舉。
本發明對超精確計量學是有用的。本發明對3D顯示和技術材料和科學數據組的檢驗是有用的。本發明對3D可視新聞、通信、會議、電影、游戲、廣告和娛樂目的是有用的。本發明的優點至少由于以下理由，一個代表本發明實施例的直接至數字全息圖系統是經濟上合理的和有優點的。高分辨率CCD和光學技術的組合能夠將干涉圖形(干涉條紋)的密度減少至CCD能夠記錄的密度，與用于干涉量度學的和由Voelkl博士用于電子全息攝影的付里葉變換技術組合，允許全息圖的電子記錄和回放。
所有此處描述和公開的本發明實施例能夠被實現和應用而不需過度試驗。雖然此處公開了本發明人認為用于實施本發明的最佳模式，但本發明的實施并不限于此。能夠表明，能夠在不背離本發明基礎概念的實質和范圍的情況下作出本發明各特征的不同附加、修改和重新安排。因此，專業人員知道，本發明能夠與此處描述內容不同地加以實施。
例如，個別部件不必以所公開的形狀被形成或被裝配于所公開的配置中，而實際上能夠以任何形狀做成，以及被裝配于實際上任何配置中。此外，個別部件不必使用所公開的材料來制造，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備是一個物理上獨立的模塊，但能夠表明，記錄設備能夠與它的相關聯設備制造為一個整體。此外，如果每個所公開實施例的元件和特征與每個其他公開實施例的元件和特征不是相互排斥，則每個所公開實施例的元件和特征能夠與每個其他公開實施例的元件和特征組合或由其替代。
所附權利要求書意在覆蓋所有這類附加、修改和重新安排。本發明的合適實施例由所附子權利要求所區別。
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，France，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).
權利要求
1.一種用于記錄一個軸外全息圖的設備，包括一個激光器；一個在光學上耦合至所述激光器的照明分束器；一個在光學上耦合至所述照明分束器的物鏡透鏡；一個在光學上耦合至所述物鏡透鏡的物；一個耦合至所述激光器的參考分束器；一個在光學上耦合至所述參考分束器的參考鏡面；一個在光學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；及一個在光學上耦合至所述光束合并器的數字記錄器，其中一個參考光束和一個物光束在所述數字記錄器的焦平面處被合并以便形成一個軸外全息圖，以及所述物光束和所述參考光束組成多個基本上同時的參考和物光波。
2.權利要求1的設備，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字記錄器定義一個Mach-Zender光學幾何。
3.權利要求1的設備，其中來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.權利要求1的設備，其中所述照明分束器包括一個偏振照明分束器以及所述參考分束器包括一個偏振參考分束器，及還包括，一個在光學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；及一個在光學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.權利要求1的設備，還包括一個在光學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；及一個在光學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.權利要求1的設備，其中物光束路徑基本上與參考光束路徑相同。
7.權利要求1的設備，還包括一個在光學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制器。
8.權利要求1的設備，還包括一個在光學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制器及一個在光學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制器。
9.權利要求1的設備，還包括一個在光學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在光學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.權利要求9的設備，其中所述第一光纖包括一個第一單模式偏振保持光纖及所述第二光纖包括一個第二單模式偏振保持光纖。
11.權利要求1的設備，還包括一個在光學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在光學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.權利要求1的設備，還包括一個在光學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展器/空間濾波器及一個在光學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展器/空間濾波器。
13.一種用于記錄一個軸外全息圖的方法，包括將一個激光束分離為一個物光束和一個參考光束；使所述參考光束從一個參考光束鏡面反射出來；使所述物光束從一個照明分束器反射出來；使所述物光束通過一個物鏡；使所述物光束從一個物反射出來；將所述參考光束和所述物光束聚焦于一個數字記錄器的焦平面以便形成一個軸外全息圖；數字地記錄所述軸外全息圖；及根據付里葉變換對所述軸外全息圖進行變換以便獲得一組結果。
14.權利要求13的方法，還包括在數字地記錄之前使用一個光束合并器將所述物光束與所述參考光束合并。
15.權利要求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的步驟包括從一個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的步驟包括從一個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之前和之后都使所述物光束通過一個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之前和之后都使所述參考光束通過一個參考四分之一波板。
17.權利要求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一個第一偏振器；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一個第二偏振器。
18.權利要求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一個聲光調制器。
20.權利要求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第一聲光調制器；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第二聲光調制器。
21.權利要求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第二光纖。
22.權利要求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第二筒狀透鏡。
23.權利要求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第一光束擴展器/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第二光束擴展器/空間濾波器。
24.權利要求13的方法，還包括將所述軸外全息圖存儲為數字數據。
25.權利要求13的方法，還包括回放所述軸外全息圖。
26.權利要求13的方法，還包括傳輸所述軸外全息圖。
27.一個由權利要求13的方法所準備的軸外全息圖。
28.權利要求27的軸外全息圖，其中所述軸外全息圖是使用擴展付里葉變換所生成的。
29.一種用于寫入一個軸外全息圖的設備，包括一個激光器；一個在光學上耦合至所述激光器的空間光調制器；一個在光學上耦合至所述空間光調制器的透鏡；及一個在光學上耦合至所述透鏡的光折射晶體，其中一個寫光束被所述透鏡聚焦于所述光折射晶體的一個焦平面處以便將一個全息衍射光柵圖案加于所述光折射晶體上。
30.權利要求29的設備，其中所述軸外全息圖能夠根據通過使用一個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行回放。
31.權利要求29的設備，其中所述軸外全息圖能夠根據所述全息衍射光柵圖案以非正交角度進行回放，所述全息衍射光柵圖案是通過使實際上所有所述寫光束通過所述空間光調制器和使用所述寫光束將所述全息衍射光柵圖案進行照明而加于所述光折射晶體上的。
32.權利要求29的設備，還包括一個在光學上耦合于所述空間光調制器與所述光折射晶體之間的零衍射階孔徑。
33.權利要求29的設備，還包括一個在光學上耦合于所述激光器與所述空間光調制器之間的聲光調制器。
34.權利要求29的設備，還包括一個在光學上耦合于所述激光器與所述空間光調制器之間的分束器及一個在光學上耦合至所述分束器的回放鏡面；及一個在光學上耦合至所述回放鏡面和所述空間光調制器的光束合并器。
35.權利要求29的設備，還包括一個在光學上耦合于所述激光器與所述空間光調制器之間的光纖。
36.權利要求35的設備，其中所述光纖包括一個第一單模式偏振保持光纖。
37.權利要求29的設備，其中所述空間光調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的組中。
38.權利要求29的設備，其中所述空間光調制器包括一個液晶顯示器，及還包括一個在光學上耦合于所述空間光調制器與所述光束合并器之間的線性偏振器。
39.一種寫入一個軸外全息圖的方法，包括使一個寫光束通過一個空間光調制器；及將所述寫光束聚焦于一個光折射晶體的焦平面處以便將一個全息衍射光柵圖案加于所述光折射晶體上。
40.權利要求39的方法，還包括通過關閉一個寫光束快門和使用一個回放光束以非正交角度照明所述全息光柵而根據加于所述光折射晶體上的所述全息衍射光柵圖案對所述軸外全息圖進行回放。
41.權利要求39的方法，還包括根據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將實際上所有所述寫光束通過所述空間光調制器和使用所述寫光束將所述全息攝影光柵進行照明而加于所述光折射晶體上的。
42.權利要求39的方法，還包括使所述寫光束通過一個在光學上耦合于所述空間光調制器與所述光折射晶體之間的筒狀透鏡；使所述寫光束通過一個在光學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；及使所述寫光束通過一個在光學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.權利要求39的方法，還包括使所述激光束通過一個在光學上耦合于所述激光器與所述光折射晶體之間的聲光調制器。
44.權利要求40的方法，還包括使所述寫光束通過一個在光學上耦合于所述激光器與所述空間光調制器之間的第一聲光調制器及使所述回放光束通過一個在光學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制器。
45.權利要求39的方法，還包括使所述寫光束通過一個在光學上耦合至所述空間光調制器的第一光纖。
46.一種用于回放一個軸外全息圖的設備，包括一個激光器；及一個在光學上耦合至所述激光器的光折射晶體。
47.權利要求46的設備，還包括在光學上耦合至所述光折射晶體的觀看光學系統。
48.權利要求46的設備，其中所述軸外全息圖是使用一個回放光束照明所述光折射晶體而以非正交角度進行回放的。
49.權利要求46的設備，其中所述軸外全息圖是使用一個回放光束以非正交角度照明所述光折射晶體而進行回放的。
50.一種用于回放一個軸外全息圖的方法，包括使用一個回放光束將一個具有全息攝影衍射光柵的光折射晶體加以照明。
51.權利要求50的方法，其中所述軸外全息圖是使用一個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行回放的。
52.權利要求50的方法，其中所述軸外全息圖是使用一個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行回放的。
全文摘要
描述一種用于直接至數字全息攝影和全息電視的采集和回放系統。一種記錄一個軸外全息圖的方法包括將一個激光束分離為一個物光束(1620)和一個參考光束(1685)；使所述參考光束從一個參考光束鏡面(1675)反射出來；使所述物光束從一個照明分束器(1630)反射出來；使所述物光束通過一個物鏡透鏡(1635)；使所述物光束從一個物體(1640)反射出來；將所述參考光束和所述物光束聚焦于數字記錄器(1655)的焦平面以便形成一個軸外全息圖；將軸外全息圖數字地記錄和進行付里葉變換。一種寫入一個軸外全息圖的方法包括使一個激光束(1950)通過一個空間光調制器(1975)；及將激光束聚焦于一個光折射晶體(1995)的焦平面處以便加上一個全息圖。一種用于回放軸外全息圖的方法包括使用回放光束(1915)照明一個具有全息圖的光折射晶體。
文檔編號G03H1/02GK1415083SQ00818161
公開日2003年4月30日 申請日期2000年12月21日 優先權日2000年1月4日
發明者克拉倫斯·E·托馬斯, 格里高利·R·哈森 申請人:Ut-巴特勒有限責任公司