数字全息不仅对可见光有效,而且对其他电磁波段、声波、电子波等都有效。在数字全息中,再现照明光波长是由程序控制的,因此就可以将电子波、声波、电磁波等的全息图用可见光数值再现;然后用计算机进行处理使再现像以图像的形式在屏幕上显示。这样就将可见光的全息术扩展到其他波段,甚至声波、电子波等,极大的促进了全息术的发展和应用。
当然,数字全息术目前在技术上依然有极大的困难。现有的光电成像器件CCD的分辨率依然远远低于传统的感光干板的分辨率。例如,常用的感光板银盐干板的分辨率可以达到5000lp/mm,可记录全息图的物参夹角为0~180o。而CCD的分辨率只有约为100lp/mm左右,物参夹角也很小。另外,CCD靶面的尺寸有限,影响了视场的大小和再现像的清晰度。
但是,数字全息术的优势激起了研究者们浓厚的兴趣。相信在不久的将来,随着相关技术的发展,必将带动数字全息术更加广阔的发展和应用。
2 CCD技术的发展现状
电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)是在1970年前后由美国贝尔实验室的W. S. Boyle和G. E. Smith 两人发明的一种光电成像器件。它以电荷包的形式储存和传递信息。CCD有多种分类,根据像元排列形状的不同,分为面阵CCD和线阵CCD;根据成像颜色的不同,分为彩色CCD和黑白CCD,其中彩色CCD又可以分为Bayer滤色器彩色 CCD 和复合滤色器彩色 CCD[ ]。
30年来,CCD的发展取得了极大的进步,在民用、军事、工业和科研教育等领域都获得了极为广阔的应用。近年来研究者们对CCD的研究主要集中在不断提高CCD的性能如高速、高精度、高灵敏度等方面。下面我们对CCD近期的发展做简单的介绍。
(1) 尺寸和分辨率
已经报道的CCD,像元尺寸已达12×12μm2和8.75×8.75μm2,像素达到7168×8192和9216×9216。利用一种拼接技术,日本已经成功开发了像素为16384×16384的CCD。目前对CCD的开发开始向大面阵、小像元、红外和紫外光谱响应等多方面发展,以满足军事、工业发展、科研、生活等多方面的需求;
(2) 提高CCD光谱响应能力
日本滨松公司开发的一种新型紫外固体摄像器件——薄型背照式电荷耦合器件(BTCCD)具有很高的紫外光灵敏度。其在紫外波段的量子效率超过了40%,可见光部分超过了80%,因此可以很好的可工作于紫外光波段和可见光波段。美国COOK公司开发了一种Dicam-pro型增强式制冷型CCD相机,它的曝光时间仅为3ns,其工作波段位于近红外-紫外波段[ ]。
目前研究者们主要采用三种方法来增加CCD的光谱响应度:一是减薄CCD器件的厚度;二是对器件表面敷涂用荧光物质,将短波段的光转换成可见光;三是采用有效的相位技术使离子扩散面代替多硅栅,以形成相应的势阱;
(3) 高速图像捕获
为了观察运动物体,记录物体的瞬间变化,1997年,高速图像捕获CCD的概念被首次提出。高帧速CCD摄像器件一般为512×512像素,帧速超过1000Hz。它具有动态响应范围宽、抗光晕能力强、拖影现象少、速度快、噪声低、功耗低等优点[16]。