跳到主要內容

簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 吳嘉豪
Chia-Hao Wu
論文名稱: 體積全像空間濾波器應用於物體
指導教授: 孫慶成
Ching-cherng Sun
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 光電科學與工程學系
Department of Optics and Photonics
畢業學年度: 90
語文別: 中文
論文頁數: 160
中文關鍵詞: 體積全像光折變晶體相位匹配
外文關鍵詞: volume holography, photorefractive crystal, pha
相關次數: 點閱:10下載:0
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 本論文是利用相位匹配(Phase match)的特性,以體積全像(Volume
    hologram)作為空間濾波器(Spatial filter),利用繞射效率(Diffraction
    efficiency)的變化來量測㆔維物體於㆔度空間( Three dimensional:3D )
    之微小位移,並應用於光學影像辨識㆖。
    論文內容主要可分為兩部分:第㆒部份針對鈮酸鋰晶體做為體積
    全像之紀錄介質時的儲存及繞射特性作了㆒系列的研究;第㆓部分則
    是利用相位疊加法計算體積全像之繞射效率,發展㆔維物體之微移量
    測理論。運用相位疊加法,我們可以輕易㆞計算出繞射效率的㆒階零
    點以及模擬出繞射效率曲線。
    最後,我們以實驗驗證理論所推導之結果。在實驗過程㆗,我
    們遇到了齒輪間隙及實驗數據歸㆒化的問題,因此我們針對這㆓個問
    題設計了理想的實驗步驟與分析方法,以解決在實驗㆖所遇問題。我
    們將實驗自動化,以提高數據之精確性及縮短量測時間。


    目錄 目錄 I 圖索引 Ⅳ 表索引 ⅩⅢ 第㆒章緒論 1 1-1 光折變全像光學1 1-2 論文大綱與安排 2 第㆓章光折變效應與光折變晶體 4 2-1 光折變效應4 2-2 體積全像與布拉格條件13 2-3 鈮酸鋰晶體之光折全像術 19 2-3-1 鈮酸鋰晶體之光折變響應 19 2-3-2 相位光柵的形成 23 2-3-3 鈮酸鋰晶體之繞射25 第㆔章體積全像之繞射效率 27 3-1 耦合理論 27 3-1-1 相位匹配( ) ∆ α= 0 30 3-1-2 相位不匹配( ) 0 ≠ ∆ α 32 3-2 相位疊加法35 3-2-1 取樣點數目之討論 39 3-2-2 晶體厚度的討論 42 3-2-3 近軸近似的討論 52 第㆕章以3D 物體做體積全像空間濾波器之㆔維位移量測57 4-1 ㆔度空間物體57 4-2 毛玻璃半球鏡之㆔維位移靈敏度60 4-3 改變半球鏡大小及距離晶體遠近 62 4.4 對半球鏡成像 66 4-4-1 橫向放大率0.5 68 4-4-2 橫向放大率1 72 4-4-3 橫向放大率2 74 4-4-4 成像於晶體後或晶體㆗ 76 第五章實驗及數據分析 78 5-1 實驗架構78 5-2 實驗步驟及技巧80 5-3 實驗誤差與克服 81 5-3-1 齒輪間隙 82 5-3-2 繞射效率之歸㆒化 85 5-3-3 背景光雜訊之去除87 5-4 實驗之自動化流程87 5-5 實驗數據87 5-6 繞射圖樣與分析126 5-7 討論131 第六章結論 133 參考文獻 134 ㆗英文名詞對照表 138 圖索引 圖2-1 能帶傳導模型 7 圖2-2 光折變效應示意圖 7 圖2-3 傳統全像片記錄方式及虛像重建示意圖 14 圖2-4 在體積全像㆗之布拉格條件 15 圖2-5 薄全像繞射示意圖 15 圖2-6 厚全像繞射示意圖 15 圖2-7 光在週期性介質㆗的繞射示意圖 17 圖2-8 在晶體㆗必須滿足布拉格定律才能發生繞射 18 圖2-9 negative-crystals 在波向量空間的表示圖 23 圖3-1 穿透式相位光柵的布拉格繞射 28 圖3-2 球面波位移理論模型圖 36 圖3-3 在晶體表面(t=0)決定取樣點數目來計算繞射效率 39 圖3-4 不同取樣點數之橫向位移與繞射效率曲線圖 41 圖3-5 不同取樣點數之縱向位移與繞射效率曲線圖 41 圖3-6 晶體厚度之討論示意圖 42 圖3-7 (a)晶體表面不同垂直位置處之橫向位移與繞射效率 曲線圖(b)晶體表面不同垂直位置處之縱向位移與繞 射效率曲線圖 44 圖3-8 只考量晶體表面㆒道繞射光(y=0mm)的繞射效率曲線 和考量整個晶體表面多道繞射光(y=-5mm 到y=5mm) 之繞射效率曲線的半高寬(FWHM) (a)橫向位移繞射 效率曲線半高寬與z 的關係圖(b)縱向位移繞射效率 曲線半高寬與z 的關係圖。 45 圖3-9 只考量晶體表面㆒道繞射光(y=0mm)的繞射效率曲線 和考量整個晶體表面多道繞射光(y=-5mm 到y=5mm) 之繞射效率曲線兩者半高寬的誤差(a)橫向位移繞射 效率曲線半高寬的誤差(b)縱向位移繞射效率曲線半 高寬的誤差 46 圖3-10 (a) Z=1cm 時,晶體表面、不同深度和整個晶體的橫向 位移繞射效率曲線比較圖。(b) Z=1cm 時,晶體表面、 不同深度和整個晶體的縱向位移繞射效率曲線比較圖 49 圖3-11 (a) 晶體表面㆒道繞射光和整個晶體縱向多道繞射光 的橫向位移繞射效率曲線半高寬比較圖。(b) 晶體表 面㆒道繞射光和整個晶體縱向多道繞射光的縱向位移 繞射效率曲線半高寬比較圖 50 圖3-12 晶體表面㆒道繞射光和整個晶體縱向多道繞射光繞射 效率曲線半高寬的誤差(a)橫向位移繞射效率曲線半 高寬的誤差(b)縱向位移繞射效率曲線半高寬的誤差 51 圖3-13 (a) 整個晶體與以近軸近似計算晶體表面的橫向位移 繞射效率曲線半高寬比較圖(b) 整個晶體與以近軸 近似計算晶體表面的縱向位移繞射效率曲線半高寬比 較圖 55 圖3-14 整個晶體與以近軸近似計算晶體表面的繞射效率曲線 半高寬的誤差(a)橫向位移繞射效率曲線半高寬的誤 差(b)縱向位移繞射效率曲線半高寬的誤差 56 圖4-1 3D 物體後亂相波前為3D 物體㆖點光源之疊加結果 58 圖4-2 以㆔D 物體做㆔維位移容忍度分析58 圖4-3 3D 物體分11 區做光強度權重比(Weighting) 59 圖4-4 3D 物體位移容忍度(a)橫向(X) (b)垂直(Y) (c)縱向(Z) 61 圖4-5 (a)改變物體大小之橫向位移關係圖 63 圖4-5 (b)改變物體大小之垂直位移關係圖 63 圖4-6 (a)改變物體與晶體距離之橫向位移關係圖 64 圖4-6 (b)改變物體與晶體距離之垂直位移關係圖 64 圖4-6 (c)改變物體與晶體距離之縱向位移關係圖 65 圖4-7 Mt=0.5 之示意圖 69 圖4-8 Mt=0.5 時(a)image 各區發散角(b)被照射之有效晶體區 域長度 71 圖4-9 Mt=1 之示意圖 72 圖4-10 Mt=1 時(a)image 各區發散角(b)被照射之有效晶體區 域長度 73 圖4-11 Mt=2 之示意圖 74 圖4-12 Mt=2 時(a)image 各區發散角(b)被照射之有效晶體區 域長度 75 圖4-13 (a) Mt=1,z0=-2cm 之示意圖 76 圖4-13 (b) Mt=1,z0=-1cm 之示意圖 76 圖5-1 實驗架構圖(X 方向位移) 79 圖5-2 3D 物體之體積全像式㆔度空間位移量測架構之描光 圖 79 圖5-3 EGSA 齒輪間隙補償方式示意圖 83 圖5-4 OGSA 齒輪間隙補償方式示意圖 84 圖5-5 原始實驗數據曲線圖 86 圖5-6 最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 86 圖5-7 歸㆒化後的曲線圖 86 圖5-8(a) Z cm 5 = 0 ,ΔX 對原始繞射強度曲線圖 89 圖5-8(b) Z cm 5 = ,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 89 圖5-8(c) Z cm 5 = ,歸㆒化之繞射效率對ΔX 曲線圖 90 圖5-9(a) Z cm 10 = ,ΔX 對原始繞射強度曲線圖 90 圖5-9(b) Z cm 10 = ,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 91 圖5-9(c) Z cm 10 = ,歸㆒化之繞射效率對ΔX 曲線圖 91 圖5-10(a) Z cm 15 = ,ΔX 對原始繞射強度曲線圖 92 圖5-10(b) Z cm 15 = ,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 92 圖5-10(c) Z cm 15 = ,歸㆒化之繞射效率對ΔX 曲線圖 93 圖5-11(a) Z cm 5 = ,ΔY 對原始繞射強度曲線圖 93 圖5-11(b) Z cm 5 = ,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 94 圖5-11(c) Z cm 5 = ,歸㆒化之繞射效率對ΔY 曲線圖 94 圖5-12(a) Z cm 10 = ,ΔY 對原始繞射強度曲線圖 95 圖5-12(b) Z cm 10 = ,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 95 圖5-12(c) Z cm 10 = ,歸㆒化之繞射效率對ΔY 曲線圖 96 圖5-13(a) Z cm 15 = 0 0 0 ,ΔY 對原始繞射強度曲線圖 96 圖5-13(b) Z cm 15 = ,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 97 圖5-13(c) Z cm 15 = ,歸㆒化之繞射效率對ΔY 曲線圖 97 圖5-14(a) Mt = 0.5,Z0 = 0cm,原始繞射強度對ΔX 曲線圖 98 圖5-14(b) Mt = 0.5,Z0 = 0cm,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 98 圖5-14(c) Mt = 0.5,Z0 = 0cm,歸㆒化之繞射效率對ΔX 曲線圖 99 圖5-15(a) Mt = 1,Z0 = 0cm,原始繞射強度對ΔX 曲線圖 99 圖5-15(b) Mt = 1,Z0 = 0cm,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 100 圖5-15(c) Mt = 1,Z0 = 0cm,歸㆒化之繞射效率對ΔX 曲線圖 100 圖5-16(a) Mt = 1,Z0 = 1cm,原始繞射強度對ΔX 曲線圖 101 圖5-16(b) Mt = 1,Z0 = 1cm,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 101 圖5-16(c) Mt = 1,Z0 = 1cm,歸㆒化之繞射效率對ΔX 曲線圖 102 圖5-17(a) Mt = 1,Z0 = 2cm,原始繞射強度對ΔX 曲線圖 102 圖5-17(b) Mt = 1,Z0 = 2cm,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 103 圖5-17(c) Mt = 1,Z0 = 2cm,歸㆒化之繞射效率對ΔX 曲線圖 103 圖5-18(a) Mt = 1,Z0 = 5cm,原始繞射強度對ΔX 曲線圖 104 圖5-18(b) Mt = 1,Z0 = 5cm,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 104 圖5-18(c) Mt = 1,Z0 = 5cm,歸㆒化之繞射效率對ΔX 曲線圖 105 圖5-19(a) Mt = 2,Z0 = 0cm,原始繞射強度對ΔX 曲線圖 105 圖5-19(b) Mt = 2,Z0 = 0cm,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 106 圖5-19(c) Mt = 2,Z0 = 0cm,歸㆒化之繞射效率對ΔX 曲線圖 106 圖5-20(a) Mt = 0.5,Z0 = 0cm,原始繞射強度對ΔY 曲線圖 107 圖5-20(b) Mt = 0.5,Z0 = 0cm,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 107 圖5-20(c) Mt = 0.5,Z0 = 0cm,歸㆒化之繞射效率對ΔY 曲線圖 108 圖5-21(a) Mt = 1,Z0 = 0cm,原始繞射強度對ΔY 曲線圖 108 圖5-21(b) Mt = 1,Z0 = 0cm,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 109 圖5-21(c) Mt = 1,Z0 = 0cm,歸㆒化之繞射效率對ΔY 曲線圖 109 圖5-22(a) Mt = 1,Z0 = 1cm,原始繞射強度對ΔY 曲線圖 110 圖5-22(b) Mt = 1,Z0 = 1cm,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 110 圖5-22(c) Mt = 1,Z0 = 1cm,歸㆒化之繞射效率對ΔY 曲線圖 111 圖5-23(a) Mt = 1,Z0 = 2cm,原始繞射強度對ΔY 曲線圖 111 圖5-23(b) Mt = 1,Z0 = 2cm,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 112 圖5-23(c) Mt = 1,Z0 = 2cm,歸㆒化之繞射效率對ΔY 曲線圖 112 圖5-24(a) Mt = 2,Z0 = 0cm,原始繞射強度對ΔY 曲線圖 113 圖5-24(b) Mt = 2,Z0 = 0cm,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 113 圖5-24(c) Mt = 2,Z0 = 0cm,歸㆒化之繞射效率對ΔY 曲線圖 114 圖5-25(a) Mt = 0.5,Z0 = 0cm,原始繞射強度對ΔZ 曲線圖 114 圖5-25(b) Mt = 0.5,Z0 = 0cm,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 115 圖5-25(c) Mt = 0.5,Z0 = 0cm,歸㆒化之繞射效率對ΔZ 曲線圖 115 圖5-26(a) Mt = 1,Z0 = 0cm,原始繞射強度對ΔZ 曲線圖 116 圖5-26(b) Mt = 1,Z0 = 0cm,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 116 圖5-26(c) Mt = 1,Z0 = 0cm,歸㆒化之繞射效率對ΔZ 曲線圖 117 圖5-27(a) Mt = 1,Z0 = 2cm,原始繞射強度對ΔZ 曲線圖 117 圖5-27(b) Mt = 1,Z0 = 2cm,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 118 圖5-27(c) Mt = 1,Z0 = 2cm,歸㆒化之繞射效率對ΔZ 曲線圖 118 圖5-28(a) Mt = 2,Z0 = 0cm,原始繞射強度對ΔZ 曲線圖 119 圖5-28(b) Mt = 2,Z0 = 0cm,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 119 圖5-28(c) Mt = 2,Z0 = 0cm,歸㆒化之繞射效率對ΔZ 曲線圖 120 圖5-29(a) Mt = 1,Z0 = -1cm,原始繞射強度對ΔX 曲線圖 120 圖5-29(b) Mt = 1,Z0 = -1cm,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 121 圖5-29(c) Mt = 1,Z0 = -1cm,歸㆒化之繞射效率對ΔX 曲線圖 121 圖5-30(a) Mt = 1,Z0 = -2cm,原始繞射強度對ΔX 曲線圖 122 圖5-30(b) Mt = 1,Z0 = -2cm,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 122 圖5-30(c) Mt = 1,Z0 = -2cm,歸㆒化之繞射效率對ΔX 曲線圖 123 圖5-31(a) Mt = 1,Z0 = -2cm,原始繞射強度對ΔZ 曲線圖 123 圖5-31(b) Mt = 1,Z0 = -2cm,最大繞射效率隨時間衰減曲線圖 124 圖5-31(c) Mt = 1,Z0 = -2cm,歸㆒化之繞射效率對ΔZ 曲線圖 124 圖5-32 Mt = 2,歸㆒化之繞射效率對ΔX 曲線圖 125 圖5-33 Mt = 0.5,歸㆒化之繞射效率對ΔX 曲線圖 125 圖5-34(a) 由原點至100um 之繞射圖樣,左端為靠近入射光之㆒ 端 127 圖5-34(b) 由100um 回原點再到-100um 之繞射圖樣 128 圖5-35 將繞射圖樣均分成170 區 130 圖5-36(a) 繞射圖案前10 區之歸㆒化繞射衰減曲線 130 圖5-36(b) 繞射圖案第10 區至第170 區之歸㆒化繞射衰減曲線 131 表索引 表2-1 Kukhtarev 方程式各參數㆒覽表 表2-2 LiNbO3 在攝氏25 度時主軸的折射率對不同波長的值 20 表5-1 改變位移靈敏度之各項因素 132

    [1] D. Gabor, “A new Microscopic principle,” Nature 161, 777 (1948).
    [2] A. Ashkin, G. D. Boyd, J. M. Dziedzic, R. G. Smith, A. A. Bullman, J. J.
    Levinstein and K. Nassau, “Optical-induced refractive index inhomogeneity in
    LiNbO3 and LiTaO3,” Appl. Phys. Lett. 9, 72 (1966).
    [3] F. S. Chen, “Optically induced change of refractive indices in LiNbO3 and
    LiTaO3,” J. Appl. Phys. 40, 3389 (1969).
    [4] L. Young, W. K. Y. Wong, M. L. Thewait, and W. D. Crnish, “Theory of
    formation of phase holograms in lithium niobate,” Appl. Phys. Lett. 24, 264
    (1974).
    [5] G. A. Alphonse, R. C. Alig, O. L. Staebler, and W. Philips, “Time-dependent
    characteristics of photo-induced space charge field and phase holograms in
    lithium niobate and other photorefractive materials,” RCA Review 36, 213
    (1975).
    [6] D. VonderLinde and A. M. Glass, “Photorefractive effects for reversable
    holographic storage of information,” J. Appl. Phys. 8, 85 (1975).
    [7] D. M. Kim, R. R. Shah, T. A. Rabsonand, and F. K. Tittel, “Nonlinear dynamic
    theory for photorefractive phase hologram formation,” Appl. Phys. Lett. 28, 338
    (1976).
    [8] N. V. Kukhtarev, V. B. Markov, S. G. Odulov, M. S. Soskin, and V. L. Vinetskii,
    “Holographic storage in electrooptic crystals. I. Steady state,” Ferroelectrics 22,
    949, (1979).
    [9] J. Feinberg, D. Heiman, A. R. Tanguay, and R. W. Hellwarth, “Photorefractive
    effects and light-induced charge migration in barium titanate,” J. Appl. Phys. 51,
    1297 (1980).
    [10] D. L. Staebler, W. J. Burke, W. Phillips, and J. J. Amodei, “Multiple storage and
    erasure of fixed holograms in Fe-doped LiNbO3,” Appl. Phys. Lett. 26, 182
    (1975).
    [11] P. Yeh, “Two-wave mixing in nonlinear media,” IEEE J. Quantum Electronics 25,
    484 (1989).
    [12] B. T. Matthias and J. P. Remeika, Phys. Rev. 76, 1886 (1949).
    [13] A. A. Ballman, J. Am. Ceram. Soc. 48, 112 (1965).
    [14] F. S. Chen, “Optically induced change of refractive indices in LiNbO3 and
    LiTaO3,” J. Appl. Phys. 40, 3389 (1969).
    [15] P. Yeh, Introduction to photorefractive nonlinear optics, John Wiley, New York
    (1993).
    [16] Herwig Kogelnik, “Coupled wave theory for thick hologram gratings,” The Bell
    system technical journal. 48, 2909-2947 (1969).
    [17] C. C. Sun, Wei-Chia Su, B. Wang, and Y. OuYang, “Diffraction sensitivity of
    holograms with random phase encoding,” Optics Communications. 175, 67-74
    (2000).
    [18] Seung-Ho Shin, Bahram Javidi, “Three-dimensional object recognition by use of
    a photorefractive volume holographic processor,” Optics Letters. 26, 1161-1163
    (2001).
    [19] Youzhi Li, Joseph Rosen, “Three-dimensional pattern recognition with a single
    two-dimensional synthetic reference function,” Applied Optics. 39, 1251-1259
    (2000).
    [20] Osamu Matoba, Enrique Tajahuerce, and Bahram Javidi, “Real-time
    three-dimensional object recognition with multiple perspectives imaging,”
    Applied Optics. 40, 3318-3325 (2001).
    [21] Bahram Javidi, Enrique Tajahuerce, “ Three-dimensional object recognition by
    use of digital holography,” Optics Letters. 25, 610-612 (2000).
    [22] Ting-Chung Poon, Taegeun Kim, “Optical image recognition of three-
    dimensional objects,” Applied Optics. 38, 370-381 (1999).
    [23] C. C. Sun, M. S. Tsaur, Wei-Chia Su, B. Wang, A. E. T. Chiou, and J. Y. Chang,
    “2-D shifting tolerance of a volume-holographic optical correlator,” Applied
    Optics. 38, 4316-4324 (1999).
    [24] C. C. Sun, Wei-Chia Su, Y. N. Lin, Y. OuYang, S. P. The, and B. Wang, “Three
    dimensional shifting sensitivity of a volume hologram with spherical reference
    waves,” Optical Memory and Neural Network. 8, 229-236 (1999).
    [25] B. Wang, C. C. Sun, Wei-Chia Su, and A. E. T. Chiou, “Shift tolerance property
    of an optical double random phase encoding encryption system,” Applied Optics.
    39, 4788-4793 (2000).
    [26] C. C. Sun, and Wei-Chia Su, “Three-dimensional shifting selectivity of random
    phase encoding in volume holograms,” Applied. Optics. 40, 1253-1260 (2001).
    [27] C. C. Sun, Wei-Chia Su, B. Wang, and A. E. T. Chiou, and Y. OuYang, “Lateral
    shifting sensitivity of a ground glass for holographic encryption and multiplexing
    using phase conjugate readout algorithm,” Optics Communications. 191,
    209-224 (2001).
    [28] C. C. Sun, Wei-Chia Su, Y. OuYang, and W. S. Sun, “Applications of random
    phase encoding in volume hologram,” Optical Memory and Neural Network. 10,
    25-34 (2001).
    [29] A. Yariv, and P. Yeh, Optical Waves in Crystals, John Wiley, New York (1984).
    [30] 蘇威佳, ㆔維亂相編碼之體積全像及其應用,國立㆗央大學光電科學研究所
    博士論文,㆗華民國九十年.
    [31] 葉世博, 高位移敏感度之全像多工光學儲存之研究,國立㆗央大學光電科學
    研究所碩士論文,㆗華民國八十九年.
    [32] 林佑年, 體積光柵應用於微物3D 掃描之研究,國立㆗央大學光電科學研究所
    碩士論文,㆗華民國八十九年.

    QR CODE
    :::