非相干同轴数字全息成像系统研究

非相干全息术可以利用非相干光源获得物体的全 息图。利用迈克尔逊干涉仪搭建了非相干同轴数字 全息成像系统,利用菲涅尔衍射理论分析系统的点扩散函数(PSF),使用CCD 记录全息图并在计算机中进行数值 重建,研究广义相移数字全息干涉术在非相干同轴数字全息成像系统中的应用。结果表 明,基于迈克 尔逊干涉仪的非相干同轴数字全息成像系统可以实现白光光源照明下物体全息图的快速记录 ,三步广义相 移数字全息干涉术应用于系统,能够克服使用移相器的非相干同轴数字全息术对系统稳定 性要求较高的 缺点,可以去除孪生像和零级像,获得清晰的数值重建像。本文系统的横向放大率为1.6倍 时,分辨率可达45lp/mm。     

非相干数字全息自适应光学波前校正特性研究

非相干数字全息自适应光学是一种新型的自适应波前探测和校正的技术。它利用全息图可以完整记录光波场的特性进行波前探测,结合适当的数值再现算法对光波前像差进行校正。基于菲涅耳非相干相关数字全息术(FINCH),从理论上阐明了非相干数字全息自适应的基本原理,并给出了数值仿真结果。采用改进的迈克耳孙干涉仪光路配置,分别记录待观测物体与引导星的全息图,利用引导星全息图的复共轭对待测物光波进行波前校正,从实验上定量地研究了引导星尺寸、选取位置对波前校正效果的影响,在系统各光学元件给定的情形下,明确了引导星选择的空间和系统等晕区范围,实现了良好的波前校正效果。     

自干涉非相干全息成像系统分辨率

基于拉格朗日不变量法则,与经典光学成像系统分辨率对照,分别对自干涉非相干数字全息(SIDH)成像系统的横向以及轴向分辨率展开讨论。通过系统放大率及点扩展函数半峰全宽的计算,从理论上给出系统横向和轴向分辨率,以及系统分辨本领判断准则的具体数学表达式。并与经典光学成像系统对比,指出当全息记录面位于来自物光点的两束球面光波光斑的完全重合处时,自干涉非相干全息成像系统的横向超分辨率提高了一倍。引入压缩感知数值重构算法改善系统轴向分辨率,并给出相应的数值模拟及实验结果。研究结果对自干涉非相干数字全息术在成像、测量以及光路设计方面具有重要的指导意义。     

一种相位型再现元件—相息图

一、引言 近年来,全息术中出现的一个重要方面——计算机产生全息图,发展很快,具有广泛的应用前景。与计算机产生全息图相类似的一种相位型再现元件——相息图是一种不引入参考束,假设在整个记录平面内光波振幅为常数的条件下,直接记录光波相位的元件。这样只需要计算出记录平面内各点物光波的相位值,并且设法实现相位匹配。所谓相位匹配,那就是一束平行光透过相息图后波前被调制成原物体光波的波前,亦即再现出原始的物体光波。这种相位型再现元件称Kinoform,我们称为相息图。根据工作方式的不同,相息图可以制成反射式或者同轴透射式,并且可以用非相干(空间非相干)光再现。     

计算机与光学相结合的动态彩虹全息研究

提出一种将数字全息术和传统光学全息结合的方法制作动态全息图。首先通过三维扫描仪获得实际三维物体不间姿态的物光分布数据,然后利用计算机全息技术获得高质量的二步彩虹中的主全息图H1,最后再用光学的方法得到彩虹全息图。该技术充分利用了计算全息技术的灵活性,同时解决了视角和白光再现的问题,获得了较好的实验结果。     

计算机制作平板型周视彩虹全息

利用计算机制作全息图简洁和灵活性,在光学周视彩虹全息的基础上提出了计算周视平板彩虹全息。在菲涅耳衍射理论的近似框架下,从理论推导出基元周视全息的物光分布。实际物体在记录面上的物光分布可以看成是物体上所有物点的基元周视全息物光分布的叠加。根据这一原理,模拟光学全息原理,计算出物体周视全息的物光和参考光的干涉条纹,从而获得平板周视全息图。该方法克服了光学平板周视全息在制作光路上的复杂性,使得周视全息图的制作简便易行。给出了实验证明。     

反射式同轴非相干数字全息显微成像系统研究

当前,数字全息显微主要采用相干性好的激光作为光源,对设备及环境条件要求较高,且会在全息图中引入大量的散斑噪声和寄生干涉条纹。基于非相干光照明下的数字全息可以很好地解决以上问题。采用非相干光作为光源,空间光调制器和CCD组成非相干干涉仪作为全息记录模块,从波动光学角度分析了该模块的记录及再现原理,给出了系统的点扩展函数、横向放大率和再现距离。采用该模块结合物镜搭建了反射式同轴非相干数字全息显微成像系统。利用该系统对分辨率板成像,获得与传统宽场光学显微镜相当的空间分辨率。对300~500μm单颗粒金刚钻进行全息拍摄,在不同平面实现了数字聚焦。结果表明,该系统可以快速获取微小物体的三维空间信息,在医学检测、材料分析等领域具有广阔的应用前景。     

高图像配准精度的非相干数字全息彩色成像

菲涅耳非相干相关全息是一种能记录非相干物体全息图的新型技术,在生物医学成像和三维遥感领域具有重要应用前景。针对高光谱成像过程中图像融合配准困难的问题,文中利用空间光调制器的可编程特性,设计并制作了波长分别为492、562、672 nm的三组焦距恒定的双透镜相位掩模,依次调用三种波长的掩模并记录对应波长下物体的全息图。由于三色记录光经对应波长掩模调制后在CCD表面汇聚的光斑位置及尺寸均相同,因此,全息图重建后获得的重建图像具有相同的横向放大率,可提高图像融合时的配准精度,免去繁杂的光谱图像空间配准算法,真正实现了全息彩色成像的高精度配准和实时融合。采用该系统记录骰子的全息图,经数值重建及色彩融合后得到了颜色重建性较好的彩色三维像。     

利用传统全息片实现合成孔径数字全息的研究

分析了传统全息片的微观结构,介绍了细光束成像和合成孔径数字全息记录、再现的基本原理,研究了利用传统方法拍摄的散射物体透射式、振幅型全息片实现合成孔径数字全息的方法,给出了实验结果。理论分析和实验结果表明,利用传统透射式、振幅型全息片,通过光学显微镜放大制作子数字全息图和合成孔径数字全息图,经计算机处理是可以得到完整再现像的,其性质与细激光束照射成像一致。用子全息图再现像的复振幅叠加方法和采用子全息图再现像的强度叠加方法均可实现合成孔径数字全息图的再现,且强度叠加方法的视觉效果要好些,但它们对缩小再现像中散斑的尺寸没有帮助。用子全息图拼接成的合成孔径全息图得到的再现像效果最好,可以缩小再现像中散斑的尺寸,信噪比、分辨率均有提高。要得到更好的再现像,需要用更多的子数字全息图拼接成尺寸更大的合成孔径数字全息图。     

复杂物体离轴-同轴复合数字全息高分辨率成像

当被测物体不满足稀疏条件时,传统同轴数字全息相位恢复方法无法消除共轭像的干扰,也无法获得正确的相位重建结果;而离轴数字全息受最小记录距离的限制分辨率较低。为此,提出了一种将离轴和同轴数字全息相结合的复合数字全息成像方法。该方法只需记录一幅离轴全息图和一幅同轴全息图;采用约束最优化算法从离轴全息图中得到记录平面内物光波的近似相位分布;将此相位信息与同轴全息图的强度信息合成记录面内物光波复振幅的初始值;再利用迭代算法实现物体强度像和相位像的高分辨率重建,该方法的理论分辨率与图像传感器的分辨率相同。实验结果表明,该方法可以充分利用图像传感器的空间带宽积,能在对复杂物体成像时消除共轭像,实现大视场、高分辨率数字全息成像,实验成像分辨率接近理论分辨率。     

非相干同轴数字全息显微成像研究

采用非相干光作 为光源,空间 光调制器(SLM)和CCD组成非相干干涉仪作为全息记录模块,结合物镜搭建了非相干同轴数 字全息显微成像 系统。采用该系统对分辨率板成像,实现了512lp/mm的空间分辨率 ,并对系统放大率进行了标定。用草本 植物茎横切细胞作为测试样品,完成了生物细胞显微观察实验,将数字全息显微术的应用范 围从相干光扩展到了非相干光领域,推进非相干数字全息显微术的应用研究。     

基于迈克耳孙干涉仪的非相干数字全息显微成像

采用基于迈克耳孙干涉仪的非相干数字全息显微成像系统能够得到物体在非相干光照明下的全息图。对基于迈克耳孙干涉仪的非相干数字全息显微成像系统进行了理论和实验研究。利用标量衍射理论计算了该系统在记录过程中的点扩展函数,获得了系统横向放大率及重建距离的具体表达式。搭建了基于迈克耳孙干涉仪的非相干数字全息显微成像系统的实验光路,利用CCD记录全息图,用广义相移数字全息干涉术去除孪生像与零级像,并用角谱算法得到了清晰的重建像。实现了分辨率板和洋葱表皮细胞等样品的非相干全息显微成像,验证了该系统的可行性。分辨率板的成像实验表明,该系统的横向分辨率可达512lp/mm。微米洁面刷软毛的成像实验表明,该系统具有呈现物体三维结构的特性。     

基于空间光调制器的一步相移同轴数字全息

提出了一种基于空间光调制器的一步相移同轴数字全息术,该技术利用空间光调制器相位调制特性一步实现参考光四种相位延迟,获取含有四种相移信息的单幅复合数字全息图。数值模拟和预研实验表明,复合数字全息图经过插值和再现运算后,再现物波中的零级和共轭像被有效地去除,再现图像清晰。相比于时间相移全息术仅能研究静态物体的局限性,基于空间光调制器的一步相移数字全息术可用于实时记录和表征物体动态变化特性,在生物细胞活体观测、粒子场动态测量等领域有着广泛的应用前景和研究价值。     

利用全息光学元件作为分束器的非相干显微全息术

在全息显微术中，有两种方法是值得探讨的：一种是用光学系统首先产生一个放大像，另一种是先记录显微物体的全息图，然后再进行放大重现。本文介绍第一种方法，它与目前显微术的区别在于：在光路中使用了合适的光学元件作为分束器，让参考光束通过显微镜光学元件从输入面传输到输出面，避免了由于振动带来的不利影响、并且还可使用特殊的非相干多色光（时间相干长度约6μm）记录全息。     

数字全息显微中的准直光再现

为了准确重建微小物体三维物场,采用理论分析与计算机模拟相结合的方法,研究了如何用准直光重建大数值孔径数字全息图,分析了用球面参考光波再现失效的原因,得到了位相重建的表达式;分析了由于记录距离和参考点源偏置的测量误差而导致位相重建像的畸变,作了计算机模拟验证。结果表明,对于强度重建,只要能够记录高质量的全息图,就可以得到准确的再现结果;而对于三维物场重建,只有准确测量记录距离和参考点源的偏置,才能得到准确的再现结果;由于距离的测量误差,导致再现光波场的位相分布出现了二次函数调制畸变,因此,实验过程中精确测量这两个参量是至关重要的。     

合成孔径数字全息的记录、再现及实现

介绍了合成孔径数字全息记录和再现的基本原理，提出了相应的实现方法和技术方案。特别对合成孔径数字全息再现中的两类方法：用单参考光记录的子全息图数字再现光场复振幅叠加或强度叠加，以及用多参考光记录的子全息图数字再现光场复振幅叠加或强度叠加方法进行了详细理论分析和实验研究。结果表明，合成孔径技术是一种提高数字全息再现像的分辨率的有效方法。与传统的子全息图直接拼接的合成孔径数字全息再现方法相比，用子数字全息图再现光场复振幅叠加或强度叠加两种再现方法均可实现合成孔径数字全息的再现，并可显著提高再现像的分辨率，但强度叠加方法的记录和再现难度远小于前者。在实际中可以根据解决问题的要求和子数字全息图的记录情况选用。     

迂回相位编码的傅里叶变换计算全息图及其再现

光学全息图直接利用光学干涉法在记录介质上记录物光波和参考光波叠加后形成的干涉图样,而采用计算全息(CGH)的方法可不借助参考光直接记录物光波的复振幅信息。如果对迂回相位编码的全息图再进行一次逆的快速傅里叶变换,则可由计算机模拟完成物光波的全息图再现。试验结果也验证了该方法的可行性。     

利用激光全息干涉法测量微小机械变形方向

提出用可分离双参考光两次曝光全息测量物体变形方向的方法。设计的光路系统用两个平面反射镜将一束扩展激光束分成两束参考光和一束物光,籍此记录物体变形下的可分离双参考光两次曝光全息图。该全息图再现的两个像的图层可以被分离,再现的全息干涉图上的条纹可通过改变曝光次序和微位移再现参考光虚点光源的位置而移动。物体变形方向、干涉条纹移动方向和反射镜位移方向以及曝光次序之间有确定的关系。该干涉图含有物体变形方向和位移数值两种信息。从理论上重点分析了物体变形方向信息所遵循的基本规律,并由此得出了测量物体变形方向的方法。最后给出了实验结果。实验表明提出的方法和理论是正确的,物体变形方向的检测正确率可达100%。     

预放大离轴菲涅耳数字全息显微技术

预放大离轴全息方法引入了高数值孔径显微物镜,放大了物体的精细结构,使得全息图的信息量更容易与CCD的抽样能力相匹配,与同轴全息显微技术相比,只需拍摄一张全息图,操作简单,具有良好的应用价值.依据全息理论和菲涅耳衍射理论,推导出预放大离轴菲涅耳全息显微系统中CCD记录面的二维光波信息.设计了采用平面光波作为参考光的透射式数字全息显微系统,并对系统分辨率进行了分析.利用该系统对新鲜的洋葱细胞样本和百合的茎细胞样本进行了实验研究,得到了其高分辨率的再现像.     

多三维物体菲涅耳变换数字实现方法

提出一种在同一张全息图上记录多个三维物体菲涅耳衍射分布的数字化编解码方法。首先利用一次快速傅里叶变换算法计算三维物体全息面上的物光波复振幅分布;然后对物光波数据预处理以克服频谱面上各三维物体数字频谱的混叠问题;最后控制不同的载频系数制作计算全息干涉图。数字再现通过在全息图数字频谱面的特定位置提取有效频谱分量,再计算离散菲涅耳逆变换的方法实现各原始三维物体的数字重建。仿真实验结果表明所提出的方法实现了不同制作参数的多个三维物体的同时记录,并且具有良好的数字再现质量,全息图制作参数如波长、再现距离、载频系数还可作为密钥,实现多个三维物体的加密存储。