基于全变差重构算法的数字全息研究

为了消除传统算法对数字全息重构过程中会出现0级像、共轭像干扰的问题,将压缩感知理论与数字全息图再现相结合,提出了基于全变差的两步迭代收缩阈值重构算法（TwIST）,并应用于数字全息图压缩感知全息图重建。 TwIST算法根据重构成分的特点增加正则约束,对相应的形态进行调整,在满足全变差最小的特性的基础上进行重构,提高了重构全息图的质量。结果表明,TwIST算法可以对数字全息图稀疏重建,利用35%的部分全息图数据进行图像重构,重构图像峰值信噪比为36.46dB,且没有0级像和共轭像等干扰。该研究结果对实现计算全息的实时性具有重要的意义。     

非相干光照明数字全息实验研究

搭建了基于空间光调制器的非相干光照明全息记录系统,建立了系统的波动数学模型,获得了系统的点扩展函数、横向放大率以及再现距离的具体表达式。实验给出了分辨率板的相移数字全息图和重建像,然后对两个非荧光骰子进行全息拍摄,在不同平面实现了数字聚焦。给出了该系统下的彩色全息实验结果。结果表明这种非相干光照明全息系统可以快速获取三维物体的全息图,再现时结合相移算法可以得到无零级像和共轭像的高质量重建像。     

非相干光自干涉数字全息成像技术研究

采用了一种基于Michelson干涉仪的非相干光自干涉数字全息成像系统,利用该系统记录了USAF1951分辨率板、洋葱表皮细胞、草本植物茎横切的全息图,采用三步广义相移法对所记录的全息图进行数值重建,消除零级像和共轭像后,获得了高分辨率的重建像。重建后的USAF1951分辨率板的第九组第三线对可以清晰地被看到,分辨率可达645 lp/mm。通过分析重建图像质量与衍射距离的关系,研究衍射距离对重建图像质量的影响。通过对头发全息图的重建,证明了该系统可以实现对三维物体全息图的记录和重建。     

离轴数字全息零级像和共轭像的消除方法

为了提高离轴数字全息图的再现像质量,提出了一种消除离轴数字全息零级像和共轭像的方法。该方法通过对参考光进行一次π相移、记录两幅全息图,对两幅全息图作差后进行傅里叶变换,结合频谱滤波的方法用矩形窗函数从中滤出包含有物光波频率成分的频谱,然后对其进行数字再现。结果表明,在零级像和±1级像有重叠的情况下,该方法能有效地消除零级像和共轭像的干扰,有效提高再现像质量。     

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。     

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。     

希尔伯特变换在同轴数字全息再现中的应用

为了克服2步数字全息需要记录多幅图像且在进行相移时理论相移值和实际相移值总存在误差的缺点,提出了一种用单幅同轴数字全息图再现物体真实像的方法。该方法利用希尔伯特变换可以实现数字相移并且可同时滤除直流分量的特点,通过对记录的全息图进行两次希尔伯特变换,即可依次得到没有0级分量的相移量为π/2的全息图和无相移的全息图,然后运用2步相移数字全息处理方法即可再现出原物体的像。结果表明,该方法能很好地再现原物体的像。     

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。     

基于圆偏振光干涉的相移数字全息术理论与实验研究

提出一种基于圆偏振光干涉的相移数字全息术,该技术利用1/4波片产生左旋圆偏振的参考光和右旋圆偏振的物光,通过精确旋转放置在CCD前的偏振片,依次改变物光与参考光间的相位差,获得四幅相移数字全息图。数值模拟分析和光学实验结果表明该技术能够有效地去除数字全息图再现像中的零级和共轭像,再现图像质量好。     

CCD和电寻址液晶在全息位移测量中的应用

将CCD与电寻址液晶(EALCD)相结合,CCD作为记录介质,用于全息图和全息再现像的记录,EALCD则代替传统光学全息中曝光后的全息干板,用于数字全息图的再现。这种方法不仅避免了传统全息记录材料显影、定影等过程,也避免了全息材料非线性记录等缺点,并可以实现普通的数字全息较难实现的基于相位移法的位移测试。利用双曝光数字全息干涉法,在实验中对反射式被测物体生成的菲涅耳全息图进行了光学再现,并得到了准确的数据,验证了该方法的实用性。实验结果表明,CCD与EALCD相结合,可以实现数字全息图的光学再现,通过获得的干涉条纹,可精确测定物体位移量。     

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。     

基于压缩感知的数字全息成像技术

提出一种基于压缩感知理论和数字全息术的数字全息压缩成像技术。通过传统相移数字全息技术获取干涉图样,将干涉同样投影到测量矩阵上,通过计算內积直接获取全息压缩数据。这些数据经过传统通信信道传输后,利用压缩感知重构算法获得原始全息数据,然后经过菲涅尔逆变换得到原始图像。实验仿真结果证明了这种压缩全息成像方法的可行性。     

基于任意相移量的4步相移数字全息新方法

为了研究相移数字全息中的相移量计算问题,从菲涅耳衍射和全息理论出发,对相移离轴无透镜傅里叶变换数字全息的记录和再现进行了分析,推导了基于任意相移量的4步相移数字全息图的光场表达式,提出了一种利用相位相减计算任意相移量的新方法,并进行了相应的实验验证,得到了预期效果.结果表明,该方法与传统的4步相移方法相比,不需要对相移器进行严格标定,也能有效地消除数字全息再现光场中的0级衍射和共轭像,提高再现像的信噪比,因此,这对降低测量系统的复杂性,促进4步相移数字全息的发展是有帮助的.     

一种提高粒子再现像对比度的方法

在对3维粒子场全息图的数值重构过程中,为了提高和改善聚焦粒子再现像的对比度,减小直透光、孪生像以及离焦粒子像的影响,采用了1种数值处理方法,通过对数值重构出的2个聚焦与非聚焦面上粒子复振幅相减,可以将直透光、孪生像和离焦粒子像对聚焦粒子的影响同时减小,并给出了简要理论以及仿真、实验结果。结果表明,在同轴数字全息层析再现粒子场过程中,该方法适用于在某一聚焦面仅显示聚焦粒子;此外,该过程仅需要一张全息图,而且不需要对全息图做预前和后期处理。     

数字离轴无透镜傅里叶变换全息重建方法研究

为了提高再现像质量,对数字全息常见算法进行了比较研究.根据全息理论和线性系统理论,研究了利用菲涅耳近似法和基于瑞利-索末菲衍射积分的卷积法数值重建离轴无透镜傅里叶变换全息的方法,并做了计算机模拟.结果表明,在记录距离很短的情况下,尽管记录距离不满足通常的菲涅耳近似条件,菲涅耳近似公式仍然成立;自由空间脉冲响应的快速傅里叶变换在不同的记录距离性质不同,由瑞利-索末菲衍射积分利用卷积方法得到的再现像质不理想;对于离轴无透镜傅里叶变换全息显微来说,菲涅耳近似重建方法优于卷积方法.     

数字全息再现像的细节显示和视觉畸变矫正

在分析数字全息系统的最小分辨距离和再现像平面上的采样间隔的基础上，提出了一种在用菲涅耳变换法再现数字全息图时，能清楚显示再现像细节的简单方法，这种方法能有效地提高再现场的显示分辨率。通过给由CCD记录的数字全息图补零，可使再现像平面上采样间隔减小，使再现像具有更多的像素，得到保留了更多记录信息的高质量再现像。用同样的方法，也可以矫正由于CCD靶面尺寸在水平和竖直方向上的不一致造成再现像的视觉畸变。实验结果表明此方法有很好的效果。     

用相位分析方法测量振动物体的振幅分布

传统的时间平均全息术通过对再现像光强分布的测量来实现振幅分布的检测,但由于受噪声等因素的影响往往得不到满意的结果。注意到调制时间平均全息再现像光场的第一类零阶贝塞尔函数的相位只有0和p两个取值,借助数字全息可以计算再现光场的相位,继而利用该相位确定物体的振幅分布。实验结果表明,该方法检测振动物体的振幅分布可行并更为准确。