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。     

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。     

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。     

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。     

基于像面数字全息术的中药饮片细胞定量成像技术研究

细胞三维定量成像为中药饮片显微鉴别提供了新方法。为了提高数字全息显微成像质量,采用理论分析与实验验证相结合的方法,对球面参考光像面数字全息显微术的记录和再现过程进行了研究,提出了利用标准分辨率测试板对系统放大倍数、物距等参数进行标定的方法;并利用实验结果对两种常见的相位解包裹方法进行了对比。结果表明:球面参考光像面数字全息图不仅具有较高的信息容量,而且再现过程非常简单,还可以在记录过程中实时观察被记录样品的情况,并选择恰当的被记录区域。利用美国空军分辨率测试板的强度再现像就可以对全息成像系统的放大倍数等参数进行精确标定;利用基于横向剪切的最小二乘解包裹方法可以得到具有较大纵深细胞的准确相位;采取边缘识别技术,可以提高细胞再现像显示效果。     

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。     

基于计算全息的全视差合成全息研究

文中进行了一种新型三维全息图的制作方法研究,该方法基于计算全息原理,与合成全息相结合,实现激光三维全息图的直写打印制作。首先进行了菲涅耳计算全息图的实验,表明计算全息与合成全息结合的可行性与合理性。然后根据合成全息原理与计算全息原理对三维模型进行采样和图像变换处理,再计算出相应的菲涅耳计算全息图,借助数字全息激光打印系统完成三维全息图的拍摄,在激光下进行光学再现,最后对再现结果进行了分析与讨论。     

多平面数字全息显微成像技术研究

为了同时获得多个平面的数字全息显微再现图像以延拓成像空间深度,提出一种多平面数字全息显微成像法。将预先设定参数的二次扭曲位相因子作用于实验记录的数字全息图,只需一次菲涅耳重建便可同时获得多个成像平面的清晰再现图像。首先依据菲涅耳成像系统的传递函数,推导了采用二次扭曲位相因子的成像传递函数,确定参数频域滤波的选取规则;然后将实验得到的数字全息图像进行频域滤波以消除直透光和共轭像;最后将二次扭曲位相因子作用于滤波后的全息图进行菲涅耳重建。与其他方法相比较,本方法只需一次重建就能同时得到多个平面的聚焦像,且重建距离可以任意选择,再现图像不受直透光和共轭像干扰。     

基于灰度相关的数字全息孔径合成方法

为了研究数字全息中孔径合成问题,采用理论分析与实验验证的方法,通过介绍合成孔径数字全息记录和再现的基本原理,指出在合成孔径数字全息系统中,准确拼接合成子全息图是系统获得高分辨率的重要因素。提出了一种基于图像灰度分布相关的算法用以解决子全息图的准确拼接以实现孔径合成,介绍了该算法的原理,分析了该算法精度并进行了相应的实验验证,得到了预期成果。结果表明,该算法能较好地解决子全息图的拼接合成问题,在合成孔径数字全息系统中具有较好的适用性。     

基于灰度相关的数字全息孔径合成方法

为了研究数字全息中孔径合成问题,采用理论分析与实验验证的方法,通过介绍合成孔径数字全息记录和再现的基本原理,指出在合成孔径数字全息系统中,准确拼接合成子全息图是系统获得高分辨率的重要因素.提出了一种基于图像灰度分布相关的算法用以解决子全息图的准确拼接以实现孔径合成,介绍了该算法的原理,分析了该算法精度并进行了相应的实验验证,得到了预期成果.结果表明,该算法能较好地解决子全息图的拼接合成问题,在合成孔径数字全息系统中具有较好的适用性.     

基于数字微镜器件的高分辨率计算全息显示

针对基于数字微镜器件的全息显示分辨率受限的问题,提出了一种大尺寸、高分辨率计算全息显示方法.本文利用计算机渲染或相关变换方法生成高分辨率输入图像,利用菲涅尔衍射算法和傅立叶变换并行计算提升全息图的分辨率,根据数字微镜器件特性进行衍射图像的时空复用与动态融合,有效提升计算全息显示的分辨率与动态效率.实验结果表明,该方法可...     

基于并行计算的实时数字全息显微镜

为了实现实时数字全息显微观测,采用数字全息并行算法达到实时再现要求。首先根据设计的数字全息显微镜光路结构,充分利用图像传感器空间带宽积,通过实时记录方案采集全息图、物光强及参考光强以消除0级;然后通过设计的并行再现软件,将采集到的图像均匀分割为4个区域,交由4个进程分别同时计算,每个进程实现对应区域的全息图再现后,将每个再现结果再均分成4个区域,并将对应区域重新组合成4组数据交由4个进程分别同时进行叠加,计算相位及强度;最后将4个进程计算得到的相位、强度重新拼接成完整的再现强度及相位图。结果表明,系统的数据采集和图像再现速度达到了18frame/s。该设计系统实现了实时全息显微观测。     

离轴菲涅尔全息图的数字再现

分析了离轴菲涅尔全息网的数字再现过程中照明光的角度参数对再现像质量的影响，提出了通过分析全息图的空间频谱结构自动提取最佳照明光方向参数的方法，进而应用MATLAB实现了数字离轴菲涅尔全息图的自动再现，其中参考光的角度参数是通过分析全息图的空间频谱结构自动提取的，数字再现像面的精确定位则可以通过自动聚焦算法来实现，并利用数字全息记录和再现过程中得到的物距参数准确标定了图像传感器的像素尺寸，给出了有关理论分析及实验结果。     

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。     

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.     

基于高斯核函数离轴数字全息零级像的抑制

为了降低离轴数字全息的再现像中零级像对再现像的干扰,提出了一种利用高斯核函数在空域对数字全息图进行低通滤波,再用原数字全息图减去滤波后的全息图来抑制零级像的方法。实验结果表明空域高斯核函数处理法能有效地抑制零级像。把该方法与现有的频域法、减全息图均值法以及减局部均值法在抑制零级像的效果和计算速度上进行了比较,证明了该方法抑制零级像的效果好,计算速度快。通过所采用的方法提高了离轴数字全息再现像的质量。     

基于FPGA技术的计算全息研究

为了提高计算全息图的运算速率,根据现场可编程门阵列技术的并行处理特性,提出了一种基于现场可编程门阵列技术的计算全息实现方法.利用该方法分别制作了点光源和2维图像的菲涅耳计算全息图,并由所生成的全息图再现出原始图像.结果表明,用现场可编程门阵列技术实现分辨率为50×50的全息图的运算速度是传统MATLAB实现的165倍.该研究结果对实现计算全息的实时性具有重要的意义.     

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。     

数字全息多平面成像技术研究

提出了一种新的数字全息多平面成像技术:将非共轭二次扭曲位相因子作用于实验记录的数字全息图,只需一次菲涅尔衍射便可同时对多个成像平面进行重建。首先介绍了非共轭二次扭曲位相因子多平面成像原理,然后开展实验验证了方法有效性。此方法只需记录一幅处于多个不同平面物体的数字全息图,依据该理论选择合适参数,可在任意位置重建多个平面再现像。采用均方根误差(RMSE)与峰值信噪比(PSNR)作为图像质量评价标准,比较了不同再现距离的成像质量。文中提出方法在无需对光路进行对称设计的前提下,可同时对多个平面进行数字聚焦,延拓了菲涅尔数字全息重建图像的焦深。     

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。