彩色数字全息波前重建算法概论

基于单色CCD记录彩色数字全息图的光学系统及衍射的数值计算理论,综合评述彩色数字全息波前重建的常用算法。对一种只适用于静态物理量检测的波前重建算法做了重要改进,不但消除了频谱混叠对重建光波场的影响,而且让该重建算法适用于动态物理量的实时数字全息检测。并将研究工作推广于彩色CCD记录彩色数字全息图的光学系统,给出了三色光照明下重建物体彩色图像的实例。     

数字全息波前准确重建的实验研究

为了得到数字全息图波前的准确重建场,采用常见的波前重建算法进行实验研究和理论分析,得到了物光波通过非单一介质传播时的等效距离,并利用该等效距离修改常用波面重建公式中的相关参量,与柯林斯公式对数字全息图进行重建的结果进行比较分析,发现当物光波通过非单一介质时,采用等效距离修正的重建公式或者柯林斯公式均能得到准确的数字全息再现像。结果表明,采用等效距离对数字全息图进行波前重建的结果与采用柯林斯公式重建的结果一致,此方法能够简化光波通过非单一介质时对数字全息图的波前准确重建。该研究结果可为显微数字全息及数字全息检测应用提供有益的参考。     

物光与参考光强度比对数字全息再现像质的影响

为了提高数字全息显微中的重建精度及速率,采用理论分析与实验验证相结合的方法,对数字全息显微中基于同态信号处理的广义线性重建算法进行了理论分析,比较了同一物场在不同物光与参考光强比条件下的实验结果。结果表明,随着参考光与物光光强比的不断增大,广义线性重建算法再现像质得到明显改善,但当这一比值增大到一定值时,再现像质量则逐渐下降。寻找合适的物光、参考光光强比,是利用数字全息广义线性重建算法实现高质量再现像的重要条件。     

离轴数字全息波前重建算法讨论

在离轴数字全息的应用研究中,将数字全息图视为单位振幅平面波照射下的光波场,利用1次快速傅里叶变换(FFT)计算菲涅耳衍射积分是最流行的物光波前重建方法(简称1-FFT法)。然而,用球面波为重建波,利用像平面滤波技术及角谱衍射理论,存在需要4次FFT的另一种波前重建方法(简称FIMG4FFT法)。基于快速傅里叶变换理论对这两种方法进行研究。结果表明,尽管FIMG4FFT重建方法需要进行4次FFT计算,却能用较少的计算资源高效率地重建同等质量的物光场。为便于实际应用,详细给出FIMG4FFT方法在彩色数字全息图像重建及物体微形变检测中的应用实例。     

彩色数字全息系统中透镜色差影响的研究

在物光通过透镜系统到达CCD平面的彩色数字全息研究中,将每一色光的像视为像空间中的物体。基于全息图补零的一次傅里叶变换(1-FFT)重建方法,导出既能较好地统一不同色光重建物体的物理尺寸,又能考虑透镜色差影响的彩色数字全息图像重建方法。对该方法的研究结果表明,透镜色差的影响等效于让物体的重建像偏离了理想的重建像平面。然而,数字全息重建图像具有一定的焦深,在多数情况下,可以忽略透镜色差的影响,利用厂家给定的焦距标称值获得满足实际需要的彩色重建图像。     

数字化全息及其在三维显示和检测中的应用

从三维显示和检测的角度回顾了数字化全息研究的发展与现状.首先简要介绍了在三维显示的应用中计算全息的编码原理,以及全息图数字化再现的几种算法.给出了计算全息一般的制作方法,对典型的光电全息记录光路进行了分析,然后对数字化全息在三维显示和全息影视中的应用研究进行了讨论.分析了几种数字化全息显示装置,包括数字全息打印机,声光调制型的全息影视系统和空间光调制器型的全息影视系统.最后对数字全息三维显示技术的未来进行了展望.     

基于开放运算语言加速的数字全息卷积重建算法实现

针对数字全息重建算法计算速度慢、实时应用能力弱以及现有GPU加速策略跨平台移植性差等问题，该文提出一种利用开放运算语言(OpenCL)架构提高数字全息重建算法执行效率的方案。该方案充分利用OpenCL架构的异构协同计算能力，对数字全息卷积重建算法进行CPU+GPU的异构运行设计，并采用数据并行模式编程实现。针对不同分辨率数字全息图、不同GPU加速平台的测试结果表明，该加速策略的平均执行时间均比CPU低1个数量级，最高总加速比达到54.2，并行运算加速比甚至高达94.7，且具有规模增长性及良好的跨平台特性，加速效率显著，更加适用于数字全息技术的工程化实现及实时性应用场合。     

柯林斯公式的逆运算及其在波面重构中的应用

给出描述光波通过傍轴光学系统衍射的柯林斯公式及其逆运算表达式，然后将数字全息检测研究中的物平面及CCD探测平面视为ABCD系统的输入平面及输出平面，提出通过柯林斯公式的逆运算进行波面重构的一种计算方法。为便于该方法的实际应用，研究了参考光是球面波时全息图的频谱结构，并从理论上证明，全息图的频率空问中存在可以通过滤波器分离的物光及共轭物光的频谱。最后．通过理论模拟及实验研究证明了使用柯林斯公式的逆运算重构波面的可能性。     

液晶光调制计算全息相移器

在同轴相移数字全息实验中，相移量的准确性、稳定性对实验结果起着很重要的作用，因此相移器的研究已成为相移数字全息实验研究中的一个重要内容。在以往应用的相移器中，大多是通过机械驱动改变光程来实现相移，这种方法会使光路变得复杂。提出了一种新型的相移器——液晶光调制计算全息相移器，它将大大简化光路的设计，同时避免机械运动，实现相移量的全数字化控制。该相移器是基于计算全息原理和傅里叶变换的位移定理所提出的，它将液晶显示器(LCD)作为光学显示元件，通过适当改变显示在液晶显示器上的计算全息图的编码，使其同时实现波面变换和相移。给出了液晶光调制计算全息相移器的理论分析，并通过实验测量表明其相移量的波动范围仅在0．036 rad以内，具有很高的精确性、可重复性和稳定性，最后验证了该相移器用于同轴相移数字全息实验的可行性。     

彩色数字全息检测的实时无颜色串扰采集技术研究

提出一种基于Foveon CCD的实时无颜色串扰的彩色数字全息干涉计量方法。针对当前实时彩色数字全息图中存在颜色串扰的问题,分析了Foveon CCD的工作原理与控制模式,对变换颜色矩阵消除颜色串扰方法作了相应的分析,提出通过改变CCD的颜色变换矩阵的方法,可以有效降低了颜色串扰对彩色数字全息的影响。实验结果及实验数据表明,一定条件下,通过该方法能实现实时无颜色串扰彩色数字全息图采集,对彩色数字全息实时检测有一定的应用价值。     

基于彩色数字全息的透镜焦距检测

为了实现对凹凸透镜焦距的精准测量,采用彩色数字全息方法进行理论分析和实验验证,取得了与标称值相差1%的数据结果。结果表明,采用数字全息干涉测量方法是可靠的,可以获得与用透镜标称值重构相同的效果。该研究对数字全息波前的重建有帮助。     

高分辨率多视点动态全息3D显示

提出了一种高分辨率多视点动态全息3D显示方法,观看视点位置变化时,观看者能够看到连续变化的3D效果。在进行全息图计算时,首先根据针孔阵列投影模型,渲染3D动画中每一帧3D模型的光场图像序列;然后从已渲染的多组光场图像序列中抽取对应视角信息的光场图像进行融合,得到融合后的动态光场图像序列;在进行全息图编码时,以动态光场图像序列中的一帧图像作为物光振幅,以来自于针孔的发散球面波的相位作为物光相位,引入平面参考光进行编码,得到一个单元全息图。由于每个单元全息图的计算是相互独立的,因此在计算过程中使用并行加速计算,实现了尺寸为32 mm×32 mm、分辨率为100000 pixel×100000 pixel的高分辨率全息图,其光场图像融合和全息编码的时间仅需27 min。光学再现结果证明了该方法的可行性。所提出的高分辨率多视点动态全息3D显示方法在全息包装和3D广告等领域具有广泛的应用前景。     

高衍射效率光致聚合物薄膜中全息记录研究

为了研究新的全息记录介质,本文我们介绍一种基于TMPTA单体的光致聚合物材料。我们已经在该聚合物薄膜样品中成功记录三维实物信息及数字静态视差图像存储等,证明具有良好的全息记录与重建的性能。实验结果表明:该材料在记录角度为26°时,不加电压等任何外部条件下的衍射效率接近90%,并且制作简便、容易保存,作为全息记录介质能够有效地重建出高分辨率,高衍射效率的全息再现像。由于该聚合物的高衍射效率并且不需要外加电压等特性,该材料更加适合用于全息图和大数据的永久存储,并且它在大尺寸静态三维全息图显示、三维图像存储、数据储存、全息防伪、全息打印等领域具有较强的优势和潜在的应用前景。     

基于硅基液晶的空分复用彩色全息显示研究

彩色全息显示是全息显示的一个重要研究目标。研究了使用RGB三色激光的彩色全息显示技术,提出基于空分复用的彩色全息显示方法。全息光电再现像的成像区域大小和成像区域中心位置依赖于RGB三色激光的波长,通过调节RGB三色分量原图大小以及加载数字闪耀光栅实现RGB三色再现图像分量区域大小和成像中心的重合。基于空分复用的方法建立了彩色全息显示系统,最终的彩色全息显示系统利用空间光调制器加载计算生成的24bit全息图再现彩色图像。实验结果验证了该方法的可行性。     

计算彩色彩虹全息术颜色复现机理分析

基于颜色传递和匹配原理,讨论了彩色计算全息色系和计算机显示色系下颜色量的一般转换关系,同时研究了计算全息物光波振幅和其对应的颜色量之间的等色传递问题,建立了计算全息物光波振幅与计算机显示色系下颜色量之间所应满足的关系。在此基础上对计算彩色彩虹全息术颜色复现机理进行了详细的讨论,给出了计算彩色彩虹全息术颜色复现时的三原色。     

参考光为平面波和球面波时焦距检测对比研究

为了研究参考光波面形状对于测量透镜焦距值的影响,采用数字全息的方法进行了理论分析和实验验证。通过在两种色光下进行实验,分别测量出参考光为平面波和球面波时的焦距值,并与标称值和理论计算值进行了比较。结果表明,当参考光为平面波时,测量到的透镜焦距值与标称值和理论计算值相对误差在5%以上; 而当参考光为球面波时,与两者的相对误差均在2%以下,因此当参考光为球面波时所测量的焦距值精度更高; 通过计算得出这两种参考光所测量的焦距值都在理论焦深范围内,故利用测量焦距值对全息图进行重构时所获得的再现像与用标称值和理论计算值所得到的再现像质量相当。这一结果对测量透镜焦距值和数字全息图重建方面有一定的帮助。     

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。