数字全息相位再现误差分析及抑制技术

为实现基于数字全息的三维轮廓测量,本文探讨了菲涅耳近似算法实现数字全息相位再现的误差及抑制技术。首先理论分析了基于菲涅耳近似算法实现全息相位再现所包含的误差项,然后计算机模拟了数字离轴全息图的记录和相位再现结果,在此基础,模拟分析了离焦误差、数字再现光波误差及样本深度对相位再现的影响。针对记录参考光波和光学器件所引入的相位误差及其不定性,本文提出利用相位相减全息图处理方法加以消除,并给出了实验结果加以验证。模拟分析结果表明,菲涅耳近似算法误差、离焦误差、数字再现光波倾斜误差、解包裹错误对相位再现结果都有不同程度的影响。若获得高精度的再现结果,对记录过程、再现参数选择和处理方法都要进行严格控制或适当的选取。     

基于菲涅耳近似实现数字全息相位再现的误差分析及抑制

探讨了菲涅耳近似算法实现数字全息相位再现的误差及抑制技术.理论分析了基于菲涅耳近似算法实现全息相位再现所包含的误差项,计算机模拟了数字离轴全息图的记录和相位再现结果.在此基础上,模拟分析了离焦误差、数字再现光波误差及样本深度对相位再现的影响.针对记录参考光波和光学器件所引入的相位误差及其不定性,提出了利用相位相减全息图处理方法加以消除,并给出了实验结果加以验证.模拟分析结果表明,菲涅耳近似算法误差、离焦误差、数字再现光波倾斜误差、解包裹错误对相位再现结果都有不同程度的影响,相位相减全息图处理方法可以减小再现相位误差至0.4%.对记录过程、再现参数选择和处理方法都进行严格控制或适当选取,可得到高精度的再现结果.     

用全息位相光栅测量IVA视力的光学设计

阐述了人眼视网膜激光干涉条纹视力 IVA(视网膜视力 )测量的原理 ,设计了一套测量视网膜视力的光学系统。该系统采用 He- Ne激光作为光源 ,通过一全息位相光栅产生所需要的两相干点光源 ,从而获得对应视网膜视力的相干条纹。实验结果表明 ,采用本方法获得的用于测量视网膜视力的相干条纹稳定、可靠 ,测试装置整体结构紧凑 ,能较为准确地测量人眼的视网膜视力。     

数字全息技术测量大气微粒场的研究

记录光路采用Mach-Zender干涉法,CCD作为记录介质,以数字的形式记录了微粒场的离轴菲涅耳数字全息图,利用Fresnel-Kirchhoff衍射积分数字再现出了微粒场的复振幅分布。通过对尺寸39μm大小标准粒子场的记录再现,分析确定了准确检测出标准再现粒子数量的灰阶阈值范围和面积阈值范围。以检测出标准粒子的阈值范围为基准,在相同测量条件下,对采样大气微粒场进行再现检测,准确检测出了不同再现截面上尺寸大小接近39μm及大于39μm的聚焦粒子的数量,并采用多截面再现平均测量法估算测量了采样大气微粒场中微粒的数量及浓度。     

光学全息的数字实现

研究光学全息的数字模拟,探讨数字全息的数字重构方法,以菲涅耳衍射积分的实现方法为基础,采用MATLAB软件实现菲涅耳全息图的数字记录和数字重构模拟,给出模拟结果.利用离散菲涅耳衍射积分方法完成数字全息图的数字重构.利用数字图像处理方法对所得的数字全息图进行适当滤波处理,有利于消除零级像和孪生像,获得清晰的数字再现像.引入全息变换,根据全息图的不可撕毁性,研究了全息变换在数字图像压缩中的应用,对给定的二值化图像实现压缩存储及解压缩处理.     

基于数字全息技术的变形测量

全息技术在测量、防伪中有大量应用.数字全息技术采用数字记录和计算机处理,实现测量的方法上有其特点.本文重点对数字全息技术实现变形测量的方法和具体算法开展了研究.论文首先总结了数字全息技术应用中的基本问题,包括数字全息算法问题和噪声抑制问题等.叙述了基于数字全息技术的变形测量基本思想,及相位恢复算法,同时分析了几种变形测量的实现方法,并提出了"2+2"步变形测量方法.该方法相对于"1+1"步变形测量方法,提高了测量精度,同时比"4+4"步变形测量法提高了动态性.本文建立了实验系统,获得了硬币的数字全息图,实现了常用的"1+1"步变形测量方法、相移算法的变形测量方法以及"2+2"步变形测量方法,给出了"2+2"变形测量的实验结果.实验结果表明在数字全息技术中结合相移技术进行测量,可以提高物波再现精度,进而提高变形等的测量精度.     

基于全息图放大的数字全息显微结构测量

针对典型预放大数字显微全息光路中存在的二次位相误差,本文设计了基于全息图放大的数字全息显微光路。此设计中,光束首先照射透明显微物体,然后与平行参考光干涉,形成全息图,最后经显微镜获得放大的全息图。这种光路从系统上直接消除了主要由球面波引起的位相畸变,有利于数字处理及实时化。作者以位相光栅(30 lines/mm,槽深约0.3 µm)作为实验样本,对此光路进行了分析研究,并分别用菲涅耳近似法和卷积法再现单幅全息图,同时获取了物体的强度信息和三维位相信息,位相深度的计算结果为0.27 µm。结果表明本文设计的光路对二次位相产生的离焦误差有明显的抑制作用。     

光栅复制拼接光路中入射光角度对拼接误差的影响

设计了一种基于干涉检验法的复制拼接光栅测量光路。针对光栅复制拼接光路中入射光角度难以精确测量的问题,分析了光栅拼接实验中入射光角度对光栅拼接的影响。建立了光栅拼接误差模型,分析了五维拼接误差的容限要求。按照光栅复制拼接光路的要求,设计了一种干涉仪角度调节装置。根据误差模型和拼接光路分析了500mm×500mm大尺寸中阶梯光栅复制拼接光路中入射光角度误差与拼接误差的关系。结果显示:入射光角度误差为1°,拼接光路中绕x轴,y轴的转动误差Δθx,Δθy和沿z轴的位移误差Δz的计算值与实际值之间分别相差0.002 1μrad,0.003 3μrad和0.348 2nm时,引起波前差为2.590 1nm。根据这一计算结果,给出了干涉仪角度调节装置的设计指标,即设置角度调节分度为0.1°时,可满足大尺寸光栅复制拼接要求。     

误差均化的拼接技术

利用相关拼接技术实现光学波面检测,可以用较小的测量口径实现较大面积的测量,并保持高的测量精度、高的空间分辨率和系统的低成本.获得高精度的子孔径波面分布和有效的拼接方法是这一技术的关键.最简单的两两拼接的方法由于在拼接过程中存在误差积累,对全孔径拼接精度有很大的影响.采用误差均化的拼接方法,要求所有拼接区中相差值的平方和同时达到最小.从本质上看,这是一种并行算法.给出了在平面直角坐标系下误差均化拼接的数学模型和求解方法,进行了计算机仿真.结果证明该方法是切实有效的.     

数字相移全息干涉术用于高精度的形变测量

本文提出一种能定量确定全息干涉位移条纹的相位值的数字相移技术。该技术采用计算机控制采集数据和计算表面形变。探测器上每一点的相位值可由四帧连续的强度数据和每帧之间的参考相移求出。位移条纹的级次可由被测点的测得值加减２π确定，直到两相邻探测点之间的相位差小于π为止。实验结果表明这种技术能在±１°的精度内精确地细分条纹。     

显微数字全息图相位的滤波法提取

显微数字全息的关键技术之一是其相位信息的提取。通过分析显微数字全息图的空间频谱特点,提出了一种新的相位提取方法。将数字全息图频谱进行搬移,使物光频谱中心移到频域坐标原点;设计有限脉冲响应(FIR)数字滤波器滤出物光频谱;求解滤波后信号的辐角得到全息图相位。对设计的实验系统进行了验证,实验结果表明采用提出的方法提取显微数字全息相位,完全可行,效果良好。     

Dark-field electron holography for the measurement of geometric phase

The genesis, theoretical basis and practical application of the new electron holographic dark-field technique for mapping strain in nanostructures are presented. The development places geometric phase within a unified theoretical framework for phase measurements by electron holography. The total phase of the transmitted and diffracted beams is described as a sum of four contributions: crystalline, electrostatic, magnetic and geometric. Each contribution is outlined briefly and leads to the proposal to measure geometric phase by dark-field electron holography (DFEH). The experimental conditions, phase reconstruction and analysis are detailed for off-axis electron holography using examples from the field of semiconductors. A method for correcting for thickness variations will be proposed and demonstrated using the phase from the corresponding bright-field electron hologram.     

平面子孔径拼接测量实验研究

通过椭圆形口径（长轴225mm,短轴161mm）SiC平面反射镜的全口径面形测量加工实验,验证了一种新的子孔径拼接测量算法—子孔径拼接迭代算法（SASL算法）的有效性。首先用100mm口径平面平晶的子孔径拼接测量与全口径测量的对比实验,确定了拼接测量相关参数及测量装置的精度指标。在此基础上设计了SiC平面反射镜的子孔径拼接实验,在搭建的拼接装置上实现了五次离子束迭代加工过程中和最终的全口径面形测量。这是国内首次将子孔径拼接测量方法用于指导加工实践,加工过程中的测量结果为面形误差修正提供了准确的数据,保证了最终全口径面形误差快速收敛到RMS 50nm。实验证明,SASL算法能大大放宽拼接装置对准运动的精度要求,并减少拼接过程对拼接结果的影响。     

同态滤波法抑制离轴数字全息零级项

针对离轴数字全息图受记录器件像元尺寸的限制而在数字再现时存在再现像受零级项串扰的问题,提出了一种抑制离轴数字全息零级项的方法.根据图像灰度可由图像照度及表面反射率共同决定的原理,将全息图看作入射分量和反射分量的乘积,利用入射分量变化缓慢且集中在低频段,反射分量反映图像细节并集中在高频段的特性,用同态滤波方法处理数字全息图.设计了同态滤波器,其上下限分别为0.001和1,直径为300 pixel.用该方法实现了对衍射距离为34 cm的菲涅尔数字全息图的零级项抑制,并对重构出的物光对比度以及物体的细节信息进行了增强.     

子孔径拼接干涉的快速调整及测量

考虑高精度子孔径拼接干涉测量技术对自动化拼接的要求,提出了一种子孔径零条纹自动快速调节方法。分析了干涉条纹数量对拼接误差的影响,分析显示:当子孔径干涉条纹数量少于5条时,干涉仪回程误差小于λ/50(PV值)。对子孔径拼接测量装置进行了结构优化,提出了拼接位移台角位移偏差自动补偿方法,实现了各个子孔径的零条纹测量,进而控制了子孔径拼接的累积误差。对450mm×60mm长条镜进行了子孔径拼接干涉测量,结果表明:自动测量结果与手动调整零条纹测量结果在面形分布上更为一致;但前者测量速度及测量效率都有所提高,测量时间平均减少5min。提出的方法不仅能完成干涉拼接测量装置的自动定位及自动快速调整,还提高了测量重复性与检测效率。     

利用小波变换提高数字全息信噪比

光学和数字全息需要解决的基本问题是在图像重构过程中出现的散斑噪声,因为散斑降低了信噪比（SNR）。目前很多方法都可以减小散斑噪声,以提高数字全息信噪比。现利用小波滤波的方法来提高数字全息重构过程中的信噪比。提供了实验结果,实验结果证明该方法是可行的。     

无零级衍射分量的高带宽离轴数字全息

提出了一种消除零级衍射分量对离轴数字全息影响的方法以提高离轴数字全息的有效空间带宽。该方法在大的物参光强比记录条件下,用预先记录的参考光强对全息图进行归一化,并做对数变换和一维离散希尔伯特变换去除零级衍射分量。然后,通过指数变换恢复出物波光场,从而实现无零级衍射分量的高带宽离轴数字全息。从理论上对方法原理进行了分析,给出了基于有限脉冲响应的一维离散希尔伯特变换算法。最后,通过实验对本文方法进行了验证,并讨论了光强比对零级衍射分量抑制效果的影响。结果表明,无论零级与一级衍射谱是否发生混叠,当参考光强度比物光强度大5倍以上时,采用本文方法均可以有效去除零级衍射分量的影响。     

太赫兹Gabor同轴数字全息二维再现像复原

提出结合分段对比度拉伸变换(PCST)和基于块的局部最优维纳(PLOW)滤波算法进行太赫兹Gabor同轴数字全息二维再现像图像复原的方法。分别介绍了PCST和PLOW的工作原理,给出了PCST-PLOW组合滤波算法的工作流程。对真实的2.52THz数字全息再现像进行了去噪处理,并对每一处理过程进行了对比分析。比较了PCST节点对增强效果的影响,其节点的起点和终点分别根据直方图和图像均值确定。对真实太赫兹再现像的处理结果显示:去噪处理后的40帧平均全息图再现像的整体标准差由0.184 9提升到0.307 4,均值与标准差的比值由1.720 8提升到2.268 8。得到的结果表明所用方法明显抑制了噪声,同时提高了图像对比度。