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。     

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。     

基于液晶空间光调制器的复振幅全息显示进展

计算全息能够在计算机中实现光学全息的波前衍射计算与波前数字编码,并通过相干光照射全息图重建物光波前.但其空间带宽积受现有数字调制器件限制,光学重建受振幅编码或相位编码引入的噪声影响.复振幅全息利用现有的光电调控器件实现全息图复振幅波前编码,避免振幅项或相位项的损失,兼有高运算效率、高空间带宽积和高重建精度等优势.基于双...     

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。     

同轴数字全息相位恢复算法采样距离优化研究

相位恢复算法被广泛应用于去除同轴数字全息共轭像。其中,多采样距离相位恢复算法相比于基于单幅全息图的相位恢复算法,尤其是在两幅全息图的重建算法中,重建精度更高且收敛速度更快。针对采样距离和采样间隔对再现物光波前的精度的影响,通过记录不同采样距离的多幅数字全息图,进行相位恢复。通过分析比较再现相位像的标准化均方根误差,得到优化算法的最佳采样距离和采样间隔。结果表明,采样距离在130～160mm范围内时误差较小,采样距离为150mm、采样间隔为2mm时误差最小,仅0.0096。     

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。     

基于深度学习的多尺度数字全息图重建

针对单个深度学习模型不能对多尺度的数字全息图进行波前重建的问题,提出一种基于U-Net模型的改进网络结构,模拟数字全息成像过程,生成不同尺度的全息图像作为数据集。将不同尺度的数字全息图分别用于训练网络的不同部分,得到一个可以对三种不同尺度的数字全息图波前信息进行重建的深度学习模型。实验结果表明,所提网络结构可对不同尺度的数字全息图进行重建,获得准确的数字全息图波前信息。研究内容为使用单个深度学习模型处理多种尺度的数字全息图这类问题提供了一种解决思路。     

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。     

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。     

全息位相共轭反射镜

1.众所周知,利用全息术很容易产生一个原始物光波的共轭光波并已得到若干应用。例如光波经过一张二维图片和畸变介质后,图像就变得模糊了。如果将畸变后的光波作为物光波制作一张全息图,当用共轭参考光波再现全息图时,再现光波经过同一畸变介质后就可得到一张清晰的原始二维图片。全息位相共轭反射镜得到位相共轭光波的方法与上述全息法不同,它是由原始物光波本身照明与之对应的位相共轭镜直接得到的。另外,它的成像关系和一般全息反射镜不同。无论是球面、椭球面     

彩色数字全息常见波面重建算法的实现与比较

为了研究彩色数字全息检测应用中波面重建方法对重建场质量与计算速度的影响,及不同波长记录的重建场的准确融合,采用理论分析及实验验证的方法,给出了不同色光物光重建场准确重叠的方法及彩色数字全息波面实时再现的详细过程,并分析比较了几种波面重建算法的特点及计算速率。结果表明,使用球面波为重建光的可变放大率波面重建算法能适应各种大小的物体,且可获得较高分辨率的像,并占用较少的计算时间,能较好适用于彩色数字全息检测应用。     

基于任意偏振态的数字全息散斑去噪

数字离轴全息图重建的物体图像会有明显的散斑噪声,本文利用降低相干度的方法来实现散斑去噪。具体方法是通过任意偏振态的物光和线偏振态参考光实现干涉记录,通过这些光场进行平均处理可以有效减少数字全息中产生的散斑噪声。通过控制三个波片的旋转实现任意偏振态,得到多种偏振态下的全息图,多偏振态下重建物体图像的散斑对比度各有不同,对各个重建图像进行对比分析得到最优结果。之后再将各偏振态下的全息图叠加进行重建,重建图像中的散斑噪声得到很好的抑制且比单偏振态下效果更好。从实验结果的分析中能看到这种方法对抑制散斑噪声的有效性。     

利用数字全息和DMD实时观察温度场的研究

本文将数字微镜（DMD）应用于数字全息,提出了一种新的实时再现方法,该方法用CMOS采集全息图,经计算机编程处理后直接输送到DMD,经激光照射后实时再现物光场的干涉像,取代了以往数字全息中用计算机编程衍射计算实现干涉像再现的过程,达到了节省时间,实时观察的目的。文章以温度场检测为例,将DMD再现的干涉像与计算机衍射计算再现的结果进行了对比,证明了该方法的可行性和准确性。     

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。     

Real-Time Amplitude and Phase Imaging of Optically Opaque Objects by Combining Full-Field Off-Axis Terahertz Digital Holography with Angular Spectrum Reconstruction

Terahertz digital holography (THz-DH) has the potential to be used for non-destructive inspection of visibly opaque soft materials due to its good immunity to optical scattering and absorption. Although previous research on full-field off-axis THz-DH has usually been performed using Fresnel diffraction reconstruction, its minimum reconstruction distance occasionally prevents a sample from being placed near a THz imager to increase the signal-to-noise ratio in the hologram. In this article, we apply the angular spectrum method (ASM) for wavefront reconstruction in full-filed off-axis THz-DH because ASM is more accurate at short reconstruction distances. We demonstrate real-time phase imaging of a visibly opaque plastic sample with a phase resolution power of λ/49 at a frame rate of 3.5 Hz in addition to real-time amplitude imaging. We also perform digital focusing of the amplitude image for the same object with a depth selectivity of 447 μm. Furthermore, 3D imaging of visibly opaque silicon objects was achieved with a depth precision of 1.7 μm. The demonstrated results indicate the high potential of the proposed method for in-line or in-process non-destructive inspection of soft materials.     

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。     

Research on Reconstruction Algorithms in 2.52 THz Off–axis Digital Holography

To eliminate the diffraction effect on Terahertz (THz) imaging and improve imaging system performance, digital holography has been investigated. The size of the common THz digital hologram and the recording distance are in the same order of magnitude, which does not satisfy the Fresnel approximation conditions. Meanwhile, diffraction has a great impact on free–space propagation behavior. So the research of the influence on reconstruction performance with different reconstruction algorithms is necessary. In this paper, the numerical simulations of the recording and reconstruction process of 2.52 THz off–axis digital holography imaging have been done, and the reconstruction performances of Fresnel angular spectrum algorithm, Rayleigh–Sommerfeld convolution algorithm and angular spectrum algorithm have been compared and analyzed as the reconstruction reference wave is different. The real experimental reconstruction results have also been presented.     

压缩感知相移数字全息术

相移数字全息图用传统数字再现可以消除零级像与共轭像,但数字全息术记录的全息图及数字再现像的分辨率被CCD的分辨率所限制.将新兴的压缩感知算法用于数字全息图的稀疏重建,以实现由部分全息图数据得到高分辨率再现像.分析了压缩感知用于重建数字相移全息图的原理,并利用该算法对计算机模拟的相移全息图进行了重建.结果表明,压缩感知算法能够对数字全息图稀疏重建,利用50％的部分全息图数据重建出了较高质量的再现像,并消除了零级像和共轭像.当选用合适的观测器如数字微反射镜器件或随机位相片实现随机观测矩阵时,可以实现单像素成像,从而突破记录全息图CCD分辨率的限制.