非相干全息术成像特性及研究进展

非相干光照明的物体或者自发光物体可以认为是由无数多个点源构成,任意两点发出的光波之间不具有相干性,但同一物点发出的光被分束后是空间自相干的。非相干全息术通过某种光学技术将来源于非相干物体上同一点的光波分为两束,由于这两束光是空间自相干的,因而两束光可以干涉实现点源全息图的记录,所有点源全息图的非相干叠加构成物体的全息图。对全息图进行光学或数值重建可以恢复原始物体的三维信息。近年来,非相干全息术已经在非扫描荧光显微成像、非相干彩色全息显示和自适应光学领域展示了其应用的潜力。阐明了非相干全息术记录和再现的基本原理,介绍了记录非相干数字全息图的系统与方法,重点分析和讨论了基于自参考光的同轴数字全息成像系统的成像特性、应用的优势和局限,并介绍了这些方面的研究进展。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

再现光对数字彩色全息图再现像质量的影响

基于色彩合成的数字彩色全息方法，研究了不同波长的再现光对数字彩色全息图再现像质量的影响。引入了偏移因子，进一步分析再现光对再现像的影响。在保证再现光与记录光波长相同的条件下，三基色全息图的分色再现像能够准确重合，并经过色彩合成可获得原物体清晰的彩色再现像。理论推导和实验结果证明：该方法对消除色串扰有很好的效果。     

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。     

Multi-Spectral Holographic Three-Dimensional Image Fusion Using Discrete Wavelet Transform

We present multi-spectral holographic three-dimensional image fusion using the discrete wavelet transform (DWT). The fusion results are compared with those of the Gaussian and Laplacian pyramid fusion methods. The advantage of the DWT over other methods is that it has more flexibility in controlling high frequency components as well as low frequency components, which improves the fused image quality. A wavelength tunable solid-state pumped laser is used to record up to 11 holograms with wavelengths from 567 to 613 nm. We present the fused reconstructed holographic images including multi-spectral fused images from the recorded multiple holograms. Fused multi-wavelength reconstructed holographic images provide multi-spectral information about the objects     

非相干同轴数字全息显微成像研究

采用非相干光作 为光源,空间 光调制器(SLM)和CCD组成非相干干涉仪作为全息记录模块,结合物镜搭建了非相干同轴数 字全息显微成像 系统。采用该系统对分辨率板成像,实现了512lp/mm的空间分辨率 ,并对系统放大率进行了标定。用草本 植物茎横切细胞作为测试样品,完成了生物细胞显微观察实验,将数字全息显微术的应用范 围从相干光扩展到了非相干光领域,推进非相干数字全息显微术的应用研究。     

基于空间光调制器的合成全息显示技术研究

提出了一种基于液晶空间光调制器和计算全患技术的合成全患显示新方法.由计算机设计三维物体模型并获取带有视差信息的系列二维体视数字图像,通过计算全患方法对每一幅二维图像计算得到相应的全息图,再现时将左右眼视图对应的全息图同时输出到两个空间光调制器进行实时光电再现,并使再现像的位置符合人眼双目观察需要,计算机控制不同视角全患图顺序输出,从而实现合成全患立体显示,同时可观察合成全息动感,而观察者位置不必移动,与传统的合成全息显示相比操作灵活,易于控制.在实验中用液晶背投影光学引擎系统设计了硬件实验系统,设计了相关的控制软件,并给出了实验结果.     

Full Color 3-D Imaging by Digital Holography and Removal of Chromatic Aberrations

In color digital holography the recording and reconstruction of three holograms, by an optical setup operating in multi-wavelength mode, is necessary. Incorrect superposition of different images at various wavelengths may occur due to the presence of chromatic aberrations. We demonstrate that the compensation of the chromatic aberrations can be achieved by using all of the information contained in the multi-wavelength digital holograms. Chromatic aberration is extracted from phase maps reconstructed at different wavelengths, resulting in perfect full color amplitude reconstructions. The method has important applications in color 3-D holographic imaging and display.     

Digitally tunable wavelength filter and laser

A novel nonmechanical, digitally tunable, polarization insensitive and optically transparent wavelength filter using holograms electro-optically written on a ferroelectric liquid crystal (FLC) spatial light modulator (SLM) has been constructed and operated to tune to discrete wavelengths spaced by 1.3 nm. The filter has been incorporated in a ring laser which is tunable over a range of 38.5 nm across the erbium window, giving output powers of 10 mW. Both wavelength filter and tunable laser are suitable for wavelength division multiplexing (WDM) applications.     

基于LC-SLM的CT图像全息三维重构与实时显示

提出了一种将计算全息技术与液晶空间光调制器相结合的CT图像三维重构与实时显示的方法。用计算全息技术对一系列CT图片进行三维信息融合,并根据CT图片数目的不同,制作了不同的计算全息图,基于CT图片本身是数字化二维图像的特点,采用了快速傅里叶变换算法。用液晶空间光调制器作为全息图显示载体,设计了CT图像三维实时显示系统,利用计算机控制实时输出不同的计算全息图到空间光调制器,通过光学再现获得不断变化的三维再现像,实现CT图像的三维实时显示。     

基于计算全息技术的彩色CT真三维可视化

不同于现有的用计算机软件合成的CT 图像的伪 三维可视化,本文提出了一种基于计算全息技术的彩色CT 图像的真三维可视化技术。首先,利用计算全息技术对彩色CT图像进行三维重建,将一组 彩色CT图像的空间 二维信息融合成三维信息,并以计算全息图(CGH)的形式进行保存;然后,设计了彩色CT图 像光电再现与三维显示系 统,以液晶空间光调制器(LC-SLM)作为CGH的显示载体,通过计算机同时输入 3幅CGH,通过光电再现获得 三原色三维再现像,利用合色棱镜将三原色再现像合成为彩色图像,用雾屏作为彩色三维再 现像的显示载体,获 得彩色真三维CT图像。在全息图的计算过程中,基于CT图像的二维属性,采用了快速傅里 叶变换(FFT)算法,大大加快了计算速度。给出了理论分析与实验结果。     

同时偏振成像探测系统的偏振图像配准研究

同时偏振成像探测技术是一种新型的偏振成像探测技术,它能在同一个探测器上同时获得被探测目标0、45、90、135 4个偏振方向的偏振强度图像。为了准确获取被探测目标的偏振信息,这４幅图像的配准显得尤为重要。为了使配准精度达到0.1个像元,结合同时偏振成像探测系统的成像方式,提出了一种基于空域和频域互相关的偏振图像配准方法。该方法使用硬件和软件相结合的方式完成图像的配准。首先使用空域互相关的算法实现图像的像元级粗配准;然后使用频域互相关的像元级配准算法进行像元级精配准;最后使用频域互相关的亚像元配准算法实现偏振图像的亚像元级配准。     

单透镜高分辨成像系统的研究和设计

单片凸透镜由于存在较大像差，在实际应用中难以单独成像，相对孔径越大，单片凸透镜的成像质量越差，通常使用多片透镜以进行像差校正。针对单凸透镜成像质量差的的问题，提出了采用液晶空间光调制器和微扫描光楔实现单片凸透镜的高分辨成像。采用Zygo干涉仪测量单透镜波前，结合Zemax软件模拟得到经单透镜后的畸变波前，利用泽尼克多项式描述畸变波前，并绘制对应共轭波前的灰度图加载于液晶空间光调制器上，校正波像差；通过旋转楔角为21的光楔进行22微扫描，将四幅低分辨率图像经过Keren配准后以结构适应的归一化卷积法合成为一幅高分辨率图像。实验结果表明，图像分辨率MTF50达到1 348 LW/PH，成像质量明显提高。