显微数字全息重构透明物体相位

测量透明物体的相位是重构透明物体（如生物组织）三维形貌的基础,文章用显微镜物镜、压电陶瓷和CCD建立了一套测量微小透明物体相位的显微数字全息光路,对平面光场通过透明物体后相位被调制,经显微物镜后在像面上用CCD记录全息图时的光场分布,以及数字全息重构相位的过程与计算公式进行了推导,给出了相关的计算,同时讨论了全息图记录条件。     

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。     

数字全息中利用图像拼接测量大物体的三维形貌

为扩大数字全息的测量视场,使数字全息可以应用于大物体三维形貌的测量,利用菲涅耳离轴数字全息,让照明光依次照明物体的各个区域并分别记录全息图,利用精密电控旋转台精确控制参考光的入射角以保证每次记录时物参角不变,通过参考光入射角的变化量确定物体不同被照明区域之间的位置关系,对获得的物体去包裹的相位图进行拼接,进而得到整个物体的三维形貌.利用该方法测量了大小为11 cm×19 cm的石膏嘴的三维形貌,图像拼接的绝对拼接误差远小于1.14 mm,高度测量误差约为0.5 mm,实验结果说明这种测量方法能够有效地扩大数字全息测量物体三维形貌的视场并且具有和横向分辨率相当的拼接精度.     

数字全息显微中自动调焦技术及其应用 （封面文章） （特邀）

数字全息显微技术(Digital Holographic Microscopy, DHM)将光学干涉和光学显微技术相结合,为微观物体的三维形貌、透明物体的厚度/折射率分布提供了一种快速、无损测量手段。数字全息显微可以通过计算机模拟物光波的衍射传播以实现对被测样品的数字调焦。然而,这一过程需要事先知道全息图到物体像面的距离(文中称为离焦距离)。如何自动获得离焦距离一直是数字全息显微技术中的研究热点。为此,文中着重介绍了基于锐度度量、能量集中度、振幅模量分析、稀疏度测量以及不同照明调制的离焦量获取方法。利用该离焦量可以实现对运动样品或动态过程的自动调焦,为运动物体或动态过程的跟踪观测和实时干预提供了有力手段。此外,文中还介绍了数字全息显微自动调焦技术在细胞、三维粒子场上成像、识别和追踪以及生物组织三维成像等方面的应用。     

基于数字全息干涉的微振动区域多点同步实时测量

为满足工程应用中对物体微振动进行区域多点同 步实时测量的需求,基于数字 全息干涉理论提出一种微振动区 域多点同步实时测量方法,构建了一套微振动多点同步测量系统。通过对高速采集的全息图 进行局部解算,采用快速振幅解算 算法,从全息图中实时提取振动表面的振动信息,实现了在较高频率下对物体表面进行nm 量级的微振动区域多点实时测量。 通过测量经高精度多普勒振动测量仪校准后的耳机振膜振动情况,对系统进行了实验验证 。实验结果表明,系统能够实时获取 物体表面的微振动信息,可同时提取任意点进行同步实时振动测量,在100～2400Hz频段内测量精度较高,平均误差为3.7%,测量区域内各点测量精度相同。     

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CAD光相位模型的数字全息检测方法研究

针对数字全息的精密机械结构三维检测中相位的跃变,在分析相位包裹产生的机理基础上,提出一种建立被测物体计算机三维辅助设计(3D-CAD)的光相位模型并进行解包裹的方法。将3D-CAD模型点云化处理,构建相位分布测量模型,获取被测物的相位图;通过搭建的双波长数字全息实验系统,拍摄被测物体的全息相位图并与模型的相位图进行初始对准和位置精确对准,计算全息图的包裹相位所对应的真实差值,获得全息测量的解包裹相位。仿真和实验分别采用不同表面形貌的被测物体,结果表明该方法对于精密结构的检测非常有效。     

基于立体匹配技术的数字全息三维形貌重构

针对数字全息对物体三维形貌的重构与测量,提出了一种将数字全息术与立体匹配术相结合的三维测量方法。首先利用离轴菲涅耳数字全息系统,采集三维物体的单幅离轴菲涅耳全息图;然后将获取的数字全息图分为两个部分,分别进行数值再现,可以得到两个再现像,两个再现像存在视差。最后利用立体匹配算法获取两幅视图再现像的视差,根据几何关系获取物体的深度信息,重构物体的三维形貌。实验中,分别对不连续物体和连续物体进行三维形貌的重构,得到了准确的三维物体深度信息。数值模拟和初步实验结果表明该方法有效可行。     

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。     

用灰度值改进双曝光测量物体微小形变的方法

数字全息是用数字的方式记录和处理全息图像,通常在使用双曝光法测量物体微小形变时,对于形变量接近入射波长一半的情况一般使用相移的方法,这种方法需要拍摄多幅全息图。为了简化过程,提出将灰度值和双曝光方法相结合测量物体的微小形变。该方法通过画出条纹图的灰度曲线,判断条纹级数,计算出物体形变量;只需拍摄两幅全息图。通过理论分析和实验验证,取得了满意的结果。结果表明,该方法在一定的范围内是可行的。     

多参考光合成孔径DMIPH术的细胞相位重构

为了克服传统光学显微术无法直接提取相位信息的不足而能更准确记录物体高频和低频信息的合成,采用多参考光合成孔径数字显微像面全息系统,并结合角谱算法和最小二乘解包裹算法实现了细胞的相位重构。选取活体细胞组织等相位型生物进行作为实验样本,对其进行定量观察和有效测量。结果表明,多参考光合成孔径数字显微像面全息系统可以有效地应用于3维物体显微结构的振幅和相位重构,能显著地提高记录系统的高频和低频信息在全息图上的合成度,并实现超出系统的衍射极限12.8lp/mm的分辨率。该系统可以有效地实现数字全息系统的超分辨率成像,从而获得细胞显微结构的3维形貌信息和准确的相位分布。     

基于任意相移量的4步相移数字全息新方法

为了研究相移数字全息中的相移量计算问题,从菲涅耳衍射和全息理论出发,对相移离轴无透镜傅里叶变换数字全息的记录和再现进行了分析,推导了基于任意相移量的4步相移数字全息图的光场表达式,提出了一种利用相位相减计算任意相移量的新方法,并进行了相应的实验验证,得到了预期效果.结果表明,该方法与传统的4步相移方法相比,不需要对相移器进行严格标定,也能有效地消除数字全息再现光场中的0级衍射和共轭像,提高再现像的信噪比,因此,这对降低测量系统的复杂性,促进4步相移数字全息的发展是有帮助的.     

A modified aperture-synthesis method for super-resolution by a single digital hologram

A modified aperture-synthesis method is reported to improve the resolution of a reconstructed image in digital holography by a single hologram. A series of sub-holograms incoherently overlapped on a CCD are recorded as a single aperture-synthesized digital hologram. The angular division multiplexing is introduced to both the object and the reference path for holographic recording. The final super-resolved image is obtained by synthesizing the several reconstructed images. In the experiment, a two-dimensional transparent USAF resolution test target is used. The result demonstrates that the resolution of the reconstructed image is improved from 16.00 lp/mm to 22.64 lp/mm in the horizontal direction.     

液晶空间光调制器相移特性研究

根据计算全息原理和傅立叶变换的位移原理,将液晶显示器作为光学显示元件,通过适当改变显示在液晶显示器上的计算全息图的编码,对液晶空间光调制器进行相移特性系统研究。实验测量表明液晶空间光调制器相移系统具有很高的精确性、可重复性和稳定性,并验证相移系统在同轴数字全息中使用的可行性。     

基于红外数字全息的水分含量检测方法研究北大核心CSCD

红外数字全息有不易受可见光干扰、对系统稳定性要求不高等优点,在许多领域都有应用价值;而水分对多个波段的红外光都有很强的吸收效应,将该特点与红外数字全息相结合,以新鲜三七切片作为被测对象,随着时间推进,其表面水分含量逐渐减少,表面对物光吸收逐渐减弱,物光逐渐增强,全息图的条纹对比度发生变化,通过对实验中拍摄到的全息图的条纹对比度进行计算,其整体变化趋势与预期的水分含量变化趋势相符合,验证了该方法的可行性。并添加模拟近红外法测水分含量实验,对比实验结果,体现出本文所提出方法在测量精度上的优越性。     

双曝光数字全息三维变形测试

全息三维变形测试在军事、工业测试中有重要意义,而传统的全息术由于记录、显影、定影、再现、复位等条件使其应用受到限制。文中应用CCD 实现了数字全息,不仅避免了传统全息显影、定影等过程,也避免了全息材料非线性记录等缺点,并基于双曝光全息干涉术和四步相移法原理,实现了数字相移,取代了传统的应用压电位移器等机械相移法,实现了物体的三维变形测试。由物体变形的二维等高线图和三维立体图,可判读物体变形的大小、变形的方向和变形的形状。大量的实验表明,该方法不仅简化了全息干涉测试的光学装置,而且具有操作简单,测试精度高,其精度容易达到1 /10 波长。     

基于任意相移量的4步相移数字全息新方法

为了研究相移数字全息中的相移量计算问题,从菲涅耳衍射和全息理论出发,对相移离轴无透镜傅里叶变换数字全息的记录和再现进行了分析,推导了基于任意相移量的4步相移数字全息图的光场表达式,提出了一种利用相位相减计算任意相移量的新方法,并进行了相应的实验验证,得到了预期效果。结果表明,该方法与传统的4步相移方法相比,不需要对相移器进行严格标定,也能有效地消除数字全息再现光场中的0级衍射和共轭像,提高再现像的信噪比,因此,这对降低测量系统的复杂性,促进4步相移数字全息的发展是有帮助的。     

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.     

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。