基于空间光调制器的非相干数字全息单次曝光研究

菲涅耳非相干相关全息术(Fresnel incoherent correlation holography,FINCH)利用在空间光调制器(spatial light modulator,SLM)上加载双透镜模式对同一物点光分束自相干,并通过改变加载的相位因子得到不同的相移全息图.本系统利用SLM可分区编码调制特性,将FINCH成像中SLM上分三次加载的0°,120°,240°相位双透镜掩模各提取1/3组成一幅复合相移模式加载,并研究了三种相位分布方式对FINCH成像质量的影响.结果表明:三个相位在SLM上分布间隔越大,再现像越清晰.在此基础上,提出了一种新的掩模加载方式,在SLM加载透镜阵列,每一个相位因子对应一个双透镜,具有一个光轴.实验表明,通过这种加载方式,通过SLM后形成的三个相移图能够一次在电荷耦合器上记录,并且三个相移图不重叠,然后通过MATLAB编程计算将不同相移角度的全息图分别提取出来,通过三步相移计算合成一幅包含有物光波的复值全息图,最后通过数值再现算法重建待测样品.此系统可用于对光源相干性较低的实时成像系统,也为微小形变测量、动态物体的观测提供了新方法,为非相干数字全息术的发展提供了新思路.     

基于螺旋相位调制的非相干全息点扩散函数研究

分析了菲涅耳非相干相关全息(Fresnel incoherent correlation holography,FINCH)系统中纯相位空间光调制器(spatial light modulator,SLM)加载螺旋相位掩模时的点扩散函数.以氙灯为照明光源搭建了FINCH系统,电荷耦合器记录的点源全息图与点扩散函数模拟结果一致.采用该系统分别在SLM上加载双透镜掩模和螺旋相位调制双透镜掩模两种情况下对分辨率板和非染色洋葱细胞成像,给出了成像对比结果.结果表明:采用螺旋相位调制的FINCH系统可以在几乎不牺牲分辨率的情况下提高图像的边缘对比度;同样,对相位物体也可以实现图像的边缘提取和识别.该方法在实时监测活细胞的分裂、形变等方面具有重要应用前景.     

菲涅耳非相干数字全息大视场研究

菲涅尔非相干相关全息术(Fresnel incoherent correlation holography, FINCH)通过空间光调制器(spatial light modulator, SLM)将来自物点的光波分解为曲率半径不同的两束自相干光,干涉条纹由CCD记录.由于受限于SLM与CCD的像素数目及像素尺寸, FINCH技术与光学全息术相比记录视场要小得多.本文通过对FINCH系统的记录过程进行理论分析,给出了SLM所能记录的视场角,说明通过调控加载在SLM上的双透镜光轴中心,能够扩大SLM的有效直径从而将SLM的有效记录范围增大2.77倍,有效扩大了系统的记录视场.搭建了非相干光反射式数字全息记录系统并对理论分析进行了实验验证,结果表明:在SLM上依次加载不同光轴中心位置的双透镜掩模进行FINCH记录及再现,将得到的各子图像拼接融合可以得到高分辨率大视场图像,为菲涅尔非相干全息术在高分辨大视场显微成像的进一步应用提供了有力支撑.     

基于位相变更的非相干数字全息自适应成像

菲涅耳非相干数字全息作为一种非扫描的三维成像技术具有其独特的优势,但其成像过程中会受到各种像差的影响,导致成像分辨率、再现像的质量降低.为了解决这一问题,可以结合适当的自适应光学技术对波前像差进行探测和校正.位相变更是一种基于两幅具有已知位相差的强度图像实现波前探测和像差校正的技术.本文发展了基于位相变更的非相干数字全息自适应成像技术,不需要引入引导星,利用全息记录过程中的两幅相移全息图,实现波前像差的探测.本文给出了所发展技术的数值仿真和实验结果,结合位相变更算法求解出系统像差的位相分布,将像差的共轭位相加载到光瞳面上,在全息图记录的同时校正像差,从而提高重建像的质量.     

Review of Fresnel incoherent correlation holography with linear and non-linear correlations

Fresnel incoherent correlation holography(FINCH) is a well-established incoherent imaging technique. In FINCH, three selfinterference holograms are recorded with calculated phase differences between the two interfering, differently modulated object waves and projected into a complex hologram. The object is reconstructed without the twin image and bias terms by a numerical Fresnel back propagation of the complex hologram. A modified approach to implement FINCH by a single camera shot by pre-calibrating the system involving recording of the point spread function library and reconstruction by a nonlinear cross correlation has been introduced recently. The expression of the imaging characteristics from the modulation functions in original FINCH and the modified approach by pre-calibration in spatial and polarization multiplexing schemes are reviewed. The study reveals that a reconstructing function completely independent of the function of the phase mask is required for the faithful expression of the characteristics of the modulating function in image reconstruction. In the polarization multiplexing method by non-linear cross correlation, a partial expression was observed, while in the spatial multiplexing method by non-linear cross correlation, the imaging characteristics converged towards a uniform behavior.     

非相干照明条件下的ptychographic iterative engine成像技术

在传统多波长相干衍射成像理论的基础上提出适用于 X-射线和电子束等非相干光源照明成像的改进多波长ptychographic iterative engine 方法, 同时将小孔形状和照明光谱信息用于叠代计算, 可以在非相干照明条件下精确重建出物体的强度透射像和相位透射像, 并对光源带宽对重建精度的影响进行了分析, 对于解决如何在非相干照明条件下对大尺寸物体进行精确相位成像的问题具有较好的科研和实用价值.     

基于液晶可调变滤色器的光谱图像获取及颜色重建方法

基于液晶可调变滤色器(LCTF)的光谱成像系统具有光谱分辨率高、结构紧凑、控制灵活等特点。搭建了一套可见光波段的高分辨率LCTF光谱成像系统,对系统的光谱图像获取及彩色图像重建方法进行了研究;建立了系统的光谱及颜色重建模型;基于标准色卡及标准测色系统,对该系统的颜色复现效果进行了实验验证;实验结果表明,该LCTF光谱成像系统的彩色图像颜色复现精度达可到较小色差水平。     

图像传感器像素化效应对菲涅耳非相干关联全息分辨率的影响

作为复光场显微成像的一种新技术,菲涅耳非相干关联全息术(Fresnel incoherent correlation holography,FINCH)因其非相干光记录的特点在近年来受到关注.FINCH作为一种新型非相干全息系统,如何设计光路实现其最佳的分辨率是一个关键问题.然而,针对这个问题的讨论,目前已有文献存在不同的观点,有关FINCH最佳分辨率的成像条件仍有待研究.全息图有效孔径大小是决定全息成像系统分辨率的重要因素,在FINCH系统中,全息记录距离的变化则会引起全息图有效孔径发生变化,全息图的有效孔径大小不仅与光路各元件的孔径有关,还与相干光波相互干涉叠加区域的面积以及图像传感器的像素间距等因素有关.本文基于波动光学理论,结合FINCH全息图的波带结构特征,研究了FINCH全息图的有效孔径.研究发现数字全息记录相机的像素化特性是影响FINCH成像分辨率的决定性因素,并进一步通过数值模拟和光学实验验证了理论分析结果:全息图记录距离(Z_h)等于空间光调制器加载的衍射透镜焦距(f_d)时,FINCH系统的再现像将会达到最佳横向分辨率,且分辨率随成像距离|Z_h-f_d|的增大而降低.     

基于LCTF调谐的高光谱成像系统设计

提出一种新的轻小型高光谱成像系统,将液晶可调谐滤光片LCTF应用于高光谱成像技术,用电调谐的LCTF代替传统的机械滤光片转轮,在可见-近红外波段上可快速地实现波长的任意调谐。系统由光学镜头、LCTF和CCD探测器组成。文章首先详细描述了系统结构、光学设计及其工作原理;再利用该成像系统,以飞艇为平台进行了野外试验,获取了高光谱立体图像,所获取的图像有较高的空间分辨率和光谱分辨率;文章给出16个波段中546～600 nm的局部图像数据,最后对图像进行初步的数据处理,推导出地物420～720 nm的光谱反射率。试验验证了该成像系统的高光谱数据成像获取能力,成像数据可应用于光谱分析。     

AOTF高光谱成像0级干扰抑制方法研究

随着光谱成像技术的发展,以高空间分辨率和高光谱分辨率获得的图像极大地提高了地物目标的识别能力,为准确获取地物被测目标的二维空间影像信息和一维光谱信息,设计完成一种基于声光可调滤波器(AOTF)的高光谱成像系统,但由于系统中偏振片消光比有限,导致视场外的0级光与被测目标的+1级衍射光发生重叠,而AOTF无驱动时成像可近似为0级干扰的图像,为此提出一种AOTF加驱动图像减无驱动图像的0级干扰抑制方法。并采用该系统样机进行外场光谱成像实验,对结果进行0级干扰抑制方法修正,修正后的结果表明该方法不仅大幅度消除了0级光的干扰,而且还提高了整个成像光谱的测量精度。     

基于偏振光谱成像的目标识别方法研究

为提高伪装目标识别的准确性,提出将光谱信息与偏振信息相融合的伪装目标识别方法。基于液晶可调谐滤光片（LCTF）搭建了偏振光谱成像系统,通过实验对绿色植物中隐藏的假植株进行偏振光谱探测实验。利用主成分分析法（PCA）对各偏振方向的目标光谱图像进行波段选择,获取对应的光谱融合图像后进行偏振度计算,最终得到被测目标的偏振光谱融合图像。实验结果表明:得到的偏振光谱融合图像与光谱融合图像相比,信息熵提高了72%,平均梯度提高了250%。     

基于LCTF的多光谱面阵CCD相机的辐射定标

基于液晶可调谐滤光片(LCTF)的多光谱面阵CCD相机是一种新型的多(高)光谱成像系统,它利用液晶的电控双折射效应和偏振光的干涉原理,在面阵CCD上记录任意一个波长的图像信息.由于LCTF和帧转移型面阵CCD工作方式的特殊性,普通的定标方法不能满足遥感应用的精度需求.提出用积分球+标准探测器的定标系统对相机进行性能检测...     

液晶光谱成像技术研究进展

液晶光谱成像技术是基于液晶可调滤光片的新型光谱成像技术.利用向列相液晶材料的电控双折射效应,液晶可调滤光片可在工作谱段内进行连续光谱调谐,实现光谱成像系统的小型化、多用途、实时控制.获取高空间分辫率和高光谱分辫率的光谱图像,是今后航天航空遥感的一个重要发展方向.结合液晶光谱成像技术的国内外研究进展,分析了其目前存在的主...     

多波长同时照明的菲涅耳域非相干叠层衍射成像

传统的叠层衍射成像往往采用单波长照明,即使使用多波长来提升恢复质量也是采用依次照明的方式,同时对相干性要求很高.非相干光照明一直被认为不利于衍射成像.本文提出了一种多波长同时照明的非相干叠层衍射成像方案及相应的多路复用叠层衍射成像算法,并通过仿真和实验验证了该方案的可行性.相比于传统的相干叠层衍射成像方案,该方案不仅能够很好地恢复物像,同时也能够恢复不同波长下分别对应的物体的光谱响应、复振幅探针和光谱比例,从而获得更多的物体信息,具有多通道和多光谱的优势.同时,通过彩色图像编码的方式,能够实现物体的真彩色复原和图像质量的增强.此外,还证明了该算法具有很强的鲁棒性,研究了最多可分辨波长的数量.该研究结果为叠层衍射成像技术的信息多路复用及多光谱成像在更多领域的应用展现了可能性.     

Computer-generated kinoforms of real-existing full-color 3D objects using pure-phase look-up-table method

A computational method based on pure-phase look-up-table (LUT) is proposed for generating kinoforms of full-color real-existing three-dimensional (3D) objects. The principle of the pure-phase LUT method is described. 3D depth as well as color information of a full-color 3D object is obtained by the full-color 3D profile measurement approach based on binocular vision. The obtained full-color 3D data is decomposed into red (R), green (G), and blue (B) channels, and kinoforms of each channel are calculated from the depth map and color information of the corresponding channel using the pure-phase LUT method. In order to reduce the speckle noise of reconstructed full-color 3D image, sequential kinoforms of each color channel are generated by adding dynamic-pseudorandom phase factor into the object domain. Numerical reconstruction and optical reconstruction with a phase-only spatial light modulator (SLM) show that, with the proposed method, full-color holographic 3D display of real-existing full-color 3D objects is available.     

正交偏振多光谱成像术应用于活体微循环观察研究

构建一种小型、简洁的活体微循环多光谱成像系统,将正交偏振光谱成像术OPS Imaging及液晶可调谐滤光片LCTF应用于活体微循环多光谱成像。LCTF具有较高的成像质量、较低的功耗、且没有移动部件和图像移动,能够连续、随机地在可见-近红外波段上快速实现波长的任意调谐。利用该系统,对活体裸鼠的耳廓采用检偏角为90°(正交偏振方式)与0°两种方式进行了试验,获取了裸鼠耳廓微血管的多光谱图,得出采用正交偏振成像方式的图像的对比度及图像细节均优于检偏角为0°时的图像。试验验证了正交偏振多光谱成像技术能增强活体微循环观察效果。     

Real-time optical reconstruction of the diffused 3D object using phase information calculated by Continuous Wavelet Transform

We propose the real time optical reconstruction of a three-dimensional (3D) object from a digitally recorded hologram. Phase distribution of the recorded hologram is numerically calculated by 1-dimensional Continuous Wavelet Transform (1D-CWT) for digital reconstruction with phase only information. Also, the phase distribution of 1D-CWT transferred to the spatial light modulator (SLM) is used to obtain optically reconstructed image. It is observed that an efficient real-time analysis can be achieved, if phase of 1D-CWT is used. In the same time, optically reconstructed 3D objects obtained by only phase information are about three times brighter than bleached hologram intensity's. So the minimum power loss can be obtained. Numerical and experimental results are presented.     

干涉型计算层析成像光谱仪的图像重建

针对干涉型计算层析成像光谱仪(CTII)提出了一种光谱图像数据立方体的重建方法。干涉型计算层析成像光谱仪是一种将空间调制傅里叶变换成像光谱仪(FTIS)的原理与计算层析成像光谱仪(CTIS)的原理相结合的一种新型成像光谱仪,具有高通量、高光谱分辨力以及高空间分辨力的特点。分析和讨论了干涉型计算层析成像光谱仪的工作原理以及获取图像的特征,介绍了光谱图像数据立方体的重建方法。根据多角度投影数据的特点提出采用卷积反投影计算层析成像图像重建算法,给出了图像重建步骤以及相应的数学表达式。对D65光源照明条件下的396×396像素目标进行了仿真实验,投影角度为0~180°,步长为0.5°,列出了仿真实验部分结果。实验结果验证了干涉型计算层析成像光谱仪及其图像重建算法的可行性。     

谱-空间2D ESR成像

在Bruker ER 200D ESR 谱仪上安装一套自制的谱-空间2D ESR成像系统,这套系统由一对梯度场线圈、电源、微机及图像重建程序组成. 用滤波反投影图像重建方法,实现了两种自由基样品的谱-空间2D ESR成像,由2D 图像得到样品中自由基的自旋密度空间分布及相应的波谱参数. 讨论了成像参数与图像精度的关系.     

Demonstration of a high-speed nonscanning imaging spectrometer

We report results from a field demonstration of a nonscanning high-speed imaging spectrometer [computed-tomography imaging spectrometer (CTIS)] capable of simultaneously recording spatial and spectral information about a rapidly changing scene. High-speed spectral imaging was demonstrated by collection of spectral and spatial snapshots of a missile in flight. This instrument is based on computed-tomography concepts and operates in the visible spectrum (430-710nm). Raw image data were recorded at video frame rate (30frames / s) and an integration time of 2ms. An iterative reconstruction of the spatial and spectral scene information from each raw image took 10s. We present representative missile spectral signatures from the missile firing. The accuracy of the high-speed spectrometer is demonstrated by comparison of extended-source static-scene spectra acquired by a nonimaging reference spectrometer with spectra acquired by use of CTIS imaging of the same static scenes.