体全息存储系统图像质量因素MTF数值模拟分析

影响体全息存储系统中读出图像误码率的因素很多,其中输入与输出器件SLM、CCD的性能以及它们信号匹配关系起着关键的作用。针对这一实际问题,利用CCD成像系统的调制传递函数理论和数值模拟方法,通过对4f系统中周期性SLM像素分布的CCD输出响应分析,研究了SLM和CCD的填充因子、对比度、位相匹配关系对读出图像误码率的影响,并给出计算机仿真结果。     

全息光盘存储器的数据存取与像素匹配

全息光盘存储(HDS)技术作为一种非常具有潜力的新型信息存储技术, 是下一代光盘发展的目标。在全息光盘存储系统中, 为了实现数据精确快速地写入和读出, 降低误码率, 需要在整个高分辨率页面上实现空间光调制器(SLM)与光电阵列耦合器(CCD)之间1∶1像素匹配。在体全息存储理论和光学设计理论基础上, 研究实现SLM和CCD像素1∶1匹配的方法, 提出了实现像素匹配的要求和条件, 并且按照此要求完成该全息光盘存储器的光学系统。实验中, 分别使用随机数据掩膜版和SLM实现了对CCD的512×512精确像素匹配, 在光学系统中引入存储介质条件下, 图像质量良好, 掩膜版和SLM原始误码率分别为2.5×10-4和1.5×10-4。     

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.     

像素1:1匹配的晶体全息存储系统中像素位置偏移的补偿算法

在体全息存储系统的数据读出过程中,为了提高读出速度,需要做到SLM与CCD像素的1∶1匹配。但在实现1∶1匹配的过程中,如何降低误码率是一个难点。利用傅里叶光学成像理论,推导出了在4f系统中单个SLM像素成像的光强分布,并由此定量地分析了像素位置偏移对读出误码率的影响。提出了针对像素偏移的数值补偿算法,并获得了较理想的实验结果。     

卫星光通信系统中CCD器件的空间辐射特性研究

 为了提高卫星光通信系统中电荷耦合器件（CCD）空间抗辐射性能,分析了空间辐射环境对CCD器件造成的电离辐射效应和位移辐射效应。通过理论分析和数值模拟计算研究了不同辐射源、不同沟道类型以及不同偏置状态对CCD电荷转移效率（CTE）的影响,结果表明,空间辐射主要在暗电流密度和电荷转移效率两方面影响CCD器件的工作性能。卫星光通信系统中的CCD器件应该选择P沟道CCD,并且在系统不工作时尽量使其处于非偏置状态。     

基于数字微镜器件技术提高面阵CCD相机动态范围的研究

提出了一种采用数字微镜(DMD)器件作为SLM调制面阵CCD的设计方法.解决普通CCD相机在拍摄高反差场景时,图像上出现过曝光或欠曝光,造成丢失细节的现象.该方法通过场景预测成像,确定CCD按多曝光区域的划定和曝光时问.利用DMD微镜凋制功能,实现CCD分区分时曝光.同时设计一种图像数据结构提高了面阵CCD动态范围.实验证明,该方法不但提高了成像质量,高亮和背光处细节可清晰地表现.而且增强了图像数据的动态范围.实现了实时获取高动态范围、高质量的图像及数据,不再需要软件"融合".     

三种光电器件用于天体光度测量时的性能比较

从天体光度测量原理出发推导出光电倍增管、普通CCD和电子倍增CCD在天体光度测量中的信噪比公式,从理论上比较了三种器件在天体光度测量中的性能,并给出了实验结果。结果表明,电子倍增CCD的性能最好;在光辐射度较小的条件下,读出噪声严重地影响了普通CCD的信噪比,光电倍增管的性能较普通CCD的好;而在光辐射度较大的条件下,量子效率成为信噪比的决定因素,普通CCD的性能较光电倍增管的好。最后从误差平方和与信噪比两个方面对理论推导进行了实验验证,结果表明实验结果和理论计算吻合得很好。     

不同光照条件下CCD相机时间噪声和空间噪声的研究

在用CCD相机进行目标探测时,多数情况下目标的背景具有一定的照度,这个照度会对探测结果产生影响。为了了解背景对探测结果的影响,通过建立CCD相机三维噪声模型及其测试系统,在不同光照条件下对CCD相机的时间噪声和空间噪声进行了测量与分析。给出了测试系统的结构框图和部分测试结果,得到了对CCD输出质量产生主要影响的噪声以及时间噪声和空间噪声随光照度变化的规律。测试结果表明：随着CCD相机光敏面光照度的提高,空间噪声和时间噪声均升高,符合CCD相机的实际性能。     

基于空间光调制器的计算全息成像特性

把基于高分辨空间光调制器(SLM)的动态计算全息波面变换系统看作一个相干光学成像系统,分析并推导了该系统的点扩展函数（PSF）,进而研究了SLM像素结构所引起的固有切趾和展宽效应. 通过计算机模拟考察了SLM填充因子和衍射距离对系统分辨率的影响,给出了满足抽样定理所要求的系统的最小衍射距离. 最后提出了一种消除SLM像素结构影响的物波频谱预处理方法. 这一研究为优化系统设计,完善波面变换系统提供了新的途径.     

线阵探测器KLI-2113总剂量辐照性能试验分析

针对Kodak公司的商用CCD探测器KLI-2113进行了总剂量为30 krad(Si)的60Co-γ辐射试验。对比辐射前后CCD的主要参数变化,分析了总剂量辐射对CCD工作性能的影响,并研究了总剂量辐射导致CCD暗电流增大、电荷转移效率降低以及图像噪声增加等现象的内在机理,为后续CCD抗总剂量辐射加固提供依据和参考。     

基于空间光调制器与CCD的衍射和干涉定量实验

利用空间光调制器与CCD摄像机,取代传统的光刻掩膜板及白屏,构建成新型光衍射与干涉定量实验系统,将PC机软件绘制的狭缝小孔等衍射图案传输至空间光调制器,用CCD接收其远场衍射和干涉图样,再用PC机处理图像,做定量分析.可验证狭缝和圆孔衍射公式;对形状和空间关系复杂的异形孔,也可方便地实现衍射干涉图样的观察存储与测算.     

利用散斑照相检测微小位移的实时方法

以CCD作为散斑和杨氏条纹记录设备,以与分屏器相连的电寻址空间光调制器作为滤波器,以计算机作为图像合成、条纹分辨及数据运算处理中心,并同时控制和协调CCD及空间光调制器等设备,实现了利用散斑照相实时、自动测定微小位移的过程.实验结果表明,此种方法获得的测量结果误差较小,具有一定的使用价值.     

Experimental system of coupled map lattices

We design an optical feedback loop system consisting of a liquid-crystal spatial light modulator (SLM), a lens, polarizers, a CCD camera, and a computer. The system images every SLM pixel onto one camera pixel. The light intensity on the camera pixel shows a nonlinear relationship with the phase shift applied by the SLM. Every pixel behaves as a nonlinear map, and we can control the interaction of pixels. Therefore, this feedback loop system can be regarded as a spatially extended system. This experimental coupled map has variable dimensions, which can be up to 512 by 512. The system can be used to study high-dimensional problems that computer simulations cannot handle.     

Experimental validation of closed-loop adaptive optics based on a self-referencing interferometer wavefront sensor and a liquid-crystal spatial light modulator

A closed-loop adaptive optics system based on a self-referencing interferometer wavefront sensor (SRI WFS) using phase-shifting point-diffraction technique and an electrically addressed phase-only liquid-crystal spatial light modulator (LC SLM) is built and validated experimentally. The wavefront aberration of incoming beam is directly measured by analyzing four frames phase-shifted interferograms captured by a single CCD camera in two camera shots, and then by loading the conjugate function onto the SLM the wavefront aberration is corrected. The proposed scheme does not rely on any complicated control algorithm or wavefront-reconstruction algorithm and can achieve high-resolution and high-accuracy correction. Closed-loop correction results of single order Zernike aberrations and a Kolmogorov turbulence phase screen show that considerable improvements in the Strehl ratio (of greater than 0.94) is achieved.     

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.     

多变视场的多焦点多光子激发荧光显微技术

发展了一种新型的多焦点多光子激发荧光显微技术,通过软件控制空间光调制器,在所需要的成像区域产生相应的激发光点阵,通过扫描入射角实现激发点阵快速并行扫描激发,通过CCD并行记录所产生的荧光信号,获得任意视场图像。分别实现了10×10和50×50点阵激发下的全视场双光子荧光图像,并且实现了同时多个区域寻址的多焦点激发成像。对比其他多焦点显微技术,该技术具有明显的灵活性,不但保持了多焦点激发的快速成像的优点,而且还增加了任意数量成像区域同时寻址和阵列点密度变化,所有这些变化只需要通过软件加载相应的相位图案给空间光调制器,而不需要任何硬件更改。     

Super-resolution imaging in digital holography by using dynamic grating with a spatial light modulator

A super-resolution imaging method using dynamic grating based on liquid-crystal spatial light modulator (SLM) is developed to improve the resolution of a digital holographic system. The one-dimensional amplitude cosine grating is loaded on the SLM, which is placed between the object and hologram plane in order to collect more high-frequency components towards CCD plane. The point spread function of the system is given to confirm the separation condition of reconstructed images for multiple diffraction orders. The simulation and experiments are carried out for a standard resolution test target as a sample, which confirms that the imaging resolution is improved from 55.7 μm to 31.3 μm compared with traditional lensless Fourier transform digital holography. The unique advantage of the proposed method is that the period of the grating can be programmably adjusted according to the separation condition.