大尺寸物光波面彩色数字全息高质量重建研究

为解决检测面尺寸较大时CCD难以得到高质量数字全息图的问题,本文利用负透镜设计光学系统让CCD接收来自物体的缩小虚像,以球面波为参考波,使用单色CCD近距离得到三种色光照射下的大尺寸彩色物体的数字全息图,然后采用可控放大率波面重建算法得到同一尺寸的数字全息重建像,合成彩色数字全息重建像.同时,使用两种消零级方法去除零级干扰,提高重建像质量,一种方法利用空间光调制器相移技术在参考光中加入一次任意相移,记录两幅数字全息图,消除重建零级像|另一种方法使用“无干扰全息图”消除重建零级像及共轭像.本文讨论结果可为大物体彩色数字全息及多波长数字全息检测应用提供有益的参考.     

单幅同轴全息图两步迭代收缩重建

利用压缩传感理论中的两步迭代收缩重建算法,开展单幅同轴全息图重建实验研究,实现单幅同轴全息图共轭重建像的消除并克服数字全息技术在轴向聚焦平面识别能力的不足。以数字图像和标准分辨率板为记录物体,比较分析了基于两步迭代收缩算法和菲涅尔近似衍射重建算法的重建质量;以两根裸光纤为实验样本,分析了两步迭代收缩重建算法对记录物体轴向不同焦平面的识别能力。实验结果表明两步迭代收缩重建算法可得到清晰度高于68.73%的重建信息,同时对直径为125 m的两根光纤在9 mm的轴向间距条件下,显示出了比全息菲涅尔近似算法更好的聚焦平面识别能力。这一轴向聚焦识别能力有助于数字全息技术应用于功能材料梯度参数或功能涂层光学器件涂层厚度检测。     

基于POCS的数字全息显微系统的超分辨实验研究

为提高数字全息显微系统的重建效果,将凸集投影算法应用于数字全息中,以实现数字全息的超分辨重建.首先,在数字全息和凸集投影法的理论基础上,搭建透射式离轴数字全息显微实验光路.然后,利用分辨率板验证凸集投影法在全息图超分辨率复原中的有效性.最后,通过微透镜阵列验证该方法在三维重建中的可行性.将参考全息图的三维重建结果,分别与低分辨率全息图和超分辨率复原全息图的重建结果进行残差估计.结果表明,后者残差的峰谷值和均方根值相比前者分别降低了36.88%和70.66%,证明该方法能够实现数字全息的超分辨重建.     

大尺寸物光波面彩色数字全息高质量重建研究

为解决检测面尺寸较大时CCD难以得到高质量数字全息图的问题,本文利用负透镜设计光学系统让CCD接收来自物体的缩小虚像,以球面波为参考波,使用单色CCD近距离得到三种色光照射下的大尺寸彩色物体的数字全息图,然后采用可控放大率波面重建算法得到同一尺寸的数字全息重建像,合成彩色数字全息重建像.同时,使用两种消零级方法去除零级...     

数字全息周期像的产生机理及在抑制零级衍射上的应用

在数字全息成像中, 利用CCD的RGB模式采样全息图时, 全息重构像会出现特定的周期性分布. 本文从理论和实验上详细研究了这种周期像产生的机理、分布特性和应用. 研究结果显示, 由于CCD的光谱滤镜会使全息图的RGB三个单色采样阵列出现部分像素信号的缺失, 因此, 需要通过特定的demosaicing数学算法对缺失的像素信号进行重建以形成完整的单色采样阵列, 这是数字全息再现像周期分布产生的根源. 而基于demosaicing算法的采样阵列重建会在全息图频谱中引入调制函数, 导致物体再现像和零级衍射斑的周期分布差异. 本文揭示了全息图的RGB采样、demosaicing算法与全息重构像周期性之间的内在关联. 最后, 讨论了结合空间移位和图像形态学技术, 利用重构像的周期性抑制零级衍射斑的应用. 所有理论与实验研究结果完全一致. 关键词： 数字全息 图像周期性 零级斑抑制     

少量投影数字全息层析重建实验研究

提出了少量投影数字全息层析重建技术.以具有轴对称结构的光纤和非轴对称结构的石膏头像为实验样本,开展了基于单幅全息图和代数迭代重建算法的层析重建模拟分析及实验研究.模拟分析表明,代数迭代重建算法中的加权因子以及松弛因子对重建图像质量影响显著,因此对加权因子采用非线性加权计算方法,以及通过多次模拟重建结果的比较选择合适的松弛因子.层析重建实验结果表明,无论被测物体是轴对称结构或是非轴对称结构,少量投影数字全息层析重建是可行的,也是有效的.这为下一步针对生物样本内部多层折射率检测和基于单幅层析全息图实现三向实时数字全息层析重建技术研究提供了必要的基础.     

基于同态信号处理的数字全息广义线性重建算法研究

为了提高数字全息图的重建速度和精度,本文提出了一种基于同态信号处理的数字全息广义线性重建算法. 首先利用预放大数字全息显微系统并结合同态信号处理原理进行了理论分析,得到了广义线性重建算法的实现条件及重建步骤,并对该算法的优点进行了分析;然后利用计算机模拟和实验相结合的方法对理论分析进行了验证. 结果表明：数字全息广义线性重建算法不仅可以有效的消除全息图频谱中零级项的干扰,实现高精度再现,而且由于采用一个完整象限的固定区域滤波,避免了常规线性算法的手动滤波操作,极大地提高了重建速度,同时最大限度地保留了原始像中的高频成分,实现全息图的高分辨重建. 关键词： 数字全息显微术 同态信号处理 傅里叶变换 分辨率     

三维复杂场景的菲涅耳全息图频域压缩重建

针对三维物体计算机产生全息图信息的相似性和冗余性问题,提出了一种基于三维总变分稀疏模型复杂三维场景的菲涅耳全息图频域压缩重建方法。首先通过计算获得了三维物体的菲涅耳全息图,然后利用概率密度函数服从指数分布的非相干变密度频域下采样模式对菲涅耳全息图的频域进行频域下采样操作,最后利用压缩感知重构算法对下采样后的全息图频域信息进行频域压缩重建。模拟实验验证了该方法的可行性,相比于传统的利用高斯随机测量矩阵对全息图空域的下采样模式,所提方法能够显著提高重构图像的峰值信噪比,这方法尤其适用于低采样率情况下。     

像面滤波技术在无透镜傅里叶变换数字全息中的应用

无透镜傅里叶变换数字全息波前重建主要采用全息图的一次快速傅里叶变换方法,重建图像不能充分占有重建平面.本文基于像平面滤波技术,提出对物体局部区域光波场进行放大重建并让重建图像布满重建平面的方法,给出具有精细结构物体的数字全息波前重建实例.此外,将数字全息光波场重建视为具有方形出射光瞳的光学系统的相干光成像过程,导出了物体放大图像的分辨率与光学系统相关参量的关系,并通过实验给予证明.     

像面滤波技术在无透镜傅里叶变换数字全息中的应用

无透镜傅里叶变换数字全息波前重建主要采用全息图的一次快速傅里叶变换方法,重建图像不能充分占有重建平面.本文基于像平面滤波技术,提出对物体局部区域光波场进行放大重建并让重建图像布满重建平面的方法,给出具有精细结构物体的数字全息波前重建实例.此外,将数字全息光波场重建视为具有方形出射光瞳的光学系统的相干光成像过程,导出了物体放大图像的分辨率与光学系统相关参量的关系,并通过实验给予证明.     

Digital holographic image fusion for a larger size object using compressive sensing

Digital holographic imaging fusion for a larger size object using compressive sensing is proposed. In this method, the high frequency component of the digital hologram under discrete wavelet transform is represented sparsely by using compressive sensing so that the data redundancy of digital holographic recording can be resolved validly, the low frequency component is retained totally to ensure the image quality, and multiple reconstructed images with different clear parts corresponding to a laser spot size are fused to realize the high quality reconstructed image of a larger size object. In addition, a filter combing high-pass and low-pass filters is designed to remove the zero-order term from a digital hologram effectively. The digital holographic experimental setup based on off-axis Fresnel digital holography was constructed. The feasible and comparative experiments were carried out. The fused image was evaluated by using the Tamura texture features. The experimental results demonstrated that the proposed method can improve the processing efficiency and visual characteristics of the fused image and enlarge the size of the measured object effectively.     

雾化场光学全息与数字全息联合测量

针对雾化场光学全息测量存在干板湿化学处理繁琐、再现像采集耗时的问题,提出光学全息与数字全息联合测量的方法,建立由同轴光学全息、同轴数字全息以及数字延迟信号发生器组成的测量系统,并以双孔直射式喷嘴产生的雾化场为测量对象,利用该测量系统在一次测量中同时获得雾化场的光学全息和数字全息的再现图像,两者具有很好的一致性。光学和数字再现图像相对应的视场范围分别为27.87 mm4.77 mm和27.59 mm6.67 mm,数字方式获得视场范围内单一层面再现像的时间仅为8 s,而光学方式将近1 h。结果表明,光学全息与数字全息联合测量时,通过数字全息的雾化再现图像能够对实验总体效果进行实时评估,提高了雾化场全息测量的实验效率。     

Study on the reduction of speckle noise in the reconstructed image of digital hologram

As one of the most important 3-D display technique, reduction of speckle noise in the reconstructed image of digital holography should be grounded on the digital hologram itself. Based on the whole process of the recording and reconstruction of digital holography, the optical distributions of recorded object and reconstructed image of digital holography have been studied. It has been proposed that the root formation cause of speckle noise in its reconstructed image is the speckle noise formed on the recorded object surface when illuminated by coherent light because of its optical roughness. A novel approach has been presented to reduce speckle noise in digital holography by changing the interference structure of hologram itself. First, by reducing the speckle noise in the reconstructed image, the distribution of ideal reconstruction light with reduced speckle noise is acquired. Then in turn, taking the ideal reconstruction light with reduced speckle noise as ideal object light, a new hologram can be rebuilt, which can reconstruct the ideal object light. The experimental results are given to confirm the proposed method. Therefore, it offers a brand-new thought and practical way to reduce the speckle noise in the reconstructed image of digital holography.     

数字微镜用于菲涅耳衍射全息显示的理论研究

导出人眼感觉的菲涅耳衍射全息的数字微镜重建场强度表达式.基于数字微镜每显示周期8幅二值图形成灰度图的机制,比较了每周期8幅及256幅二值图方案时菲涅耳衍射全息的显示质量.结果表明,数字微镜显示图像的质量低于数字全息波面重建质量.存在优化控制数字微镜提高显示图像质量的可能性.     

像面数字全息的重建相位误差分析和改善

像面数字全息是数字全息技术中常用的测量和成像方式,它通常采用离散傅里叶变换和频率滤波的方法进行物光波的重建.本文讨论了这些算法对重建相位的影响.首先分析了频谱泄露对于相位误差的影响,结果表明当采样周期为整数时,重建相位误差很小,因此具有极高的相位重建精度;而当不满足整周期采样时,相位重建误差有了明显的增加.为了改善频谱泄露所引起的相位误差,采用Hanning函数对数字全息图进行了预处理,结果表明Hanning窗的加入能够有效地提高重建相位的准确程度.     

Talbot self-image effect in digital holography and its application to spectrometry

For the first time to the authors' knowledge, the Talbot effect has been observed and investigated in digital holography. By numerical reconstruction of holograms, the Talbot self-imaging phenomenon is observed by reconstruction of the amplitude of the image at different distances and (or) wavelengths. A simple spectrometer based on Talbot self-imaging in digital holography is proposed and demonstrated.     

基于压缩感知与扩展小波树的自适应压缩成像

为了在现有的采样条件下,通过新的压缩采样方式获得计算量小且质量更好的图像,提出了基于压缩感知与扩展小波树的自适应压缩成像方法。首先将图像投影到分区控制的DMD上,获得图像在低分辨率下的测量值,并通过压缩感知重构算法重构出低分辨图像,接着利用扩展小波树预测重要小波位置,通过DMD在小波域采样获取图像的细节信息,最后由小波逆变换恢复高分辨率图像。将该方法与最小化全变分算法（TVAL3）和近来提出的基于扩展小波树的自适应成像算法（EWT-ACS）效果进行对比,实验结果表明,以boat图像为例,在压缩感知采样率为0.75,整体采样率为10%的无噪声条件下,该方法相较于TVAL3、EWT-ACS算法信噪比提高了4.63 dB和2.87 dB,在附加噪声条件下成像效果也较好。该方法能极大地降低压缩感知重建算法的运行时间,同时减少采样次数,具有较好的抗噪性。     

Continuous-wave 2.52 Terahertz Gabor inline compressive holographic tomography

Continuous-wave (CW) 2.52 Terahertz (THz) 3D tomographic images were obtained by numerically reconstructing a single Gabor inline digital hologram based on modified compressive sensing reconstruction algorithm. Three metallic copper samples which are separately adhered to three Teflon plate were used as the targets. The actual axial resolution achieved was higher than 6 mm, and the lateral resolution was higher than 0.4 mm. Similarly, a paper clip and a handwritten character sample on a white paper were also imaged. Numerical simulation and experimental results verified the preferable reconstruction characteristics of the proposed modified algorithm. The feasibility of CW THz Gabor inline compressive holographic tomography is confirmed by adding barriers such as Teflon boards and thermal paper to block the samples.     

基于Hilbert变换实现数字全息高精度相位重建

为了提高数字全息相位重建精度,研究了基于Hilbert变换重建相位的理论和方法,并通过像面数字全息实验对该方法的有效性进行了验证,同时与数字全息常规重建方法得到的结果进行了比较.结果表明:Hilbert变换本身具有消除直流项的作用,对利用频域滤波滤除零级谱后的全息图进行Hilbert变换,能够彻底消除零级衍射项的干扰,从而提高相位重建精度.与常规重建结果相比,基于Hilbert变换的相位重建结果的标准偏差降低了14.0%.本文结果对提高数字全息相位重建精度具有重要的指导意义.