Application of wavelet transform to hologram analysis: three-dimensional location of particles

The wavelet analysis provides an efficient tool in numerous signal-processing problems and has been implemented in optical processing techniques, such as in-line holography. When the diffraction pattern recorded on a hologram is analyzed by means of a wavelet transform, the 3-D location of small particles can be determined very accurately. The diffraction process can, in fact, be interpreted as a convolution with a family of wavelet functions, or, merely, as a wavelet transform. The scale parameter of the wavelet family is related to the axial distance z that the wave propagates. The original field is then reconstructed by searching for the optimum value of the scale parameter which produces a maximum of the wavelet transform modulus. The technique proposed is implemented and experimental results are presented.     

数字显微全息重建图像的景深扩展研究

显微物镜的景深问题限制数字显微全息在大纵深视场中的应用. 本文充分利用数值重建的特点, 采取低频和高频系数子图上的最大亮度梯度的局部方差作为聚焦判据, 在小波分解域内对显微全息重建图像的景深扩展问题进行了研究. 对倾斜的连续物体碳纤维进行三维重建, 分析了重建距离与直径测量误差的关系. 以超声波雾化器生成的微液滴颗粒场为例, 对离散颗粒场的重建图像进行了景深扩展. 利用基于广义洛伦兹-米散射理论的模型分别模拟1-15 μm 的非透明与透明离散颗粒的显微全息图, 分析了该方法重建的颗粒场的纵深定位误差与夫琅禾费系数的关系, 对比了非透明与透明颗粒纵深定位误差的异同点. 实验和模拟结果显示出该方法对于连续物体和离散颗粒场的显微全息重建图像的景深扩展能力, 且能由此准确重建物体信息.     

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.     

乙醇喷雾场粒子尺寸和速度的数字全息测量

利用连续波激光器和高速CCD,采用数字同轴全息系统,记录了乙醇喷雾粒子场全息图.对粒子场再现像进行聚焦像合成,自适应滤波、二值化、Roberts边缘提取,Hough变换和亚像素精度计算,得到粒子的直径和位置信息.利用两次曝光记录的两个序列全息图得到粒子位移,进而求得粒子的运动速度,给出了实验结果.研究结果表明,该实验系统可用于内燃机喷雾场测量,且具有光路系统简单、成本低等特点.     

A new wavelet-based reconstruction algorithm for twin image removal in digital in-line holography

Two original methods are proposed here for digital in-line hologram processing. Firstly, we propose an entropy-based method to retrieve the focus plane which is very useful for digital hologram reconstruction. Secondly, we introduce a new approach to remove the so-called twin images reconstructed by holograms. This is achieved owing to the Blind Source Separation (BSS) technique. The proposed method is made up of two steps: an Adaptive Quincunx Lifting Scheme (AQLS) and a statistical unmixing algorithm. The AQLS tool is based on wavelet packet transform, whose role is to maximize the sparseness of the input holograms. The unmixing algorithm uses the Independent Component Analysis (ICA) tool. Experimental results confirm the ability of convolutive blind source separation to discard the unwanted twin image from in-line digital holograms.     

Reconstruction of digital hologram of small particles on arbitrarily tilted plane using digital holography

Digital holographic off-axis geometry is presented for the reconstruction of the digital hologram of small particles in an arbitrarily tilted plane. A single hologram is sufficient to obtain a well focused clear image. We can't obtain clear images of small particles in the case of plane tilted to the detector plane by ordinary reconstruction method because of the rotation of the hologram plane. Rotational transformation based on coordinate rotation in Fourier space makes it possible to reconstruct holographic images on any plane in the object space. The reconstruction of digital hologram is based on the plane wave expansion of the diffracted wave fields, using Fourier optics and the two-axis rotation of the wave vectors. With this method, the object-to-hologram distance can be any small distance because the minimum distance requirement does not apply.     

Sectional image reconstruction and three-dimensional microscopy of small particles by angular spectrum method

In this letter, we demonstrate sectional image reconstruction and three-dimensional microscopy of small particles. We demonstrate sectional image reconstruction and holographic methods to obtain 2D and 3D images of small particles. A single hologram is sufficient to obtain a section containing only the focused parts of the reconstructed image. One can obtain images of different plane sections of a specimen in addition to its 3D display. The reconstruction of a digital hologram is based on the plane-wave expansion of the diffracted wave fields using Fourier optics (this method is also known as the angular spectrum method). With this method, the object-to-hologram distance can be quite small because the minimum-distance requirement does not apply. Furthermore, numerical reconstruction of transparent objects by this method may be interesting for micro-structure measurement.     

Wavelet processing and digital interferometric contrast to improve reconstructions from X‐ray Gabor holograms

In this work, the application of an undecimated wavelet transformation together with digital interferometric contrast to improve the resulting reconstructions in a digital hard X‐ray Gabor holographic microscope is shown. Specifically, the starlet transform is used together with digital Zernike contrast. With this contrast, the results show that only a small set of scales from the hologram are, in effect, useful, and it is possible to enhance the details of the reconstruction.     

数字滤波法再现电子全息图

在分析电子全息图特性的基础上，提出频谱滤波法对电子全息图进行数字再现，以解决其再像之间相互重叠的问题，此方法首先将数字化的电子全息图进行傅里叶变换得到全息图的空间频谱，然后对此频谱进行滤波处理并作反傅里叶变换得到一幅新的全息图，最后再用一般的数字再现法对此新的全息图进行再现，用这种方法，可以很方便地得到不受干扰的再现实像。     

基于Hilbert-Huang变换的数字全息图中的零级项抑制

针对数字全息图中的零级项问题,提出一种用Hilbert-Huang变换对零级项进行抑制的方法.首先将二维数字全息图数据展开为一维数据,然后用Hilbert-Huang变换进行经验模型分解,得到第一层的本征模函数,该函数包含了全息图的高频分量,继续分解,得到第二层的本征模函数,该函数包含了全息图的直流分量.实验结果证明,将第一层的本征模函数进行再现,即为零级项得到有效抑制的共轭像,第二层的本征模函数为零级项.该方法只需在空域中进行一次经验模型分解就可有效抑制零级项,较好地保存了原物波信息,在计算速度上具有明显优势.     

数字无透镜傅里叶变换全息术中非傍轴及离焦像差的校正

对数字无透镜傅里叶变换全息图直接采用逆傅里叶变换进行物场的数值重建时.需要满足两个条件:第一,全息图的记录过程必须满足傍轴近似条件,否则再现过程中会产生非傍轴像差;第二,记录全息图时物平面与参考点光源到全息图记录平面的距离必须相等,否则再现过程中会产生离焦像差.理论分析了非傍轴及离焦记录条件下数字无透镜傅里叶变换全息图的灰度分布特点,并提出了相应的非傍轴及离焦像差的数值校正方法.根据实际的非傍轴或离焦记录情况.分别给所记录的数字全息图灰度分布矩阵乘以适当的非傍轴或离焦校正因子,以消除灰度矩阵中非傍轴或离焦因素的影响.然后再对校正后的伞息图灰度矩阵做逆傅里叶变换处理.即可得到准确的数字再现像.实验结果表明.该数值重建方法能够有效地消除无透镜傅里叶变换全息术中数字再现像的非傍轴像差及离焦像差,提高再现像的质量.     

一种有效解决离轴数字全息相图倾斜畸变的数字参考平面方法

离轴数字全息中使用倾斜的平面参考波以消除成像中的零级衍射和共轭像是一种简捷和常用的方法,然而该方法遇到的一个困扰是,由于倾斜参考波引入了附加的载波频率并很难通过实验测量准确地获得附加的载波频率值或倾角,因此会导致重建的相图出现一定的倾斜畸变而无法完全修正.本文提出了一种数字参考平面算法以解决这一问题.该算法利用重建相图的平坦区域选点构建一个能准确表征相图倾斜的数字参考平面,并建立该平面参量与参考波载波频率的数学关系和作为随后相图畸变修正迭代计算的判据.该算法简单有效,不仅能实现对倾斜相位畸变的准确修正,而且能准确地获得倾斜平面参考波的附加载波频率.由于在相位解包裹重建中结合了抑噪处理,因此该方法在环境和系统噪声的影响下仍然有效,实验结果验证了理论设计的有效性.     

显微数字全息数值再现中的自动聚焦

自动聚焦是显微数字全息数值再现中的一项关键技术。基于菲涅耳变换重建算法, 采用实验验证的方法, 对显微数字全息成像中六种典型聚焦评价函数的性能进行了对比研究。提出了利用再现像部分区域进行调焦判断的方法。结果表明, 这些函数都具有较好的单峰性、一致的调焦范围和准确性, 但与梯度运算相关的调焦函数运算时间太长; 傅里叶频谱函数调焦速度最快, 是首选的聚焦评价函数。选取再现像部分区域作为调焦计算区域, 可大大缩短调焦时间。对于低信噪比全息图, 利用维纳自适应滤波进行预处理及对再现像进行后处理, 有利于提高自动调焦的准确性及再现像的质量。     

Improved holographic particle sizing by using absolute values of the wavelet transform

A new method for sizing particle from in-line particle holograms by using absolute values of the wavelet transform is proposed in order to improve accuracy in measurements. The proposed method provides direct calculation of the particle size by using spatial frequency information of a chirp signal at minima position of an envelope function. Simulation and experimental results are presented.     

双重分数傅里叶变换计算全息

提出了双重分数傅里叶变换计算全息，在这种方法中，将两个图像的信息分别经不同阶的分数傅里叶变换后，记录在同一张分数傅里叶变换计算全息图上，它需要两个特定的分数傅里叶变换系统才能再现出所记录的图像信息，利用其再现方式的特殊性，可制成一种新的安全认证系统。     

近距离数字全息术记录和再现问题

讨论了记录距离小于菲涅耳衍射要求的近距离数字全息记录和再现问题。对全息记录与再现中高次相位的补偿问题进行了分析,证明了在CCD的参量和记录距离给定后,只要记录时使物体的大小、球面参考光波的位置和距离满足一定的条件,即使在记录距离小于菲涅耳衍射要求的最小距离情况下,也可将高次相位的影响补偿到足够小,使得近距离数字全息的数字再现仍可用快速傅里叶变换算法计算。推导出了满足高次相位补偿的条件和满足补偿条件时的数值再现计算公式。实验结果与理论分析的结论相吻合,并给出了一种修正实际记录的参考光和计算机模拟的理想参考光之间偏差的方法。     

不用狭缝的两步彩虹全息

本文提出了一种新的两步彩虹全息记录方法。这种方法不需要在主全息图前放置狭缝;所需要的限制狭缝通过适当改变主全息图再现光的方向来合成。文中给出了详细的理论分析和有关实验结果。     

无透镜傅里叶变换全息图数值再现中的图像处理

针对无透镜傅里叶变换全息图数值再现过程的特点，提出了一套不同于以往的削弱或消除全息图0级衍射和孪生像的数字图像处理算法。该算法分为三步。首先，对所拍摄的数字全息图通过高通滤波实现衬比度增强预处理，以提高全息图的衍射效率并消除再现图像的0级衍射斑；其次，对再现图像进行带通及Ⅴ型滤波，以降低背景噪声并使再现视场均匀；最后，对所得到的再现像进行平滑处理，通过小波滤噪和中值滤波进一步提高再现像的信噪比。实验结果表明，该方法只需记录一幅数字全息图，通过简单的数字图像处理，便可明显改善图像质量，尤其适用于无透镜傅里叶变换全息图的数值再现，并且更加实用化。     

三维漫射体单波长真彩色彩虹全息术

提出一种新的三维漫反射物体真彩色彩虹全息术,在普通一步法真彩色彩虹全息术的基础上,用单波长激光逆光路再现,可在同一种记录介质上一次曝光记录三维物体的真彩色全息图.因而特别适合于制作光致抗蚀剂模压全息母板.     

基于离散Fourier变换的内源全息图重构计算方法

对基于离散Fourier变换的内源全息图重构计算方法作了深入系统的分析，讨论了如何计算整个球面全息图对原子重构像的贡献，克服了以往该方法只能计算半个球面全息图的不足，并运用采样定理知识，分析了全息图的采样率、重构像的空间范围和分辨率等问题. 关键词： 内源全息术 离散Fourier变换 采样定理 同步辐射