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     

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.     

一种消除数字离轴全息零级像的实验方法

提出一种消除数字离轴全息零级像的实验方法.这种方法是将全息衍射光栅作为分光元件,形成数字离轴全息记录系统,通过调节记录光路系统中平面镜,改变物光波到达CCD的入射方向而引入相移,从而得到不同记录参数的全息图.再通过对不同记录参数全息图的数字处理,即可达到零级像消除的目的,并对这种方法进行了理论分析和实验验证.给出了利用这种方法获得的实验结果.实验结果证明了该方案的可行性,并且具有光路系统简单、操作和处理容易等特点.     

显微数字全息中的3维信息重建

通过理论分析和模拟验证,研究了基于横向剪切的数字全息相位重建方法,分析并指明了详细的重建过程,提出了利用平坦区域相位数据进行线性拟合,从而获得线性相位畸变系数的方法,并指出对原始包裹相位图进行1维相位展开是横向剪切法重建数字全息相位信息的前提。对无噪声及含有噪声的全息图进行了数值重建,结果表明:对于弱噪声干扰的全息图,该方法很有效;而对于较强噪声干扰的全息图,采用中值滤波方法对原始相位图进行滤波后再重建,并对重建的相位图再次进行中值滤波,可以得到高质量的再现像;减小再现像平面抽样间隔,使剪切相位图中相邻的两个像元之间相位差的最大值小于2π,才可以获得正确的相位重建。     

基于随机相位调制的数字全息相移量提取方法

提出了一种在相移数字全息中提取相移角的方法.该方法通过在相移数字全息中引入随机相位板对物光波的相位进行调制,使得物光波在全息面上的相位分布成为近似理想的随机分布,进而根据这种随机分布的统计性质对相移角进行提取.计算机模拟结果表明,该方法提取出的相移角与设定的相移角之间的相对误差小于千分之一.同时,经过对比采用随机相位板和不采用随机相位板的计算结果发现,物体衍射光波在全息面上的相位分布具有一定的相关性.     

LED光源数字全息技术研究

研究以发光二极管(LED)作为光源的部分相干光数字全息技术.首先研究LED的时间相干性和空间相干性,尽管LED的时间相干性较差,但空间相干性可以通过减小光源发光面积来提高.利用LED的时间相干性较差、相干长度短的特点,抑制相干噪声,改善数字全息重建质量.在同一全息记录系统,通过实验,比较了用激光和LED光源的数字全息重建图像质量.结果表明:基于LED光源的数字全息,完全消除了使用激光光源的散斑噪声和由光学元件引入的寄生干涉噪声,物光场的重现质量,包括振幅和相位都得到了很大提高.但由于LED光源的较低的空间相干性,一般只适用于同轴相移数字全息,待测物体的厚度在十几微米以内,应用受到一定限制.     

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.     

全息图数字再现中零级衍射斑的消除

分析了无透镜傅里叶变换全息图数字再现时零级衍射斑对再现像的影响，提出了用全息数字相减及数字重现来消除零级斑实现无零级数字全息再现的方法，给出了计算机模拟实验结果，并对再现结果作了分析。     

压缩感知重建数字同轴全息

数字重建是数字全息技术的关键步骤.传统的重建算法存在共轭像、聚焦物体与背景离焦物体相互干扰等问题.应用新兴的压缩感知技术,研究了全息图像的稀疏重建.基于衍射的线性运算,导出了利用压缩感知重建数字同轴全息三维空间的算法.利用该算法对颗粒的模拟全息图和数字显微全息实验全息图进行了重建,并将重建结果与传统的卷积重建结果进行了...     

基于数学形态学的数字全息再现像融合方法

针对数字全息中不同再现距离获得的携带不同聚焦信息的再现像, 提出了一种基于数学形态学的多聚焦再现像融合方法, 以有效扩展成像景深。首先通过小波-Controulet变换获得源图像的高频和低频分量;然后, 针对数字全息中含散斑噪声的特点, 对高频分量采用基于数学形态学区域能量的方法进行融合, 对低频分量采用加权对比度法进行融合;最后, 将融合系数反变换得到融合图像。通过对算法的有效性分析和实验验证, 将本文提出的方法与不加入数学形态学的融合方法进行了对比研究。结果表明, 基于数学形态学的融合方法能充分抑制散斑噪声的影响, 保留更多细节信息, 有效扩展了成像景深范围达11.5 cm。其中, 对于表面粗糙且信息量较少的骰子, 基于数学形态学方法的空间梯度算子提高了11.8%, 熵值提高了2.7%;对于表面光滑且信息量较多的硬币, 其空间梯度算子提高了13.6%, 熵值提高了2.8%。     

基于有限脉冲响应滤波器的数字全息零级像消除

针对数字全息中零级像的存在影响数字再现像的质量,分析数字全息图的记录、再现原理及频谱特性,提出了一种利用有限脉冲响应滤波器消除全息图数字再现中零级像的方法.该方法只需记录一幅数字全息图,不需要相移器材或其他辅助设备,直接利用数字图像处理对数字全息图在空域进行预处理,消除全息再现时的零级像干扰.对比了数字模拟和实验拍摄到的全息图在应用有限脉冲响应滤波器消除零级像前后的再现结果,表明该方法可消除零级衍射像,改善重建像质量,并且算法简单.     

双Lloyd镜数字全息显微测量术

提出了一种双Lloyd镜数字全息显微测量技术.其基本思想是将Lloyd镜的共光束自干涉特性与双波长光学相位解包裹方法相结合,使用两个Lloyd镜调节参考光与物光夹角以形成共光束自干涉,从而获得一张双波长复合全息图,再通过角谱法再现得到每个波长对应的包裹相位,利用两波长的相位差求得解包裹后的相位图和三维高度分布图.采用532和632 nm两波长记录全息图,通过数值再现重构被测物体的振幅和相位信息.与标定值相比,实验值的误差小于5%,证明了该方法的有效性.     

基于多角度无透镜傅里叶变换数字全息的散斑噪声抑制成像研究

在数字全息成像中,散斑噪声严重影响了再现像的信噪比和成像分辨率,因此为了提高数字全息成像质量,迫切需要抑制再现像的散斑噪声.分析并给出了矩形散射光斑的强度协方差,定量计算了特定实验条件下产生退相关散斑图样的最小角度差.结合透镜的性质设计并搭建了多角度无透镜傅里叶变换数字全息成像系统,利用光纤端面在透镜焦平面的二维机械移动代替传统反射镜的旋转,使照明光束在不改变照明位置和大小的同时,可任意改变光束方向.移动光纤端面使多角度照明满足最小角度差,获取了81幅数字全息图.利用单次快速傅里叶逆变换实现数值再现,对多幅再现像的强度像求平均,实验结果表明散斑对比度降低为单幅再现像的14.6%,使图像信噪比提高了6.9倍.该抑制散斑的多角度数字全息成像方法有效的抑制了散斑噪声,且成像光路结构简单,可操作性强.     

基于数字全息及离散余弦变换的图像数字水印技术

提出了一种以数字全息和离散余弦变换为基础的数字水印技术,实现了在原始图像中嵌入数字全息水印。考虑到数字全息图的不可撕毁性,使得数字全息水印本身就具有良好的抗剪切能力,并且与传统的二维灰度水印相比嵌入的信息更多。数字全息图通过傅里叶变换全息的方法获得,为了提高抗有损压缩能力,在数字全息水印嵌入过程中采用了基于(JPEG模型和分解离散余弦变换(DCT)系数的方法。实验表明,通过该算法获得的数字全息水印对JPEG有损压缩和剪切等图像处理操作均有很好的稳健性,并且采用密钥加强了水印的安全性。因此该算法能成为数字多媒体产品版权保护的有效方案。     

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.     

Studies on aperture synthesis in digital Fresnel holography

Aperture synthesis can improve image resolution in digital holography by increasing the numerical aperture of the system. In this paper, we show that both the lateral resolution and image field of view can be enhanced at the same time using a more general Fresnel holography setup and hologram stitching. The impact of aperture synthesis on the lateral resolution is investigated both theoretically and experimentally. In the experiment, the synthesis is executed by moving the compact digital holographic system in two directions. Nine holograms are recorded and stitched into one hologram. The reconstruction results show that expanding aperture improves the lateral resolution. The lensless Fresnel holography used in this paper is demonstrated to have the ability to provide a larger numerical aperture and can compress the object spectrum in recording process.     

数字全息图取样模型的简化研究

数字全息研究领域目前存在两种不同的数字全息图取样模型.按照这两种模型进行研究时, 不但涉及较复杂的数学运算, 在许多情况下还会导致不同的研究结果, 不便于理论分析及实际应用.基于对数字全息图记录的物理过程分析及电荷藕合器件(charge coupled device, CCD)几何结构的研究, 本文将这两种取样模型简化为相同的数学表达式. 利用数字全息图的余弦级数展开及取样定理对简化模型的研究表明, 简化模型不但具有清晰的物理意义, 而且可以方便地为应用研究服务. 基于简化模型对物光波通过光学系统到达CCD的数字全息记录系统进行了研究, 导出得到实验证实的波前重建表达式. 关键词： 数字全息 波前重建 相干光成像