全息成像原理浅解

本文用相干光干涉产生的明暗条纹，阐明全息图的形成．用光栅衍射条件，给出再现像和共轭像的位置，并对像的正侧、顺反、缩放现象作定量分析。     

彩色全息图的计算机产生和数字再现

提出了一种基于色彩合成以及菲涅尔衍射原理,用计算机产生全息图并用数字方法再现彩色全息图的方法。该方法的第一步是将物体的彩色RGB图像分离为三基色强度图,再利用博奇编码的方法制成修正离轴参考光分色计算机全息图;第二步是分别对分色全息图在频域进行调制以实现用原参考光真实再现原始物光波。通过滤波消除零级衍射及共轭像的影响,获得了所需要的实像并提高了像质。提供的实验是选用一幅RGB图像作为原始物体,给出了用博奇编码法制成的全息图以及最后经色彩合成获得的再现像。结果表明,该方法能使各分色全息图的再现像准确重合,解决了在色彩合成时容易出现的色串扰问题。     

全息成像原理浅解

本文用相干光干涉产生的明暗条纹，阐明全息图的形成．用光栅衍射条件，给出再现像和共轭像的位置，并对像的正侧、顺反、缩放现象作定量分析．     

相移同轴无透镜傅里叶数字全息的分析与实验

应用菲涅耳衍射和全息理论，详细分析了无透镜傅里叶变换数字全息图的记录、再现方法和再现像的特点，分析了相移数字全息图的记录和再现方法，并进行了相应的实验验证。结果表明：直接对无透镜傅里叶数字全息图进行傅里叶逆变换可同时得到与物体完全相同的再现像及其共轭像；同轴无透镜傅里叶数字全息术能最大程度满足CCD对采样条件的要求，从而可以增大记录物体的尺寸，减小记录距离，明显提高再现像的清晰度和分辨率；相移数字全息术能有效地消除数字再现光场中的零级光场和共轭像，显著提高再现像的信噪比。条件许可时，相移同轴无透镜傅里叶数字全息术是目前解决数字全息术中再现像的分离与满足采样条件之间矛盾的最佳方法。     

复杂三维场景数字全息图隐藏面问题研究

从数字全息图制作原理出发，分析了隐藏面对数字全息图再现像的影响，得出在制作复杂场景数字全息图时必须进行消隐.在此基础上提出了一种消隐方法，通过寻找连接全息面上每一采样点与场景中每一采样点之间的虚拟光线与场景的交点中到全息面距离最短的交点集来消隐.最后给出了这种方法的原理和计算机模拟结果.     

二步法大景深反射全息图

以开拓反射全息图的景深表达能力为目的,从反射全息图的共轭物像关系出发,利用反射全息图的均匀介质耦合波理论和布拉格条件,对其白光再现像模糊作了具体的分析和讨论,得到色模糊和线模糊的表达式.指出反射全息图上不同各点对任意白光再现像点的色模糊和线迷糊的影响均存在差异,给出反射全息图白光再现像的景深表达式.实验利用二步法制作了一张景深为83 cm的反射全息图,与大景深彩虹全息图再现像相比,其再现像的立体感更加强烈.理论分析和实验结果表明,光源的再现角度和观察距离对反射全息图的再现像景深大小影响显著.在再现光垂直于反射全息图平面照明情况下,反射全息图具有最好的景深表达能力.     

Fraunhofer全息图无透镜再现中的物像共轭关系

运用相因子判断法，导出了Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ全息图无透镜再现时再现像与再现光源之间满足的物像共轭关系，分析了再现光源位置变更对再现像性质的影响。     

利用单幅同轴菲涅耳数字全息图重构物光波面

在数字全息研究中,为了充分利用CCD器件有限的卒间带宽积,常采用同轴全息记录.然而用同轴全息图再现时,再现物光波和共轭物光波是混在一起无法分开的.有效消除同轴全息图再现光波场中的共轭像是数字全息应用中的一项关键技术.基于菲涅耳衍射运算和逆运算,提出一种用同轴数字全息图重构物光波面的迭代算法.该方法利用同轴全息图再现时,再现物光波和共轭物光波衍射特性的不同来剔除共轭物光波成分,从而将再现物光波成分有效分离出,实现单幅同轴全息图的物光波面数值重构.计算机模拟实验证明了该方法简单易行.     

基于频域方法的三维物体分层重现

基于频域方法实现了数字记录和再现三维物体离轴全息图.通过频谱对应关系求得各个面的频谱分布,使用数字滤波方法,成功地消除了零级衍射和共轭像;通过改变再现距离,分别获取了三维物体各个截面的再现像.     

三维场景相息图的白光再现研究

讨论了相息图白光再现的可行性,得到采用在相息图和观察者之间加入狭缝的方法可实现相息图的白光再现的结论.提出了一种通过对彩虹全息图进行复数滤波来制作相息图的方法.根据彩虹全息图中物光的频谱宽度设计有限脉冲响应数字滤波器.对该滤波器进行移频,得到与通带位置物光的频谱位置一致的复系数带通滤波器.对全息图进行空域滤波,去除共轭像和零级,求出调制后物光的位相分布,制作场景相息图.实验观察到了经过此方法制作的相息图在白光下的再现像,表明本文的理论分析正确,所提出的方法可行.     

A general calculation of the 3-D disk of least confusion using skew ray tracing

A general and analytical method is proposed to determine the 3-D contour of the disk of least confusion (DLC) produced by an optical system for a point light source located at any arbitrary position in the object space. By using the skew ray tracing method, the sensitivity method, and the Jacobian matrix, we can analytically obtain the caustic and the marginal rays. Consequently, the DLC can be determined by the intersection of the obtained caustic and marginal rays. In addition, this proposed method covers common cases with special light sources, e.g. mutually parallel incident rays parallel to the optical axis, or a point light source located on the optical axis. This proposed methodology will be useful in the analysis of rays and in the design of optical systems with a general point light source. A general case is used as illustrative example to validate its applications.     

衍射光学器件光线追迹公式的实验验证

本文介绍了一种衍射光学器件光线追迹的方法，并给出了计算公式。作为验证，在实验室里制作了具有连续相位的体全息器件，将其实际再现光斑与计算点列图进行比较。构造透射体全息片的物光为离轴的球面波，始于轴外点Ａ（０，１３２ｓｉｎ８°，－１３２ｃｏｓ８°），参考光为平面光束，其与Ｚ轴夹角为１７°。激光器采用氩离子激光器（Ｓｐｅｃｔｒａ－ｐｈｙｓｉｃｓＭｏｄｅｌ２０２０），波长４８８ｎｍ；干板感光胶为重铬酸明胶（ＤＣＧ），胶层厚为１５μｍ；通光口径３０ｎｍ。测试时把全息片放在干板的位置。挡住物光，让再现光以和参考光路相同的路径平行入射到全息片上，在全息片后垂直光轴放置毛玻璃片，平行光轴移动毛玻璃片，可观察到－１级衍射光的变化。在距离原点的距离分别为（ａ）４０ｍｍ，（ｂ）７０ｍｍ，（ｃ）８７ｍｍ，（ｄ）９５ｍｍ的地方用ＣＣＤ拍摄了衍射光的形状，与程序计算的点列图在形状和大小上都吻合     

Efficient ray-tracing for free-form reflectors

Efficient ray-tracing is the basis for computer-aided design and analysis of illumination optical systems, which requires the sampling of hundreds of thousands of rays to achieve accurate results of illumination analysis. One type of most widely used illumination systems is free-form segmented reflectors with B-spline surfaces. An iterative method is used to calculate the coordinates of the intersection point of an incident ray with a B-spline surface in 3D space. Formulae are given to calculate the direction cosines of the surface normal at the intersection point, so that the direction cosines of the reflected ray can be obtained. For segmented reflectors, a method is presented to rapidly determine the segment with which the incident ray strikes. Experimental results show that the scheme proposed in this paper can perform ray-tracing through free-form reflectors with excellent efficiency, and is suitable for use in CAD software for vehicle headlights, for example.     

多曲面反射体的计算机辅助设计及优化

研究了自由曲面反射式照明系统的设计理论和方法.根据反射器的尺寸、位置以及配光要求按点光源设计得到曲面型值点初始坐标后,将双三次B样条曲面引入照明系统的设计,反算出控制顶点.给出了空间任意一条入射光线与反射器区块的交点及其曲面法线向量的求法,为了提高光路追迹的效率,针对多曲面反射体给出了一种快速判断相交区块的算法.探讨了用阻尼最小二乘法对B样条曲面反射器进行优化设计的方法,通过优化运算修正控制顶点Z轴坐标,使得曲面在使用扩展光源时光形分布尽可能满足设计要求.     

一种新的消色像全息术

本文从全息再现像的物像关系出发,对准像面情况下,像点随波长及参考光源扩展的变化进行了研究.阐明了利用散射线光源作参考光使全可见光范围内的像叠加在一起,产生消色像全息图的基本思想,并引入了消色像域的概念.考虑到点基元全息图尺寸及人眼瞳孔对成像光束的限制,白光再现时,可以获得清晰、明亮、具有一定景深和相当视场范围的消色再现像.     

相干点源照明时消球差光学系统的像场结构

利用矢量傅里叶变换和稳相法获得了相干点源位于光轴上任意位置时，消球差光学系统像场结构的积分表达式，详细研究了使用线偏振光照明时像平面上大物方孔径角对像场结构的影响.模拟计算表明，在像空间垂直于光轴的平面上，如果物方孔径角较大，磁场分布绕光轴旋转90°后不再与电场分布相同，电场能量密度、磁能量密度和玻印亭矢量分布的等高线始终近似为椭圆，并且物方孔径角是导致玻印亭矢量分布失去圆对称性的主要因素.同时当使用小像方孔径角时，电场能量密度分布形状的长轴方向垂直于物空间电场的振动方向；随着像方孔径角逐渐增大，电场能量密度分布形状的长轴方向将逐渐变为与物空间电场的振动方向相同.这些结论完全不同于以前理论所预测的结果. 关键词： 成像系统 像场结构 矢量傅里叶变换 稳相法     

Aberrations in fractional-Talbot images of periodic binary gratings

We discuss the ray-optical aberrations which appear in the fractional-Talbot image of a periodic binary grating with coherent illumination. First we examine the complex amplitude of an aberration-free imaging field at a fractional-Talbot plane. We then trace the path of a diffracted ray of specific order which contributes to the fractional-Talbot imaging. Next we formulate the focus-shift and third-order aberrations which arise from a focusing error and a fourth-order approximation of the path length, respectively. We then evaluate the amplitude and phase of an aberrated imaging field that are represented in terms of aberration functions. When the grating period decreases to approach the optical wavelength, the aberrations of lower-order rays are shown to be more influential on the fractional-Talbot imaging field than those of higher-order rays. The theory of aberration discussed here could be very useful in evaluating the fractional-Talbot image of a periodic binary grating.     

光电成像检测系统像面照度均匀性分析

非均匀发光光源、大视场角等因素会造成光学成像检测系统像面照度分布不均匀,进而导致检测效率下降。研究非均匀发光光源和大视场角对像面照度均匀性的影响程度,首先建立光源间距与受光面接收照度间的关系模型,仿真分析不同LED间距对像面照度均匀性的影响,然后建立光学耦合系统的物面张角和像面照度间的关系模型,仿真分析物面张角对像面照度均匀性的影响。实验结果表明:在非均匀发光光源和大视场角的作用下,检测系统会造成像面照度严重不均匀现象。研究结果为后续像面照度校正算法设计提供了理论依据。