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。     

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.     

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.     

基于滤波成像的大视角数字全息技术

为提高数字全息再现像视角,提出一种基于滤波成像的数字全息技术来实现大视角的三维物体面型测量.利用离轴像面数字全息技术,通过在4F相干图像处理系统的空间频谱面处放置可移动的低通滤波器,使满足CCD分辨率的物光波与参考光波干涉形成全息图,并控制低通滤波及成像区域分别记录不同谱段的子全息图.再现时,首先对子全息图进行数字傅里叶变换,重构对应频谱段,并对频谱段进行拼接形成完整的物光频谱;而后通过数字再现获得大视角的数字全息再现像.利用该方法测量了圆柱形表面(光滑的缝纫针)的三维形貌,并取得了较好的实验结果.     

基于滤波成像的大视角数字全息技术

为提高数字全息再现像视角,提出一种基于滤波成像的数字全息技术来实现大视角的三维物体面型测量.利用离轴像面数字全息技术,通过在4F相干图像处理系统的空间频谱面处放置可移动的低通滤波器,使满足CCD分辨率的物光波与参考光波干涉形成全息图,并控制低通滤波及成像区域分别记录不同谱段的子全息图.再现时,首先对子全息图进行数字傅里叶变换,重构对应频谱段,并对频谱段进行拼接形成完整的物光频谱|而后通过数字再现获得大视角的数字全息再现像.利用该方法测量了圆柱形表面（光滑的缝纫针）的三维形貌,并取得了较好的实验结果.     

Stokes参量数字全息法实现相位物体成像

为实现对相位物体的无损检测和成像,克服数字同轴全息相位物体成像技术在消除零级像和孪生像的干扰时存在的系列问题,提出一种基于Stokes参量的新的数字同轴全息技术。该方法区别于传统的利用干涉光场来记录原始像项的数字全息方法,通过测量物参光合成光束的Stokes参量来分别得到这两束光的振幅和相位差,从而准确、唯一地获得原始像项;再利用数字再现即可重构物光的振幅和相位信息。实验中对弱吸收的相位样品进行了测量,得到样品清晰的振幅和相位分布。结果表明,采用该方法对相位物体进行数字全息再现,可以克服传统同轴全息图中零级像和共轭像对相位物体信息的严重干扰,对于提取相位物体的振幅和相位信息是可行和有效的。     

参考光照射下的数字全息图频谱特点及应用

提出了一种在离轴数字全息再现过程中确定参考光角度和简化滤波器设计过程的方法。分析了模拟参考光照射下的离轴数字全息图的频谱特点。首先将数字全息图与计算机模拟的原参考光波相乘,然后做傅里叶变换,得到其频谱图。结果发现,含有被记录物体信息的物光波频谱始终处在频谱面的中央位置。依据这一特点,不仅可以实现模拟再现时最佳参考光的角度参数测定,而且还可以使滤波器的结构设计过程简化。借助于滤波技术,数字全息再现像中零级像和共轭像得到了有效的去除,再现物体实像质量得到了有效的改善。     

无直透光和共轭像的数字全息

根据数字全息的可计算特性，提出用图像处理的方法直接对数字全息图在空域进行预处理，使其再现时不出现直透光和共轭像，大幅度提高再现象的质量。并进行了实验验证。     

提高数字全息再现像像质的两步相移迭代算法

在两步相移数字全息术中,相移误差直接影响着零级像和共轭像的消除.为了消除相移误差,获得实际相移值,提出了一种基于相位统计特性的两步相移迭代算法.首先利用全息图的相位统计特性计算出初始相移值,然后用数字全息图再现像抽样点强度偏差之和作为评价标准,通过迭代计算寻找参考光的真正相移值.该算法能对任意未知相移量进行提取,从而有效地消除零级像和共轭像,提高了再现像质量.理论分析和光学实验结果证明了该方法的可行性和有效性.     

Study on the simplified phase-shifting digital holographic microscopy

In this paper, a new simplified technique for effectively eliminating the zero order and the conjugate virtual image in digital holographic microcopy, which makes use of two-step phase-shifting method of just recording two holograms and an intensity image of object wave, is proposed. Meanwhile, combined with the principle of making full use of spatial bandwidth of the CCD sensor by in-line lens-less Fourier holographic recording geometry, the theory and experimental methods to increase the resolution of the reconstructed image in digital holography by using phase-shifting technique are detailedly analyzed. At end, the validity and availability of this technique has been demonstrated through the off-axis and in-line Fourier transform recording geometry. The study provides some theoretical and experimental guidance for the design and operation of a digital holographic microscopy system.     

The recording of digital hologram at short distance and reconstruction using convolution approach

By adopting in-line lensless Fourier setup and phase-shifting technique, we recorded the phase-shifting digital hologram at short distance. As the Fresnel diffraction condition is no longer valid, the convolution approach is chosen for the reconstruction. However, the simulated reference wave for the reconstruction would suffer from severe under-sampling due to the comparatively large pixel size. To solve this problem, sinc-interpolation is introduced to get the pixel-size of the hologram reduced prior to the reconstruction. The experimental results show that an object image of high fidelity is obtained with this method.     

Method for eliminating zero-order diffraction in lensless Fourier transform digital holography

A method to induce phase shifting in lensless Fourier of digital holography system is presented. In this method, by computer simulation and theoretical analysis on the technology to eliminate the influence of zero-order diffraction in force, it can be found that, a reference light induced in a random non-2π integral number of phase shifting shooting to get the second hologram, and wave reconstruction can be got by the difference value image of the two holograms. And, the method of different digital holography record system with different phase shifting should be used. In this paper, theoretical analyses have been done in detail to discuss the problems that exist in the unsuitable phase-shifting methods. Furthermore, some experiments have been done to prove the reliability of this method. This method can significantly improve the image quality and give better resolution of the reconstructed image.     

Joint approach of the sub-holograms in on-axis lensless Fourier phase-shifting synthetic aperture digital holography

In on-axis lensless Fourier phase-shifting synthetic aperture digital holography, to compose all of the phase-shifting sub-holograms to a large synthetic aperture digital hologram effectively, firstly, the cross-correlation algorithm of the object waves is presented to correct the joint misplacement of the sub-holograms. Secondly, to make the phase-shifting synchronization matching of different sequence phase-shifting holograms, the cross-correlation algorithm of the phase-shifting holograms is employed. Compared with the traditional cross-correlation algorithm of the sub-holograms, the proposed approach makes the joint precision of the sub-holograms reach sub-pixel accuracy, and the resolution of the reconstructed image is improved significantly. In general, the proposed approach is effective in restraining the quality degradation of the synthetic reconstructed image that comes from the joint misplacement of the sub-holograms and the phase-shifting non-synchronization of the phase-shifting holograms.     

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.     

数字像面全息与同轴全息实验研究

通过采用数字像面全息与同轴全息技术拍摄透明物体以及不透明物体的全息图,并在计算机上再现。结果表明,当记录较小物体的全息图像时像面全息技术更加合适。     

同轴相移数字全息中相移角的选取及相移误差的消除

基于两步同轴相移数字全息,首先从理论上分析了记录时不同相移角的选取及相移误差对再现像的影响,并给出了一种利用再现像所有抽样点的强度偏差之和作为评价标准,通过逐步改变理论设定相移角值来寻找实际相移角的相移误差消除新方法;其次对二步相移数字全息中记录时参考光波最佳相移角的选取作了计算机模拟,发现只有将参考光波的相移角选择在一定范围内,再现像的噪声较小;最后利用计算机模拟了相移误差消除,验证了所提方法的可行性.     

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。