数字全息显微像平面相位畸变的自动补偿研究

对离轴数字全息显微相位畸变的自动补偿进行了理论和实验研究。首先对由CCD记录的数字全息图采用平均梯度自聚焦方法确定最佳再现距离,然后将修正的虚拟参考光作用于切趾滤波后的全息图进行数字再现,经像平面相位自动补偿后得到无畸变的物体相位分布。该方法仅需记录一幅离轴数字全息图就可以自动快速地重建物体的真实相位信息。     

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。     

基于误差扩散的计算全息显示方法

以双向误差扩散算法为基础,通过分析图像振幅分布与生成全息图的关系,建立了全息图误差补偿模型,提出了一种新的纯相位全息图生成方法。首先通过误差扩散模型,计算出复振幅全息图与振幅置1的纯相位全息图的误差,通过对该误差进行误差扩散生成新的纯相位全息图。利用新的纯相位全息图与复振幅全息图计算新的误差,进行第二次的误差扩散,得到最终的纯相位全息图。采用定性和定量的指标来评价仿真成像质量,仿真及光学实验结果表明,改进后的方法能够有效提升再现像的质量,为纯相位全息图制作提供一种新的方法。     

基于压缩全息和空分复用的多彩色图像加密

针对现有光学加密方法进行彩色图像加密时加密容量低、解密图像失真度高等问题,提出一种基于压缩全息和空分复用的多彩色图像加密方法.在光学加密阶段,结合改进的Mach-Zehnder干涉仪与空分复用技术,通过不同的随机相位掩膜对多幅彩色图像进行同时加密,仅需单次曝光即可得到由多幅彩色图像加密的全息图.在解密过程中,由于记录全息图的过程可建模为压缩感知过程,使用两步迭代收缩/阈值算法即可求解.实验结果表明,提出的加密系统加密容量大,解密重建图像质量高,结合压缩感知理论,有效地消除了同轴全息中平方场项对解密重建性能的影响,解密图像平均峰值信噪比仅下降约2～5dB;密钥安全性高,随机相位掩膜与传播距离均起到密钥的作用,在随机相位掩膜错误或传播距离仅偏移0.25%时,便无法解密出原始彩色图像;且对噪声与遮挡性攻击具有良好的鲁棒性,解密重建性能随噪声增大下降趋势缓慢,加密全息图80%信息受到遮挡性攻击时,仍可取得良好的解密重建结果.     

改进的加权迭代多平面全息显示方法

在多平面全息图的设计过程中,为了减小各平面之间的相互串扰,本文提出了一种改进的加权迭代多平面全息图生成方法,使用权值约束来减少各平面之间的相互影响,从而提高多平面全息显示的质量。通过对全息图的约束控制,可以使各平面的目标强度分布更均匀,并且在不降低计算速度的前提下,该方法相比于未进行约束控制时相当或具有更高的重建质量。为了验证结果,使用了相同和不同的目标图像,对6个离散平面的多平面全息图进行了数值模拟与实验验证。本文为高质量的多平面全息显示提供了一种新方法。     

基于计算全息和θ调制的彩色图像加密方法

提出了一种基于计算全息和θ调制的彩色图像光学加密新方法.该方法利用彩色三基色原理和计算全息编码技术,首先将彩色图像的红、绿、蓝三基色分量进行随机相位调制和菲涅耳衍射变换,然后经过θ调制后进行图像叠加并编码为计算全息图,即加密过程是将一幅彩色图像加密为一幅实值的二元计算全息图,得到单幅密文.解密为加密的逆过程,首先将加密的计算全息图置于空间滤波和菲涅耳衍射系统中,经过相位密钥解调和基于滤光片的滤波器滤波,最后通过正确距离的菲涅耳衍射完成解密,得到彩色明文图像.计算机模拟结果证明了该方法的有效性和可行性.     

彩色漫射物体的压缩全息层析成像

漫射物体的压缩全息利用其非相干散射密度函数在统计意义上满足稀疏先验这一假设,可以从多幅散斑图案实现漫射物体的层析重建,避免了散斑和不同平面的散焦图像之间的串扰。将单波长照明条件拓展到红、绿、蓝三色波长,提出一种新的适用于彩色漫射物体的压缩全息层析成像方法,搭建多波长照明条件下漫射物体的层析成像模型,并通过解压缩推理方法有效地分离不同平面的三维非相干密度函数。数值模拟实验表明,所提方法可以在多幅二维彩色散斑图案中成功进行彩色层析漫射物体的压缩重建,有效地抑制了散斑效应以及不同平面的散焦图像之间的相互串扰。     

大尺寸物体彩色全息图制作的研究

通过分析两步法制彩色全息图中全息图空间带宽积与物体大小、全息图记录距离的关系,提出了一种拍摄大尺寸物体彩色全息图的方法。经编码,设置参数,在视窗处平面记录下三分色全息图, 以保证用最小的幅面记录下物体的完整信息,并且H1rgb处于同一平面经原参考光的共轭光再现时,他们的再现像能完全重合;将H1rgb再现,获得大视场的物光波信息,三基色物波信息重合后,用光学方法记录大幅面的彩色全息。该方法能提高全息图再现像的视场和解决大尺寸物体的全息图难拍摄问题。 经实验验证,该方法能将全息图再现像的视场提高6倍左右。     

基于空间光调制器的三维相位全息图再现像优化

在现有的二维图像再现效果改善方法的基础上,对三维物体再现像质量提高的方法进行研究。基于衍射理论,分析了具有有限填充因子空间光调制器的栅格结构对重构图像质量的影响。编入双线性相位因子到纯相位全息图,使得有效光偏移中心光轴传播,让图像细节得到完整重构再现。然后迭加双会聚球面波相位因子,使得各再现像面与空间光调制器栅格结构引起的多级衍射光聚焦平面的位置进行分离,利用光阑和空间滤波器共同作用来消除高级衍射光以及零级光对重构图像质量的影响。搭建了基于LC-SLM的相位全息图光电再现系统用于实验验证。实验结果表明三维物体再现像质量得到明显的提高。     

面向纯相位型全息显示的自适应混合约束迭代算法

纯相位型计算全息图舍弃全息面上的振幅信息,降低了全息显示的图像质量.迭代法通过多次正、逆向的波前传播计算,优化了纯相位型计算全息图的相位轮廓,提升了全息再现的图像质量.然而,传统迭代法可能存在迭代发散、收敛速度偏慢以及再现质量受限等问题.本文提出了一种基于角谱传播模型的自适应混合约束迭代算法,通过在迭代中加入自适应的反馈机制和频带约束策略,增加了迭代优化的自由度,提升了迭代的收敛性和全息再现的图像质量.仿真和实验结果表明,提出的算法能够在较短的计算时间内获得更高重建质量的纯相位型计算全息图,对于高质量的全息显示具有重要应用价值.     

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。     

彩色复合条纹投影测量系统串扰消除方法

由于从一个彩色图像中可以提取多个条纹,复合条纹投影技术在三维测量领域得到了广泛的研究和应用。为了覆盖所有的光谱范围,投影和成像系统颜色通道间存在着串扰,从而改变了条纹的形状,最终影响三维数据测量的精度。综述了彩色复合条纹投影三维测量系统中颜色通道间串扰的补偿方法。针对彩色条纹投影系统中相机和投影仪颜色通道间的串扰问题,分析了其形成原因。对彩色条纹投影三维测量系统的串扰消除方法进行了分类和总结,并具体比较了各种方法对串扰消除的效果。所综述的方法对选择合适的串扰消除方法、提高彩色复合结构光投影三维测量系统的精度具有重要的应用价值。     

用一幅离轴菲涅耳数字全息图重建物光波的局域算法研究

基于对离轴菲涅耳全息干涉条纹强度分布的分析,根据CCD记录数据的特点研究了从一幅全息图重建物光波波前、再现物体像的一种新方法.以记录面上某一点（CCD靶面上某一像元）为中心取一个小邻域,假设在该邻域内参考光的振幅、物光的振幅和相位是慢变化的,全息图的强度变化仅是由倾斜入射的参考光的相位变化引起的,从而可用最小二乘法构建一个线性方程组,通过求解该方程组可求得该点物光波的振幅和相位.文中给出了该方法的基本思想和理论分析,并通过计算机模拟和初步的光学实验,验证了该方法的正确性和有效性.     

基于两步正交相移干涉的振幅图像光学加密技术

提出一种基于两步正交相移干涉的光学图像加密技术.这种相移干涉数字全息只要记录两幅干涉图,不需要记录物光波和参考光波的强度信息,就可以再现没有零级像和共轭像的再现像.物光波对应的光路经过两次菲涅尔变换,并结合双随机相位编码.参考光分别引入0和π/2相位,用数字化记录介质记录两幅数字全息图作为加密图像.解密时只要获得正确的密钥,经过简单的计算就可以重建清晰的原始图像.模拟实验验证了它的可行性和有效性,分析了抗裁剪和噪音的鲁棒性.     

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.     

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.     

紧凑型纯相位全息近眼三维显示

提出了一种紧凑型纯相位全息近眼显示方法，避免了4f系统的使用且通过滤波可消除零级光和高级衍射光的干扰，能够实现近眼虚拟现实（VR）和增强现实（AR）三维显示。在进行全息图计算时，三维物体被分割成多层图像，利用每一层图像相对于投影透镜焦平面的距离和投影透镜的焦距获得该深度对应的补偿相位因子，采用迭代优化算法获得三维物体的纯相位全息图并在所提系统中进行显示。通过数值模拟和光学实验，证明了所提方法的有效性。     

基于概率密度函数的彩色相位测量轮廓术校正

在彩色相位测量轮廓术中,光电器件多个光通道之间的颜色串扰、强度响应不均等因素的影响,使得所获取的相移条纹图像失真,因此采用传统的相位技术求解相位会产生极大的相位误差。从彩色条纹图像的数学模型出发,分析了彩色成像器件所获取的红绿蓝三通道条纹图像特性,提出一种两步校正方法：第一步是基于三通道均值及标准差实现对各颜色通道图像强度的归一化处理;第二步是使用概率密度函数曲线搜索失真后的实际相移量,抑制相移量不准确对测量结果的影响。所提方法不需要对系统的耦合系数和相移偏移量进行预校正,可实现简便、快速的相位误差补偿。模拟及实验结果验证了该方法的有效性。     

基于空间部分相干光相干度分布的全息图计算方法

在计算机全息图的计算过程中,引入的随机相位与光学重建中相干光散射会引起再现像中的散斑噪声现象,从而影响重建图像的质量。提出了一种新的基于部分相干光相干度分布的全息图计算方法,即PCL-GS算法,算法以Shell衍射定理为基础,模拟参考光源相干度对全息记录过程的影响,使模拟记录过程更接近实际状况。在重建光相干度相同的情况下,与传统GS算法重建结果相比,重建图像的峰值信噪比提升4.8%、结构相似度提升14%、散斑对比度降低4%。方法可为三维全息显示、光束整形等光调制技术提供新的理论基础。     

线性三色采样叶形光栅的制作和应用

用新颖的线性三色采样中形光栅，可以在单色胶片上一步记录彩色图像，这种记录和再现过程不仅操作方便，仪器简单，经济，而且避免了色串扰，莫尔（Ｍｏｉｒｅ）条纹与分辨率的损失，消除了互调制，大大提高了光能利用率，本文给出了用计算机制作叶形光栅的方法，讨论了用这种光栅编码彩色图像的原理及其在全息照相和光学信息处理等其它方面潜在的应用。