基于改进DeepLabV3+的一步数字全息相位重建方法

数字全息显微术能够测量定量光场信息，但全息相位重建通常需要经过频谱滤波、模拟衍射、相位展开、畸变补偿等步骤，且在滤波时人工选取滤波窗口的尺寸误差会很大程度上影响成像质量。提出了一种基于改进DeepLabV3+网络的一步数字全息相位重建方法，在DeepLabV3+网络的基础上引入MobileNetV2结构进行改进。使用MobileNetV2提取全息图特征；通过空洞空间金字塔池融合多尺度特征；采用双线性插值的方法进行上采样，以得到高精度的定量相位重建结果。实验结果表明，与使用PhaseNet重建相比，方法在结构相似性指数上提高了6.5%,能够准确高效地实现数字全息高精度定量相位重建。     

两步相移数字全息物光重建误差分析与校正

系统研究了两步相移数字全息干涉术中相移误差引起的波前再现误差的计算和校正方法. 基于衍射物光相位分布的随机性和振幅相位的相互独立性原理,介绍了相移数字全息中物光波前再现误差的表达形式,推导出步长为π/2的两步算法中物光重建误差的表达式. 通过进一步分析这一重建误差的结构和特点,结合物光表达式,给出了自动校正相移误差引起的波前重建误差的校正方法. 该方法无需增加测量,在未知相移误差大小的情况下,只对标准两步相移算法恢复的物光复振幅进行处理就可以实现对物光振幅和相位的同时校正. 计算机模拟结果表明,校正后可将 关键词： 相移干涉术 数字全息 物光重建 误差校正     

数字全息周期像的产生机理及在抑制零级衍射上的应用

在数字全息成像中, 利用CCD的RGB模式采样全息图时, 全息重构像会出现特定的周期性分布. 本文从理论和实验上详细研究了这种周期像产生的机理、分布特性和应用. 研究结果显示, 由于CCD的光谱滤镜会使全息图的RGB三个单色采样阵列出现部分像素信号的缺失, 因此, 需要通过特定的demosaicing数学算法对缺失的像素信号进行重建以形成完整的单色采样阵列, 这是数字全息再现像周期分布产生的根源. 而基于demosaicing算法的采样阵列重建会在全息图频谱中引入调制函数, 导致物体再现像和零级衍射斑的周期分布差异. 本文揭示了全息图的RGB采样、demosaicing算法与全息重构像周期性之间的内在关联. 最后, 讨论了结合空间移位和图像形态学技术, 利用重构像的周期性抑制零级衍射斑的应用. 所有理论与实验研究结果完全一致. 关键词： 数字全息 图像周期性 零级斑抑制     

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.     

数字全息显微术中三种相位展开算法的比较研究

为了解决数字全息显微术相位重建中的欠采样问题,引用一种基于横向剪切干涉术的改进型最小二乘法相位展开算法,并与基于离散余弦变换的原始最小二乘法算法以及质量图导向路径算法进行比较。采用欠采样高斯函数进行计算机模拟,并进行了实验验证,结果表明了横向剪切干涉术方法的有效性。上述改进型最小二乘法相位展开算法在解决包裹相位图中的欠采样问题更有效,从而能够更精准地重建物体的相位信息。     

基于全相位谱分析的剪切光束成像目标重构

剪切光束成像技术是一种非传统散斑成像技术,能透过扰动介质对远距离目标进行高分辨率成像.本文提出了一种基于全相位谱分析的图像重构算法,利用全相位谱分析对回波信号数据进行预处理,可有效抑制频谱泄露,校正散斑频谱,消除多种因素引起的频率漂移误差,得到准确的散斑强度和相位差,提高实际成像环境的系统成像能力.仿真结果表明:该图像重构算法有效抑制了频率漂移对成像质量的影响,当信号存在频率误差时,其成像效果大大优于基于传统傅里叶变换谱分析的重构算法.     

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     

基于参考透镜法的数字全息显微相位畸变校正技术

建立了数值与物理方法结合的参考透镜法,对离轴数字全息显微系统进行畸变相位校正.对离轴全息图进行频谱分析,通过频谱滤波、移位的数值方法对一次相位畸变进行校正.在参考光路中引入参考透镜,根据频谱中心能量判别参考透镜的轴向最佳位置,利用物理方法对多次相位畸变进行校正.在相位校正理论分析的基础上,结合实验用参考透镜法验证其有效性和准确性.微台阶表面形貌测量结果表明,参考透镜法能够准确校正相位畸变,通过校正的相位可以获取44nm标准微台阶形貌数据,测量标准差能够达到0.8nm,且测量结果与轮廓仪测量结果一致.表明参考透镜法能够有效、准确地校正离轴数字全息显微系统的畸变相位.     

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。     

欠采样包裹相位图的展开算法

利用四种常见算法对由球面参考光像面数字全息显微术得到的中药饮片海金沙细胞的包裹相位图进行了相位解包裹。结果表明:基于离散余弦的最小二乘算法和预条件共轭梯度算法会使欠采样区域的误差进行传递,使得解包裹相位产生较大误差;质量图导向路径跟踪算法由于未识别残差点,导致出现拉线或者孤岛区域,而且处理速度很慢;基于横向剪切干涉的最小二乘算法处理欠采样包裹相位图的效果最好,而且处理速度较快。     

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.     

用于风场探测的非对称空间外差干涉数据处理方法研究

利用非对称空间外差光谱技术和多普勒效应,通过测量中高层大气气辉谱线的干涉图,采用傅里叶变换的方法求解相位,获得大气的风速信息。分析了干涉数据的处理方法,并针对干涉相位的求解进行推导。相比于传统观空间外差数据处理,不仅要考虑噪声和系统误差,而且要考虑用于光谱隔离的窗函数引入的相位误差。通过软件模拟了窗函数的类型和窗长度对干涉数据和风速误差曲线的影响;在此基础上选择合适的窗函数模拟了对干涉图添加噪声和平场因子情况下的风速反演误差。结果说明,虽然窗函数造成了干涉图和相位的畸变,但是使用汉宁窗在合适的光程差处能够使其引入的误差低于5%;同时,噪声的仿真说明,风速误差随着系统噪声的增加而增大,在实验过程中控制噪声以及实验数据预处理对于控制风速精度的必要性。数据处理方法的研究和相关的仿真,对于提高空间外差风速测量精度及系统设计提供了理论参考,具有一定的指导意义。     

Phase map retrieval in digital holography: avoiding the undersampling effect by a lateral shear approach

In digital holography (DH) the numerical reconstruction of the whole wavefront allows one to extract the wrapped phase map mod, 2 pi. It can occur that the reconstructed wrapped phase map in the image plane is undersampled because of the limited pixel size in that plane. In such a case the phase distribution cannot be retrieved correctly by the usual unwrapping procedures. We show that the use of the digital lateral-shearing interferometry approach in DH provides the correct reconstruction of the phase map in the image plane, even in extreme cases where the phase profile changes very rapidly. We demonstrate the effectiveness of the method in a particular case where the profile of a highly curved silicon microelectromechanical system membrane has to be reconstructed.     

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.     

Study on digital holography with single phase-shifting operation

The digital holography with single phase-shifting operation has been studied. Experimental results and computer-simulated work are presented. The phase-shifting error makes the intensity of primary image decrease and the conjugate image appear in reconstruction. The explicit equation for explaining these effects is given. The calculation of the normalized intercorrelation peak between the input and the reconstruction for different algorithms shows that, when the phase-shifting operation is the main error source, the quality of the image reconstructed from the digital holography with single phase-shifting operation is favorable.     

频域稀疏采样和激光成像方法

激光的单色性和自然图像频谱稀疏且集中在低频区间的特点,使图像频谱稀疏采样成像成为可能.基于小规模激光探测器,引入参考激光,本文提出了频域稀疏采样激光成像方法.介绍了频域稀疏采样激光成像的原理和成像系统结构,推导了激光回波重构复频谱的表达式,给出了重构频谱和复图像的仿真结果并分析了信号参数对重构效果的影响,同时采用相干系数、均方误差和结构相似度来评价其重构效果.规模为256×256的激光回波复图像仿真表明, 5个拼接1/4×1/4规模频域探测器组成的近似十字型稀疏采样结构,在约31.25%(5/16)的频域稀疏采样条件下,仍可获得较好的重构频谱和重构复图像.     

应用二维窗口傅里叶变换实现全息图数值再现

应用二维高斯窗口傅里叶变换对全息图进行局部分析。首先定义二维窗口傅里叶变换,并从理论上证明通过二维高斯窗口傅里叶变换所获得的叠加频谱与傅里叶变换所获得的频谱是一致的。对菲涅尔全息图进行数值再现时,通过提取窗口区域内局部全息图的＋1级频谱信息,并随着窗口中心在整幅全息图上逐点移动,将窗口傅里叶变换局部分析所获得的＋1级频谱叠加求和,可有效地重构出与＋1级衍射像相对应的完整频谱信息,在一定程度上改善了0级以及±1级衍射像所对应的不同频谱之间的串扰,提高了再现像的质量。     

Elimination of zero-order and conjugate images in off-axis digital holography

In this paper, a new digital method has been developed for eliminating the zero-order and conjugate image in off-axis digital holography. The method consists of filtering the spatial frequencies associated with these undesired terms (the zero-order and conjugate images) in the computed Fourier transform plane of the hologram multiplied with computer simulated original reference wave (written as (RI_h)). An important conclusion is that, without the need for additional shift-spectrum process, the spectrum of real image always appears in the center of the spectrum plane and never shifts. This brings us some convenient to design a filtering window. The theoretical analysis and the corresponding simulation and experiment results are given. As the zero-order and conjugate image are eliminated, both the contrast and brightness of the real image are enhanced and the image quality is improved. Meanwhile, the process of designing a filtering window is simple and convenient.