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。     

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。     

欠采样包裹相位图的恢复方法

针对非球面光学元件面形检测中的欠采样问题,提出了一种欠采样包裹相位图的恢复方法.首先,将原始欠采样包裹相位图在水平和竖直两个方向进行一个像素的错位相减,得到两个包裹相位差图.其次,对这两个包裹相位差图进行解包裹运算,得到两个解包裹相位差图.最后,应用傅里叶变换和最小二乘法恢复出连续的相位分布.模拟结果表明该方法可以高精...     

基于掩膜和最小二乘迭代的相位解包裹方法

由于噪声、阴影、条纹断裂及欠采样等因素的影响,完成相位解包裹是一个困难的问题。最小二乘法能够提供平滑解,但无法限制噪声的传播,特别是其平滑作用,容易导致误差。另一方面,注意到最小二乘相位解包裹算法对空洞是有填充作用的———空洞中填充了向原始相位靠近的数值,为此提出了引入一个二值化掩膜,并将最小二乘相位解包裹算法多次迭代的解相方法,以求加强最小二乘法对空洞的填充作用,同时又保证其它地方不因多次迭代使误差放大,从而获得更好的解包裹结果。通过模拟计算和两个实验的检验表明,使用该方法得到的相位已经很接近实验值,此方法比不使用掩膜和迭代的最小二乘解包裹算法有更好的结果。     

相位拼接技术在数字全息中的应用

在确保较高分辩率的前提下,提出了一种相位拼接技术以解决数字全息技术中扩大测量面积的瓶颈问题.在全息数字图记录过程中,确保相邻子孔径间具有重叠区域;拼接中采用相关算法确定重叠区域,并利用再现像重叠区域具有相同信息的特点使用最小二乘方法消除由于孔径的移动所产生的倾斜误差;相关计算和最小二乘反复迭代把相邻再现像精确统一到一个坐标系下,从而实现测量面积的扩展.以平面物体的测量为例建立了数字全息相位拼接技术的理论模型,完成了对相位物体的2×2拼接模拟,并在对标准相位板2×2的拼接实验中获得了较好的拼接效果.     

相位拼接技术在数字全息中的应用

在确保较高分辩率的前提下,提出了一种相位拼接技术以解决数字全息技术中扩大测量面积的瓶颈问题.在全息数字图记录过程中,确保相邻子孔径间具有重叠区域|拼接中采用相关算法确定重叠区域,并利用再现像重叠区域具有相同信息的特点使用最小二乘方法消除由于孔径的移动所产生的倾斜误差| 相关计算和最小二乘反复迭代把相邻再现像精确统一到一个坐标系下,从而实现测量面积的扩展.以平面物体的测量为例建立了数字全息相位拼接技术的理论模型,完成了对相位物体的2×2拼接模拟,并在对标准相位板2×2的拼接实验中获得了较好的拼接效果.     

数字全息显微术对细胞的研究

通过数字全息显微的方法分析研究了新鲜洋葱表皮细胞的形貌结构. 根据全息理论、光的衍射理论和透镜的相位变换性质,从理论上分析了数字全息显微原理,并依据四步相移和最小二乘去包裹技术,研究了重构细胞相位的方法.分析比较了不同参考光对数字全息显微分辨率的影响,设计了用球面光波作为参考光记录数字全息显微的装置.以新鲜洋葱表皮细胞为样本完成了实验检测和相位重构,得到了细胞的相位和三维信息,并粗略估计了细胞宽度和厚度.系统分辨率达到了1.3 μm.     

结合划线拟合和深度学习的数字全息显微相位像差自动补偿方法

针对动态观察活体细胞形态的数字全息显微应用,提出了一种结合划线拟合和深度学习的自动相位像差补偿方法.首先在全息面提取中心十字线上的物光场相位值,通过二次多项式数值拟合构建相位掩模完成相位像差初步补偿.然后在成像面运用卷积神经网络生成二值化图像掩膜,提取物光场中无物体区域的相位值,再次通过高阶多项式进行数字拟合构建相位掩模完成相位像差精确补偿.最后得到无相位像差的再现相位像.该方法通过在全息面划线取值和数字拟合有效补偿物光中的主要相位像差,降低了成像面物光场的图像轮廓复杂性,利用有限的训练数据集获得能够准确建立图像分割的深度学习模型,从而实现了准确的无需人工干预的数字全息显微自动相位像差补偿.基于离轴数字全息显微成像系统对多种具有不同形态特征的活体细胞开展动态观察实验,并进一步应用该方法进行子宫内膜癌细胞抗药性筛选.结果表明该方法可以很好地用于动态显微观察,从而为生物学细胞动态研究提供实验依据.     

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。     

数字全息用于光波衍射传播理论教学研究

数字全息技术是基于传统光学全息原理,借助于光电探测和数字处理技术,通过单次曝光记录和再现物光场的振幅和相位信息,近年来被广泛研究和应用.将数字全息应用于光波衍射传播理论教学中,不仅能够使学生在学习过程中形象、直观的理解光波衍射传播理论,而且能够通过编程计算完成数字全息图的数值再现,锻炼他们的知识运用能力,从而拓宽专业知识面、了解科学的发展前沿.     

Virtual shearing interferometry by digital holography

A novel method of virtual shearing interferometry (VSI) is proposed. In this method, the shearogram is obtained by interference of a real object wave-front and a virtual object wave-front. The former is optically recorded and then digitally reconstructed; and the latter is introduced digitally by repositioning or reforming the former. The obvious advantages of VSI over conventional shearing interferometry (SI) are its versatility, accuracy, and simplicity. Only one real field is necessary to produce shearogram; there is no need of any real shearing device or even the phase unwrapping computation; and the digital shear can take any possible form according to different purposes. Both the optical experiments and computer simulations with lateral shearing, 180° rotational shearing and double lateral shearing for evaluation of lens aberrations in the general case including spherical aberration, coma, astigmatism, defocus, and tilts based on phase-shifting interferometry are given to verify the effectiveness of this method.     

移相干涉测量术及其应用

为了对移相式数字干涉仪在光学元件测量中的应用有全面了解，介绍了移相干涉术的基本原理。结合激光数字波面干涉仪，阐述移相干涉术的四步重叠平均算法、压电晶体移相器(PZT)的结构、3 PZT的组合方法、移相器的标定误差和非线性误差的校正方法、波面相位解包的自适应种子算法、波面相位的评价指标等内容。结合移相数字波面干涉仪，叙述了移相干涉测量技术在普通光学元件、红外光学元件、大口径光学元件、非球面光学元件等测量中的应用并指出了应用过程中的注意事项。最后明确指出光干涉技术正沿着高相位分辨率、高空间分辨率、宽波段和瞬态高速测量的方向发展，并将会在瞬态波前测量、微机械的微结构动态分析等方面有着越来越广泛的应用。     

数字全息显微术中重建物场波前的相位校正

数字全息显微术克服了传统光学显微术无法直接提取样品相位信息的缺点,可以对活体细胞组织等相位型生物样品进行定量测量和有效观察。但在数字全息显微成像过程中,像场弯曲会对再现像相位分布的测量和观察产生影响。提出一种采用相位相减来校正数字全息再现像像场弯曲的方法。通过在样品加入前后两次拍摄全息图,并对数值重建像分别进行去包裹运算再令其相减,即可实现对像场弯曲的有效校正,对蝉翼和大蒜表皮细胞等相位型物体进行测量,并采用数值校正和相位相减两种方法对像场弯曲进行校正。与现有的数值校正方法相比,利用相位相减获得样品三维相位信息的方法更为简单、可靠,是校正像数字全息再现场弯曲的有效方法。     

Automatic interferogram analysis techniques applied to quasi-heterodyne holography and ESPI

This paper describes significant developments in methods for the automatic, quantitative analysis of interferograms. All areas of analysis have been considered: fringe field generation, pre-processing, and phase unwrapping.

A new quasi-heterodyne holographic technique is described in which the image is reconstructed using a single beam. The errors in the reconstructed fringe field are mainly linear in form, and an error compensation scheme is proposed. The final error in the phase measurement using automatic analysis is λ/40.

The process of image smoothing by an averaging filter is considered to reduce the effects of random noise. It is shown that by measuring the signal-to-noise ratio of the fringe field an optimum degree of smoothing may be applied. This is demonstrated on holographic and electronic speckle pattern interferometry (ESPI) data.

Two methods for cosinusoidal fringe image combination are compared, using three or four fields. It is shown that an automatic analysis can be achieved using four phase stepped images.

A new algorithm to automatically unwrap the phase of complex fringe patterns is described. The fringe field is segmented into small rectangular areas, called tiles. This allows local data to be obtained on fringe consistency and density. A confidence tree can then be formed to produce an optimal solution for the whole field. Results are presented and discussed for both holographic and ESPI data.     

三维超声驻波场的数字全息测量与重建研究

利用数字全息干涉术研究了超声驻波场的三维分布特征,由所记录的不同角度的超声驻波场的数字全息图,经数值再现,得到了超声驻波场的强度和相位差分布图,进而由迭代重建算法重建出超声驻波场的三维分布曲线。结果表明,数字全息干涉术与迭代重建算法相结合是测量与重建三维超声驻波场的一种方便有效方法。     

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。     

Scanning moiré and phase shifting with time delay and integration imaging

Scanning moiré is generated by undersampling of a phase-modulated grating pattern. In projection profilometry the scanning moiré pattern represents equal height and depth contours on a test object. By use of time delay and integration (TDI) imaging, it is possible to generate an on-line scanning moiré pattern from the complete periphery of a rotating cylindrical object. For automated phase and profile unwrapping from scanning moiré fringes, phase-shifting interferometry techniques are most desirable. However, lack of spatial information in the undersampled scanning moiré fringes introduces serious errors in phase unwrapping. We report a method that uses oversupply of data to balance the effect of undersampling. This oversupply is achieved with a TDI feature that permits programmable image magnification in the scanning direction.     

含噪声包裹相位图的加权最小二乘相位展开算法研究

二维相位展开广泛应用在精密光学测量、自适应光学、合成孔径雷达、图像处理等领域中。为处理含噪声包裹相位图,以预条件共轭斜量法求解权重最小二乘相位展开方程。引入非加权二维离散余弦变换求解泊松方程得到的最小二乘相位解作为共轭斜量法的初始解,从而加快了收敛速度,同时提出一种新质量图确定算法求解过程中的权重项。计算机模拟和试验表明算法计算速度快,能有效地消除传统路径积分法在处理信噪比低包裹相位图时的"拉线"现象,是一种有效的相位展开方法。     

电子学全息干涉术用于温度场测量

探讨了用电子学全息干涉术（双称数字全息干涉术）测量温度场分布及其变化的可行性，利用所设计的全息干涉实验光路，对一电烙铁头部周围温度场分布进行了实时全息记录，进而利用一维快速傅里叶变换及数字滤波处理再现出了反映温度场分布的全息干涉条纹图样，实验结果表明，与传统的光学全息干涉术相比，电子学全息干涉术借助于高分辨率CCD记录及高速计算机数字处理技术，从而可实现光学全息图的数字化记录、存储和重现。同时，利用再现物场相位倍增原理还可实现对干涉条纹数目的倍增，或利用物场相位分布的直接计算精确获取任意两点间的相位差，从而提高测量精度。此外，由于能够在不改变光路的前提下以较高的重复频率完成光学全息图的记录，电子学全息干涉术可以用于记录三维物场的变化并接近实时地再现和测量三维物场的变化规律，因此是一种极有发展前途的新型实时全息干涉计量技术。     

Holographic lateral shearing interferometry with the displacement of an object under study

A new method of the holographic lateral shearing interferometry is considered. In the method, the recording of the reference holographic lateral shear interferogram is followed by the displacement of an object under study by a distance equal to the lateral shear. The method provides the simultaneous recording of several aberration-free interference patterns representing with the different sensitivity the changes in the phase of the light wave, introduced by the object under study. The method has been tested experimentally to detect optical inhomogeneities in a cylindrical crystal of the active medium of a solid-state laser.