大尺寸物光波面彩色数字全息高质量重建研究

为解决检测面尺寸较大时CCD难以得到高质量数字全息图的问题,本文利用负透镜设计光学系统让CCD接收来自物体的缩小虚像,以球面波为参考波,使用单色CCD近距离得到三种色光照射下的大尺寸彩色物体的数字全息图,然后采用可控放大率波面重建算法得到同一尺寸的数字全息重建像,合成彩色数字全息重建像.同时,使用两种消零级方法去除零级...     

大尺寸物光波面彩色数字全息高质量重建研究

为解决检测面尺寸较大时CCD难以得到高质量数字全息图的问题,本文利用负透镜设计光学系统让CCD接收来自物体的缩小虚像,以球面波为参考波,使用单色CCD近距离得到三种色光照射下的大尺寸彩色物体的数字全息图,然后采用可控放大率波面重建算法得到同一尺寸的数字全息重建像,合成彩色数字全息重建像.同时,使用两种消零级方法去除零级干扰,提高重建像质量,一种方法利用空间光调制器相移技术在参考光中加入一次任意相移,记录两幅数字全息图,消除重建零级像|另一种方法使用“无干扰全息图”消除重建零级像及共轭像.本文讨论结果可为大物体彩色数字全息及多波长数字全息检测应用提供有益的参考.     

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.     

菲涅尔数字全息的脉冲响应

数字全息是用CCD记录全息图并用计算机数值重建全息像的一种全息新方法.在数字全息中,通过对不同记录参数下记录的全息图的数值处理,可以消除零级光和共轭光,从而将数字全息系统看作是一个线性系统.本文依据全息理论和付里叶频谱分析,对菲涅尔数字全息系统的脉冲响应和分辨本领进行了理论分析.结果表明,在矩形等间隔抽样的情形下,菲涅尔数字全息的脉冲响应是由CCD有限大小的孔径衍射斑调制的矩形函数;菲涅尔数字全息的分辨率由CCD的孔径尺寸决定;由于CCD像素具有一定的大小,使得点光源的像发生弥散.     

全息图数字再现中零级衍射斑的消除

分析了无透镜傅里叶变换全息图数字再现时零级衍射斑对再现像的影响，提出了用全息数字相减及数字重现来消除零级斑实现无零级数字全息再现的方法，给出了计算机模拟实验结果，并对再现结果作了分析。     

菲涅耳数字全息成像系统的脉冲响应分析

数字全息成像由CCD记录数字全息图后经过计算机数值重建物光波场,这个过程从傅里叶变换角度看等同于数字全息图的频谱分析。讨论了数字成像系统的脉冲响应函数,并分别推导了其实像、虚像、零级像在平面波和球面波照射下的波前复振幅分布。结果表明,实像和虚像是移位的夫琅和费衍射分布,而零级像是CCD光瞳的菲涅耳衍射分布,且与参考光波前分布无关。     

用改进的Fienup迭代算法进行数字全息重建

数字全息成像中往往包括再现像、共轭像和零级项,再现像的分离是常见而又难以彻底解决的问题。提出一种新的全息图重建算法,即利用相干衍射成像（CDI）中的迭代方法处理数字全息图,实现仅有一个实像的再现结果,从而彻底解决该问题。该方法包括两个步骤：首先通过CCD分别测量样品单独存在、样品和参考光同时存在以及参考光的远场衍射分布;然后通过计算机进行迭代运算。由于干涉光的存在,该算法比传统的CDI算法有更快的收敛速度和重建质量。同时进行了数值模拟验证并对生物切片进行了物像重建。     

数字全息中的一些基本问题分析

利用全息理论、傅里叶频谱分析和采样定理，在模拟和数字全息光栅实验基础上，分析了数字全息记录和再现中的一些基本问题。结果表明：在物体和CCD尺寸确定的情况下，记录光路结构参量只取决于对图像采样的要求及CCD的像素尺寸，只要物体到CCD的距离满足采样要求，数字全息图再现光场的三个部分就可以分离；用准直平行光作为记录参考光和模拟再现光，可以得到与物体大小和形状完全一致的再现像；采样条件对再现像的影响大于分离条件，减小参物光的夹角记录适当过采样的数字全息图，有利于提高再现像的质量；另外，在获得高质量再现像方面，根据物体的具体特征，尽可能记录高质量的数字全息图，与满足采样条件和分离条件具有同样重要的意义。     

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。     

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.     

Study on the reduction of speckle noise in the reconstructed image of digital hologram

As one of the most important 3-D display technique, reduction of speckle noise in the reconstructed image of digital holography should be grounded on the digital hologram itself. Based on the whole process of the recording and reconstruction of digital holography, the optical distributions of recorded object and reconstructed image of digital holography have been studied. It has been proposed that the root formation cause of speckle noise in its reconstructed image is the speckle noise formed on the recorded object surface when illuminated by coherent light because of its optical roughness. A novel approach has been presented to reduce speckle noise in digital holography by changing the interference structure of hologram itself. First, by reducing the speckle noise in the reconstructed image, the distribution of ideal reconstruction light with reduced speckle noise is acquired. Then in turn, taking the ideal reconstruction light with reduced speckle noise as ideal object light, a new hologram can be rebuilt, which can reconstruct the ideal object light. The experimental results are given to confirm the proposed method. Therefore, it offers a brand-new thought and practical way to reduce the speckle noise in the reconstructed image of digital holography.     

像面数字全息的重建相位误差分析和改善

像面数字全息是数字全息技术中常用的测量和成像方式,它通常采用离散傅里叶变换和频率滤波的方法进行物光波的重建.本文讨论了这些算法对重建相位的影响.首先分析了频谱泄露对于相位误差的影响,结果表明当采样周期为整数时,重建相位误差很小,因此具有极高的相位重建精度;而当不满足整周期采样时,相位重建误差有了明显的增加.为了改善频谱泄露所引起的相位误差,采用Hanning函数对数字全息图进行了预处理,结果表明Hanning窗的加入能够有效地提高重建相位的准确程度.     

The influence of hologram aperture on speckle noise in the reconstructed image of digital holography and its reduction

Based on the whole process of the recording and reconstruction of digital holography, we study the formation cause of speckle noise in its reconstructed image and acquire the conclusion that the small size of hologram aperture diffraction aggravates the speckle noise of reconstructed image and the speckle noise has been one of primary noise sources in the reconstruction process. In order to reduce the speckle noise resulting from little hologram aperture diffraction, we set an appropriate aperture function matching the recording parameter and aperture size of hologram and deconvolve the reconstructed image with it. The validity has been proved in theory and experiment. Therefore, it offers a brand-new thought and practical way to reduce the speckle noise in the reconstructed image of digital holography.     

黄氏傅里叶计算全息图的数字再现及零级像的消除

将数字再现技术应用于黄氏(T.S. Huang)傅里叶计算全息图的再现过程, 制作计算全息图,利用数字再现直接在计算机上完成全息图的再现.直接利用数字图像处理的方法对所得计算全息图进行滤波处理,消除了零级像和原始像,使得数字再现时得到了清晰的再现像,并给出了所制作的计算全息图以及数字再现的结果.     

复数滤波器在数字全息图处理中的应用

数字全息图在微电路检测、粒度分析、透明场测量等小孔径、小视场对象测量和细胞观测等显微测量方面有着广泛的应用前景。根据离轴数字全息图的频谱特点,提出采用复数滤波器,利用计算机及相关算法对离轴数字全息图进行滤波,消除其零级及共轭像,同时可以得到全息图的相位分布。讨论了复数滤波器的设计方法,给出了实验结果。为数字全息图的压缩、再现和相息图制作提供了方便。     

Digital holography for quantitative phase-contrast imaging

We present a new application of digital holography for phase-contrast imaging and optical metrology. This holographic imaging technique uses a CCD camera for recording of a digital Fresnel off-axis hologram and a numerical method for hologram reconstruction. The method simultaneously provides an amplitude-contrast image and a quantitative phase-contrast image. An application to surface profilometry is presented and shows excellent agreement with contact-stylus probe measurements.