波前重建中的高通滤波消零级衍射干扰研究

根据可变放大率物光波前重建过程中球面波照射下数字全息图频谱的分析,提出在重建波照射前对全息图进行高通滤波消零级衍射干扰的方法.对物体表面为散射及非散射面情况的波前重建进行理论模拟及实验研究.结果表明,当物体表面是散射面时,可以获得有效消除干扰的重建图像,但是,当物体表面是光学平滑表面时,为得到完整的重建图像,要求将更为...     

Design of the spatial filter window for digital holographic convolution reconstruction of object beam field

In the convolution reconstruction process of digital holographic object beam field, the object beam fields with different magnifications can be obtained when the reconstructing beams are spherical waves with different wave curvature radii. This paper presents a theoretical and experimental discussion on the useful spatial frequency spectrum of the hologram numerically illuminated by the spherical wave. The result shows that there would be an image in the spatial frequency spectrum of digital hologram, which is completely the same as the object, if the wave surface radius of the spherical wave is equal to the distance from the object to the CCD sensor. Taking this image as a reference and designing a filter, the position of the reconstructed images with different magnifications can be predicted correctly in the reconstructed plane. Additionally, since the spectrum distribution of zero-order diffraction can be forecasted accurately in theory, its contribution can be effectively eliminated through changing the spatial filter shape; then a reconstructed object field containing more high-frequency information can be obtained.     

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。     

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。     

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.     

数字微镜器件在视频全息中的应用

为研究数字微镜器件在视频全息中的应用,探讨了基于数字微镜器件的全息编码方法。基于数字微镜器件的微观物理结构,讨论二维离散微镜像素结构、开态微镜列的闪耀光栅特性和脉宽调制的微镜偏转工作原理。将数字微镜器件分辨力、微镜尺寸、间隔、旋转角度、参考光入射角以及衍射条件等因素结合到计算全息编码中,提出干涉面抽样方法、相位补偿技术和无偏置二元全息编码方法,使产生的计算全息图适应数字微镜器件独特的空间光调制特性和计算视频全息的要求。实验表明,该方法调整了重构物光波的衍射方向,集中了衍射光在重构像中的分布,增加了成像清晰度和光能有效利用率,提高了全息编码效率。     

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.     

散射光彩色数字全息光学系统及波面重建算法研究

令物体表面为散射面,参考光及重建光为球面波,详细研究了离轴数字全息物光场重建平面的光波场.导出物光、共轭物光及零级衍射光分布与光学系统参数的关系.根据彩色数字全息的特点,提出抑制零级衍射干扰的光学系统设计方法,并且对一种能够避免插值误差的波面重建算法进行了优化研究,给出了相应的实验证明.     

数字全息波前重建中的像平面滤波技术研究

基于数字全息图的频谱平面滤波及像平面滤波技术,最近出现两种可变放大率的物光波前重建方法.为适应数字全息精细检测的要求,对两种滤波方法进行了研究,导出让局部重建图像布满重建平面的表达式.研究结果表明,像平面滤波技术优于频谱平面滤波技术,基于像平面滤波技术的重建方法能够按照需要的放大率高质量地重建局部物光场.给出彩色数字全...     

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.     

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.     

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     

基于频域方法的三维物体分层重现

基于频域方法实现了数字记录和再现三维物体离轴全息图.通过频谱对应关系求得各个面的频谱分布,使用数字滤波方法,成功地消除了零级衍射和共轭像;通过改变再现距离,分别获取了三维物体各个截面的再现像.     

无零级衍射干扰的彩色数字全息研究

彩色数字全息研究中,用球面波为重建波及角谱衍射公式进行波前重建是一种有效的方法.然而,重建图像上通常伴有强烈的零级衍射干扰.本文通过理论分析,对波前重建过程作了重要改进.用改进后的方法进行彩色数字全息的实验研究表明,重建彩色图像的质量获得显著改善. 关键词： 彩色数字全息 波前重建 零级衍射干扰     

Digital off-axis holography without zero-order diffraction via phase manipulation

By means of manipulating the phase information of the object beam in an off-axis digital holographic setup, we show that it is possible to fully eliminate the zero-order diffraction (ZOD) from numerically reconstructed holograms. Two different approaches are presented. In the first method, we introduce a ground glass on the object path beam to provide a random phase illumination. The subtraction between two holograms recorded with different positions of the ground glass yields a ZOD free hologram. In the second approach, a piece of window glass inserted on the path of the object beam produces a constant phase shift. The subtraction of two holograms, one recorded with and one without window glass generates a new hologram whose numerical reconstruction is ZOD free. Theoretical models and experimental results are shown to validate our proposals. They show that the proposed methods totally remove the ZOD without ruining the object information.     

Complex-wave retrieval based on blind signal separation

In the process of the reconstruction of digital holography, the traditional methods of diffraction and filtration are commonly adopted to recover the original complex-wave signal. Influenced by twin-image and zero-order terms, the above-mentioned methods, however, either limit the field of vision or result in the loss of the amplitude and phase. A new method for complex-wave retrieval is presented, which is based on blind signal separation. Three frames of holograms are captured by a charge coupled device (CCD)camera to form an observation signal. The term containing only amplitude and phase of complex-wave is separated, by means of independent component analysis, from the observation signal, which effectively eliminates the zero-order term. Finally, the complex-wave retrieval of pure phase wavefront is achieved.Experimental results show that this method can better recover the amplitude and phase of the original complex-wave even when there is a frequency spectrum mixture in the hologram.     

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.     

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.     

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.