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。     

显微数字全息中物光波前重建方法研究和比较

根据全息理论和线性系统理论,采用离轴无透镜傅里叶变换全息记录光路,对利用菲涅耳近似法、基于瑞利—索末菲衍射积分的卷积法以及角谱理论方法数值重建全息图进行了比较研究,并做了计算机模拟验证.结果表明：菲涅耳近似法和角谱方法重建像质比较好,且菲涅耳方法重建速度快；在记录距离极小的情况下,尽管记录距离不满足通常的菲涅耳近似条件,菲涅耳近似公式仍然成立；自由空间脉冲响应的快速傅里叶变换的性质与距离有关,由卷积方法得到的再现像只在某一特定距离下比较理想；对于极小物场、大孔径显微数字全息来说,菲涅耳近似重建方法是较为有效的方法.     

基于深度学习的离轴菲涅耳数字全息非线性重构

针对离轴菲涅耳数字全息图,提出基于深度学习的单幅数字全息非线性重构方法 .采用经典的菲涅耳衍射积分模拟数字全息成像以供给网络训练所需样本,利用深度卷积残差神经网络通过学习数字全息图与相关物像之间的非线性数学映射关系实现全息图的物像重构.数值模拟表明,与传统的频率滤波和四步相移技术实现菲涅耳数字全息重构相比,本文提出的方法可直接消除零级像及孪生像,无需条纹物项抽取预处理步骤,且重构的物像具有较高的质量,针对相同记录参考光下不同衍射距离所生成的测试集亦具有较强的稳健性.     

图像传感器像素化效应对菲涅耳非相干关联全息分辨率的影响

作为复光场显微成像的一种新技术,菲涅耳非相干关联全息术(Fresnel incoherent correlation holography,FINCH)因其非相干光记录的特点在近年来受到关注.FINCH作为一种新型非相干全息系统,如何设计光路实现其最佳的分辨率是一个关键问题.然而,针对这个问题的讨论,目前已有文献存在不同的观点,有关FINCH最佳分辨率的成像条件仍有待研究.全息图有效孔径大小是决定全息成像系统分辨率的重要因素,在FINCH系统中,全息记录距离的变化则会引起全息图有效孔径发生变化,全息图的有效孔径大小不仅与光路各元件的孔径有关,还与相干光波相互干涉叠加区域的面积以及图像传感器的像素间距等因素有关.本文基于波动光学理论,结合FINCH全息图的波带结构特征,研究了FINCH全息图的有效孔径.研究发现数字全息记录相机的像素化特性是影响FINCH成像分辨率的决定性因素,并进一步通过数值模拟和光学实验验证了理论分析结果:全息图记录距离(Z_h)等于空间光调制器加载的衍射透镜焦距(f_d)时,FINCH系统的再现像将会达到最佳横向分辨率,且分辨率随成像距离|Z_h-f_d|的增大而降低.     

纯相位菲涅尔全息图的反馈迭代算法及其硅基液晶显示

研究了纯相位菲涅尔计算全息图的制作方法,给出了一种生成纯相位菲涅尔计算全息图的算法.首先研究了菲涅尔衍射的数值模拟算法,分析了两种数值模拟算法的计算速度.将计算速度较快的菲涅尔衍射数值模拟算法和迭代算法相结合,并引入比例反馈,得到纯相位菲涅尔计算全息图的反馈迭代算法.其次,对比例反馈系数的选取进行了实验研究,得到其最优经验值范围,然后进行了仿真实验.仿真结果表明,该算法降低了重构误差,提高了全息图重构质量.最后基于新型空间光调制器反射型硅基液晶,建立了全息显示光电实验系统,对该算法进行了验证.     

菲涅耳数字全息成像系统的焦深

焦深是表征成像系统性能的重要参数.基于透镜相干成像的焦深判据,利用数值积分和计算机模拟的方法,分析和推导了菲涅耳数字全息成像系统的焦深,给出了相应的焦深表达式,并与利用理想成像四分之一波像差的判据得到的焦深进行了比较.结果表明:菲涅耳数字全息成像系统的焦深不同于透镜相干成像系统的焦深.在记录距离和CCD参数一定的条件下,离轴菲涅耳数字全息成像系统的焦深略大于同轴菲涅耳数字全息的焦深;离轴对称偏置情况下的焦深略大于非对称情况下的焦深.利用像强度判据得到的焦深,能够较好地表征数字全息成像系统的性能.     

全息显示技术讲座 第二讲——透射全息

<正> 1.菲涅耳型透射全息的一般问题透射全息在记录时,物光和参考光来自记录介质的一侧投射在记录介质上。拍照菲涅耳型全息图时,记录介质位在物光波的菲涅耳衍射区。参考光可以用平面光波、发散或会聚的球面光波。为讨论问题简单,用点物作代表推导全息图的空间频率、物象关系、放大率等。我们将点物的全息图称为基元全息图。图2.1是记录光路。物光和参考光的位相函数为     

数字全息的计算机仿真

根据光的标量衍射理论,分析了在数字全息模拟过程中把物光、参考光和再现光离散化的方法,以离散菲涅耳衍射积分为基础,采用Matlab软件实现全息图的数字记录和数字重构的模拟,给出了模拟结果.     

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。     

用极值频率法分析数字全息的记录条件

根据全息理论,通过分析全息图光栅结构的极值频率,利用抽样定理以及频谱分离条件,分析了离轴菲涅耳全息的记录条件,得到了不同于以往文献的最小记录距离及参考光源设置表达式,并做了计算机模拟验证.结果表明：用该方法推得的离轴菲涅耳全息最小记录距离和参考光设置表达式是正确的.只有同时满足抽样条件和频谱分离条件,才能得到高质量的再现像.     

Studies on aperture synthesis in digital Fresnel holography

Aperture synthesis can improve image resolution in digital holography by increasing the numerical aperture of the system. In this paper, we show that both the lateral resolution and image field of view can be enhanced at the same time using a more general Fresnel holography setup and hologram stitching. The impact of aperture synthesis on the lateral resolution is investigated both theoretically and experimentally. In the experiment, the synthesis is executed by moving the compact digital holographic system in two directions. Nine holograms are recorded and stitched into one hologram. The reconstruction results show that expanding aperture improves the lateral resolution. The lensless Fresnel holography used in this paper is demonstrated to have the ability to provide a larger numerical aperture and can compress the object spectrum in recording process.     

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。     

采用大口径投影光学系统监测远场散斑特征参数

大口径投影光学系统采用低成本、大口径菲涅耳透镜制作,可将远场散斑强度分布投影到CCD成像探测器上。通过CCD图像处理,能够对给定孔径上的接收功率、闪烁指数进行量化评估;在接收孔径足够大、保障散斑不会因为光束漂移效应而脱离菲涅耳透镜的条件下,该系统还可以对光束漂移和特征半径进行量化评估。同时讨论了CCD像元响应非均匀性误差及其影响、CCD辐照响应函数和图像几何投影系数的定标方法。实验表明,系统能够对激光大气传输过程中的远场散斑特征参数进行监测。特别对自由空间激光通信系统而言,可以为大气衰减和多种大气湍流效应综合作用下的中值电平慢衰落研究和检测阈值优化设计提供实验数据支撑。     

光束扫描超分辨数字全息

根据超分辨成像理论, 提出了一种基于光束扫描的超分辨数字全息记录与再现技术。用菲涅耳衍射理论证明了该技术可有效增大CCD探测器的等效尺寸和系统截止频率, 从而提高数字全息成像分辨率。计算机仿真验证了该方法的正确性与可行性。对光束扫描全息记录系统进行了详细描述, 对该数字全息术的再现方法进行了具体说明。对比合成孔径数字全息术, 该技术在全息记录中无需反复移动CCD探测器, 也不必反复调整参考光以避免出现欠采样。     

X光全息术的记录方式对其分辨率的影响

本文从分析X光全息图的两种具体的记录方式入手,考虑记录介质的点扩散函数和全息图的尺寸在不同的记录方式中,对X光全息图的分辨率的影响,结论是,在完全相干光的条件下,X光无透镜傅里叶变换全息图的最小分辨距离不可能小于记录时用的X光聚束器的焦斑或滤波小孔的半径,而X光同轴全息图不可能获得比记录介质的截止频率更高的分辨率.     

利用小尺寸电荷耦合器件实现数字全息高分辨成像

为了在降低数字全息显微成像系统成本的同时实现高分辨成像,对像面数字全息显微术的记录与再现过程进行了理论分析,结合系统的点扩散函数,对该系统的横向分辨率进行了分析. 得到了如下结论：像面数字全息显微系统的横向分辨率对电荷耦合器件（CCD）光敏面尺寸变化不敏感;对于常见的CCD 器件,其像元尺寸的变化对该系统的横向分辨率影响甚微. 此外,对像面数字全息显微系统的成像特点进行了分析,结果表明：利用像面数字全息系统可以实现物体信息的完整记录与再现,其成像分辨率及像质优于预放大数字全息系统. 利用搭建的数字全息实验记录系统,从强度及位相两方面对理论分析结果进行了验证,实验结果表明了理论分析的正确性. 关键词： 像面数字全息术 横向分辨率 点扩散函数 小尺寸电荷耦合器件     

预放大数字全息系统的成像分辨率分析

基于菲涅耳衍射理论,详细推导了预放大数字全息系统的点扩散函数表达式,并由此分析了该成像系统的分辨率.通过分别对整个系统、显微物镜以及CCD的点扩散函数幅值的计算机模拟,讨论了显微物镜与CCD分辨率之间的匹配问题.指明了现有文献中一些含糊说法.结果表明:恰当选择记录参量,使MO的成像分辨率接近于其极限分辨率,同时还要使CCD在满足抽样条件与再现像分离条件的情况下,再现像分辨率等于或略高于MO的分辨率.     

Perfect digital holographic imaging with high resolution using a submillimeter-dimension CCD sensor

In order to improve the resolution of digital holography with a common-dimension charge-coupled device (CCD) sensor, the point spread functions are briefly derived for the commonly used and practical post-magnification, pre-magnification, and image-plane digital holographic microscopic systems. The ultimate resolutions of these systems are analyzed and compared. The results show that the ultimate lateral resolution of pre-magnification digital holography is superior to that of post-magnification digital holography in the same conditions. We also demonstrate that the ultimate lateral resolution of image-plane digital holography has no correlation with the photosensitive dimension of the CCD sensor, and it is not significantly related to the pixel size of the sensor. Moreover, both the ultimate resolution and the imaging quality of image-plane digital holography are superior to that of pre- and post-magnification digital holographic microscopy. High-resolution imaging, whose resolution is close to the ultimate resolution of the microscope objective, can be achieved by image-plane digital holography even with a submillimeter-dimension sensor. This system, by which perfect imaging can be achieved, is optimal for commonly used digital holographic microscopy. Experimental results demonstrate the correctness of the theoretical analysis.     

数字全息成像系统的景深和焦深分析

根据全息理论,分析了数字全息成像系统的景深和焦深.针对数字全息不同的记录光路结构,分别给出了焦深的近似表达式.结果表明：数字全息系统的景深和焦深不仅与记录波长以及记录时的数值孔径有关,还与记录时参考光波的偏置情况有关;在记录距离和CCD参量一定的条件下,离轴无透镜傅里叶变换全息对称偏置下的焦深比非对称偏置下的稍小;显微成像情况下离轴无透镜傅里叶变换全息系统的焦深大于同轴菲涅耳数字全息系统的焦深,计算机模拟表明了结果的正确性.