基于液晶空间光调制器的全息显示

在传统的纯相位全息显示系统中, 一般基于快速傅里叶变换(FFT)算法来计算相位全息图, 在FFT的计算中需要遵循Nyquist采样定理, 因此, 重建图像的尺寸往往受限于空间光调制器的固定采样率. 这个限制可以通过卷积算法或者两步菲涅耳衍射算法来解决, 但是需要使用多个FFT的计算, 导致计算量增大. 鉴于此, 提出了一种基于透镜的纯相位全息图计算方法. 在全息图的计算中, 通过透镜的成像原理建立一个采样率可变的虚拟全息面, 通过调节相应的距离参数使得在全息图的计算中可以任意调节原始图像的采样率, 摆脱了传统方法中液晶空间光调制器带宽积对重建图像尺寸的限制, 并且这种算法只需使用一次FFT就能达到变采样率的衍射计算, 大幅提高了全息图的计算速度. 数值模拟及光学实验结果证明了此方法可以在全息显示光学系统中清晰地重建不同尺寸的图像. 同时该系统可以有效地消除由空间光调制器的像素化结构带来的零级衍射.     

Fast phase retrieval in slightly off-axis digital holography

In this study, three efficient algorithms are proposed for fast phase retrieval in slightly off-axis digital holography using spectrum cropping, spatial multiplexing, and complex encoding. In the first algorithm, the real spectral order of the subtracted hologram is filtered and cropped, and the number of pixels is decreased in the subsequent retrieval operations. In the second algorithm, two sequential subtracted holograms are digitally phase shifted and spatial multiplexed into one synthetic hologram, and thus only one inverse Fourier transformation is then required. In the third algorithm, two sequential subtracted holograms are encoded separately into the real part and the imaginary part of a complex hologram. Two cross-correlations can be used to reconstruct the phase, thereby improving the utilization of the spectrum. The three new algorithms speed up our previously proposed retrieval method with the assistance of specimen-free holograms. Our experiments demonstrated the validity and improved time requirements of the proposed methods.     

粒子场数字全息诊断中的再现算法研究

 粒子场的数字全息诊断中,良好的再现算法能够在较短的时间内给出高质量的再现像。利用标准粒子板模拟单层面的粒子场,使用大面阵CCD实现同轴数字全息记录,得到了大尺寸的数字全息图。针对4种数字全息再现算法,本文从再现图像的质量、再现全息图的大小和计算速度3个主要方面进行了比较研究,结果表明角谱算法(FFT-AS)具有再现图像背景均匀,再现结果中无物理图像压缩,可以再现大尺寸的全息图且具有较快计算速度的优点,适合于粒子场同轴数字全息图的再现计算。     

Digital Holographic Particle Tracking Velocimetry for 3-D Transient Flow around an Obstacle in a Narrow Channel

Digital holographic particle tracking velocimetry (PTV) is developed by single high-speed camera and single double pulsed laser with high frequency pulses. This system can directly capture 1000 hologram fringe images for 1 second through a camera computer memory. The 3-D particle location is made of the reconstruction by using a computer hologram algorithm in a personal computer. This system can successfully be applied to instantaneous 3-D velocity measurement in the water flow with a square obstacle, and can obtain an average of 300 instantaneous velocity vectors.     

单波长编码计算机制彩色彩虹全息图的研究

提出计算机制三维物体彩色全息图的新方法.通过理论分析表明，在满足一定的条件下，三个不同原色的点光源所产生的全息图光栅结构和距全息图不同距离的三个同色物点的光产生的全息图光栅结构是等价的.根据这一原理并参照彩虹全息技术，研究了物体三原色信息光分布的编码方法和全息图的算法，用单波长计算实现彩色全息图的制作，同时，较为完满地解决了全息图叠加和色串扰问题.实验结果证明了该方法的可行性及有效性.     

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     

单幅层析全息图的记录及数据重建

进行了数字单幅离轴层析全息图记录和数值处理模拟分析及实验研究.首先定义了单幅层析全息图并分析了基于多向投影的数字单幅离轴层析全息图频谱分布特点, 由此表明它的可处理性.在此基础上,数值模拟分析了基于三向投影的单幅离轴层析全 息图记录与各向投影信息的分离提取, 最后选择了具有周期结构的透明光栅(周期为100 μm)作为实验样本, 实现了三向投影的单幅层析全息图的记录以及数值重建, 三束物光波重建周期值误差在4%-5%范围内.模拟分析及实验结果验证了单幅层 析全息图记录与信息分离的可行性,同时为实现具备实时检测功能的极少量投影数字全息 层析系统提供了重要的技术基础.     

Speckle noise reduction by the composition of diffused Fraunhofer holograms

The image reconstructed from a composite hologram is compared with that obtained by multiple-exposure of images independently reconstructed from a single element and also with that from a synthetic-aperture hologram. The experimental results show the difference in the principle of speckle noise reduction with these three methods and prove that the composite hologram arranged only in a row is sufficient for reducing the speckle noise.     

Full Color Computer-Generated Rainbow Hologram with Enlarged Viewing Angle

The viewing angle of a computer-generated hologram (CGH) can be expanded by lens-less Fourier configuration. However, a laser is required to illuminate the CGH for reconstruction. We proposed earlier making a second hologram for white-light reconstruction; here, we propose a method to calculate CGH for a full-color rainbow hologram with enlarged viewing angle. First, we calculate the master hologram with three virtual slits whose positions correspond to red, green and blue wavelength. The transfer hologram can be made from the master CGH with a single exposure. In the experimental result, we obtain a full-color computer-generated rainbow hologram with 17° of viewing angle and 3.0mm × 2.5 mm image size.     

Measurement of three components of a displacement vector using heterodyne holographic interferometry

A new method for measuring a displacement vector using a single hologram is discussed. The method realizes the measurement by observing the object through three or more points on the hologram using a single lens and by using a heterodyne technique to detect accurate phase differences. In order to establish the optimum optical system of this method, it is necessary to estimate the measuring errors caused by fringe reading error and optical setting error. These two errors are calculated for a typical optical system. On the basis of the results of the analysis, an experimental result was evaluated.     

基于深度学习的粒子场数字全息成像研究进展

粒子场的数字全息成像中，由一幅粒子场全息图重建出高精度的三维粒子场分布，是数字全息技术领域的经典问题之一。相比于传统反向重建算法，深度学习算法可以从单个全息图直接重建出三维粒子场来简化算法复杂度，提高计算效率和准确率。介绍国内外研究团队将深度学习算法结合数字全息技术实现粒子场数字全息成像的研究进展，从不同粒子表征方法入手，叙述了支持向量机、全连接神经网络、全卷积网络、U-Net网络、深度神经网络在粒子场数字全息成像中粒子表征及粒子场反向重建过程中的应用原理、实现途径和准确率。最后指出了深度学习算法在这一研究领域的优势及目前基于深度学习算法的不足，并对如何进一步提高该方法的准确率进行了展望。     

多平面全息三维显示及其噪声消除研究

基于层析法和Gerchberg-Saxton迭代算法,计算得到了多个平面构成的三维物体的计算全息图,并将该计算全息图加载于空间光调制器上,获得了具备全视差的三维立体显示。基于以上方法,对灰度图像进行显示,获得了较高的像质。构建了由100个平面组成的立方体,获得了立方体的三维图像。另外,在计算全息图时附加了相位平移函数,消除了由空间光调制器的栅格结构引起的多重衍射像噪声,将能量利用效率提高到原来的379%。这样,可获得高衍射效率、高像质且具备全视差的三维全息显示。     

数字全息技术中散斑噪声滤波算法比较

 在数字全息测量记录过程中,其所记录的全息图易受到散斑噪声的污染造成分辨率下降,同时也严重影响数字全息再现的效果,因此研究适用于数字全息技术中散斑滤波的算法具有重要的实用价值。介绍了中值滤波、Lee滤波、Kuan滤波和SUSAN滤波这四种常用的散斑滤波算法,并将它们运用于数字全息实验所记录图像和数字再现图像的散斑噪声滤波处理中,然后对这四种算法的处理结果进行评价。结果表明,在数字全息技术中使用SUSAN滤波算法进行处理,既明显抑制了散斑噪声,又有效保证了再现图像信息的完整性。     

单幅同轴全息图两步迭代收缩重建

利用压缩传感理论中的两步迭代收缩重建算法,开展单幅同轴全息图重建实验研究,实现单幅同轴全息图共轭重建像的消除并克服数字全息技术在轴向聚焦平面识别能力的不足。以数字图像和标准分辨率板为记录物体,比较分析了基于两步迭代收缩算法和菲涅尔近似衍射重建算法的重建质量;以两根裸光纤为实验样本,分析了两步迭代收缩重建算法对记录物体轴向不同焦平面的识别能力。实验结果表明两步迭代收缩重建算法可得到清晰度高于68.73%的重建信息,同时对直径为125 m的两根光纤在9 mm的轴向间距条件下,显示出了比全息菲涅尔近似算法更好的聚焦平面识别能力。这一轴向聚焦识别能力有助于数字全息技术应用于功能材料梯度参数或功能涂层光学器件涂层厚度检测。     

Multi-wavelengths digital holography: reconstruction, synthesis and display of holograms using adaptive transformation

A method based on spatial transformations of multiwavelength digital holograms and the correlation matching of their numerical reconstructions is proposed, with the aim to improve superimposition of different color reconstructed images. This method is based on an adaptive affine transform of the hologram that permits management of the physical parameters of numerical reconstruction. In addition, we present a procedure to synthesize a single digital hologram in which three different colors are multiplexed. The optical reconstruction of the synthetic hologram by a spatial light modulator at one wavelength allows us to display all color features of the object, avoiding loss of details.     

一种菲涅尔全息图的快速算法

通过分析菲涅尔全息图计算模型,发现大量的平方运算和三角函数运算是计算速度的瓶颈,提出了一种菲涅尔全息图的快速计算方法.根据菲涅尔全息图的数学模型,利用三角函数的和差化积公式,将全息图的数学模型变换为由仅与水平或垂直方向有关的独立分量,通过四则运算来表示.在菲涅尔全息图的计算中,用少量的三角函数、平方运算和大量的四则运算代替原来大量的三角函数和平方运算,减少了全息图的运算量.实验表明,采用该算法后全息图的计算速度提高了9倍以上.     

基于离散Fourier变换的内源全息图重构计算方法

对基于离散Fourier变换的内源全息图重构计算方法作了深入系统的分析，讨论了如何计算整个球面全息图对原子重构像的贡献，克服了以往该方法只能计算半个球面全息图的不足，并运用采样定理知识，分析了全息图的采样率、重构像的空间范围和分辨率等问题. 关键词： 内源全息术 离散Fourier变换 采样定理 同步辐射     

层析法计算三维物体全息图的并行加速研究

随着计算空间光调制器的分辨率的尺寸逐渐变大，全息图三维动态显示的计算量也越来越大，使得对全息计算速度提出了新的要求。利用GPU并行计算处理的方式实现全息图的快速层析法计算，该方法利用GPU并行多线程和层析法中的图像二维傅里叶变换的优势对菲涅尔衍射变换算法加速计算；同时通过对GPU底层资源的调用和对CUDA中程序的流处理过程，有效减少中间的延时等待。通过对计算速度对比分析表明:与在CPU上运算相比，计算速度大幅提升，基于GPU并行计算的方法比基于CPU计算的方法速度快10倍左右。     

A method of making a true color stereoscopic hologram

A true color stereoscopic hologram is made with one-wavelength laser. Under illuminating incandescent lamp, a true color stereoscopic image can be seen from the hologram. A diffused reference light and a project object light are used in the recording of the hologram. The three primary color images of natural scenery are encoded on a white-and-black film. With the help of the encoded film, a true color hologram is recorded on a plate by single exposure and a true color stereoscopic by two exposures. The simplification of this method is apparent. Further more, it largely decreases the scattering noise of the hologram and averts the problem of color lack fidelity of the holographic image.     

单波长记录二维真彩色全息图的一种新方法

提出一种方法，用新型的光学元件－三通道光纤面板作为分色与合成元件，使得单波长真彩色全息图的制作大为简化，而且能够提高全息图再现像的亮度和色饱和度。