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.     

同步相移数字全息综述（特邀）

相移数字全息技术将相移技术与数字全息技术相结合,为微观物体的三维形貌和折射率分布检测提供了一种快速、无损、高精度手段。与离轴数字全息相比,相移数字全息采用同轴光路,可以充分利用CCD相机的空间带宽积。然而,传统相移数字全息需要依次记录多幅不同相移量全息图,才能消除零级像和共轭像,再现出无混叠的相位/振幅图像。同步相移又称瞬时相移,可在同一时间得到多幅不同相移量的干涉图样,克服普通相移干涉不能实时观测的缺点。介绍了相移的概念和实现方式,基于多CCD记录、像素掩膜、平行分光的三种同步相移技术,对同步相移数字全息在生物医学、流场测量、表面形貌测量、微纳器件检测等领域的应用进行综述,为从事同步相移数字全息技术及其应用研究的学者提供有益参考。     

一种在二步相移数字全息中实现准确相移的方法

相移数字全息中的相移准确性决定了重建结果的质量,本文提出了在二步相移数字全息中实现准确相移的方法.该方法使用数字电压源开环控制普通的压电陶瓷微位移器,通过连续以微小的间隔来改变施加在压电陶瓷微位移器上的电压,可以获得一系列对应于不同相移角的全息图像,进而可以利用这些全息图像重建出来物光波在全息面上的强度分布.实验中采用已被CCD直接记录的物光波在全息面上的强度分布作为标准来评价前面重建结果的质量,计算了这些重建结果和评价标准之间的相关系数,结果表明相关系数达到最大时对应的全息图具有准确的相移角π/2.实验中比较了使用所确定准确相移角和理论相移角分别重建出来物光波的质量,计算机模拟和实验的结果证实了该方法的有效性.     

一种在二步相移数字全息中实现准确相移的方法

相移数字全息中的相移准确性决定了重建结果的质量,本文提出了在二步相移数字全息中.实现准确相移的方法.该方法使用数字电压源开环控制普通的压电陶瓷微位移器,通过连续以微小的间隔来改变施加在压电陶瓷微位移器上的电压,可以获得一系列对应于不同相移角的全息图像,进而可以利用这些全息图像重建出来物光波在全息面上的强度分布.实验中采...     

同轴相移数字全息中相移角的选取及相移误差的消除

基于两步同轴相移数字全息,首先从理论上分析了记录时不同相移角的选取及相移误差对再现像的影响,并给出了一种利用再现像所有抽样点的强度偏差之和作为评价标准,通过逐步改变理论设定相移角值来寻找实际相移角的相移误差消除新方法;其次对二步相移数字全息中记录时参考光波最佳相移角的选取作了计算机模拟,发现只有将参考光波的相移角选择在一定范围内,再现像的噪声较小;最后利用计算机模拟了相移误差消除,验证了所提方法的可行性.     

两步相移数字全息物光重建误差分析与校正

系统研究了两步相移数字全息干涉术中相移误差引起的波前再现误差的计算和校正方法. 基于衍射物光相位分布的随机性和振幅相位的相互独立性原理,介绍了相移数字全息中物光波前再现误差的表达形式,推导出步长为π/2的两步算法中物光重建误差的表达式. 通过进一步分析这一重建误差的结构和特点,结合物光表达式,给出了自动校正相移误差引起的波前重建误差的校正方法. 该方法无需增加测量,在未知相移误差大小的情况下,只对标准两步相移算法恢复的物光复振幅进行处理就可以实现对物光振幅和相位的同时校正. 计算机模拟结果表明,校正后可将 关键词： 相移干涉术 数字全息 物光重建 误差校正     

基于半像素错位的多幅图像重建高分辨率图像技术研究

介绍了一种基于半像素错位的多幅图像重建高分辨率图像技术。分析了半像素错位的多幅图像与高分辨率图像各像素灰度值的对应关系 ,并从CCD数字化采样的角度进行了论证。同时 ,结合实际摄像机CCD结构 ,求出了高分辨率图像重建的计算公式 ,并通过实验进行了验证和完善。重建的本质是以原高分辨率图像的 4邻域平均图像为基础 ,增加一定比例的边缘细节信息 ,去接近原高分辨率图像。CCD的动态范围越大 ,图像的灰度级越多 ,那么计算误差就越小 ,图像的边缘细节信息就可以利用更多 ,重建的图像就越接近原高分辨率图像。通过实验和分析表明 ,利用半像素错位的多幅低分辨率图像重建高分辨率图像的原理是正确的 ,方案是可行的     

相移相位测量的全息再现算法及测量误差分析

用全息原理和方法研究相移相位测量,得到了N步整周期相移再现物光波复振幅同步叠加函数(N步相移函数),同时提出一种新的相移相位测量误差分析和最大误差估计方法。N步相移干涉图是以理想平行光为参考光的无衍射同轴全息图,将其与对应的相移参考光相乘后求和得到N步相移函数;在理想情况下,这是一种复振幅分离、测量和物光波复振幅函数同步叠加方法,存在误差时计算出的相位是最小二乘方法的最佳期望结果。利用N步相移函数得到的N 1步相移函数,说明非理想N步相移函数是理想N步相移函数与误差函数之和,可以把相位型误差转化为与振幅和强度相对误差同等的误差来对待,降低了相位测量中误差估计的难度,给出了N步相移算法最大误差的估计方法和公式。     

一种新的快速解相位方法

提出了一种快速可靠的4步相移编码-解相位算法。通过对中心条纹的光强进行摄动,将编码信息加入到基本相移光栅中,使4幅基本相移图不但包含了相位场主值信息,还包含了解相位所需的编码信息。建立了摄动度函数描述相移图的摄动信息进而得到编码信息,解出完整的相位值。对摄动度函数的误差和噪声进行分析,提出方向滤波方法来消除噪声,极大地减少了编码信息的误判情况。仿真和实验证实了本算法的可行性。与传统相移法相比,解相位的速度和可靠性得到明显的提高。     

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.     

Parallel-quadrature phase-shifting digital holographic microscopy using polarization beam splitter

We present a digital holography microscopy technique based on a parallel-quadrature phase-shifting method. Two π/2 phase-shifted holograms are recorded simultaneously using polarization phase-shifting principle, slightly off-axis recording geometry, and two identical CCD sensors. The parallel phase-shifting is realized by combining circularly polarized object beam with a 45° degree polarized reference beam through a polarizing beam splitter. DC term is eliminated by subtracting the two holograms from each other and the object information is reconstructed after selecting the frequency spectrum of the real image. Both amplitude and phase object reconstruction results are presented. Simultaneous recording eliminates phase errors caused by mechanical vibrations and air turbulences. The slightly off-axis recording geometry with phase-shifting allows a much larger dimension of the spatial filter for reconstruction of the object information. This leads to better reconstruction capability than traditional off-axis holography.     

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。     

Method for eliminating zero-order diffraction in lensless Fourier transform digital holography

A method to induce phase shifting in lensless Fourier of digital holography system is presented. In this method, by computer simulation and theoretical analysis on the technology to eliminate the influence of zero-order diffraction in force, it can be found that, a reference light induced in a random non-2π integral number of phase shifting shooting to get the second hologram, and wave reconstruction can be got by the difference value image of the two holograms. And, the method of different digital holography record system with different phase shifting should be used. In this paper, theoretical analyses have been done in detail to discuss the problems that exist in the unsuitable phase-shifting methods. Furthermore, some experiments have been done to prove the reliability of this method. This method can significantly improve the image quality and give better resolution of the reconstructed image.     

Study on the simplified phase-shifting digital holographic microscopy

In this paper, a new simplified technique for effectively eliminating the zero order and the conjugate virtual image in digital holographic microcopy, which makes use of two-step phase-shifting method of just recording two holograms and an intensity image of object wave, is proposed. Meanwhile, combined with the principle of making full use of spatial bandwidth of the CCD sensor by in-line lens-less Fourier holographic recording geometry, the theory and experimental methods to increase the resolution of the reconstructed image in digital holography by using phase-shifting technique are detailedly analyzed. At end, the validity and availability of this technique has been demonstrated through the off-axis and in-line Fourier transform recording geometry. The study provides some theoretical and experimental guidance for the design and operation of a digital holographic microscopy system.     

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.     

Image encryption based on pure intensity random coding and digital holography technique

We propose a novel image encryption method that combines the pure intensity random encoding and the digital holography technique. A phase-shifting interferometer records both phase and amplitude information of a complex object with a CCD sensor array. The encryption is performed by placing two pure intensity random masks between the image to be encrypted and an intensity recording device. Electronic decryption can be performed with fast Fresnel reconstruction procedure. Numerical simulation results show the validity of the algorithm and an optoelectronic implementation setup is also presented.     

Optical encryption of gray-level image using on-axis and 2-f digital holography with two-step phase-shifting method

In this paper we propose an encryption/decryption technique of gray-level image information using an on-axis 2-f digital holographic optical encrypting system with two-step phase-shifting method. This technique reduces the number of holograms in phase-shifting digital holography and minimizes the setup of the encryption system more than multistep phase-shifting technique. We are able to get the complete decrypted image by controlling the K-ratio which is defined as the reference beam intensity versus the object beam intensity. We remove the DC-term of the phase-shifting digital hologram to reconstruct and decrypt the original image information. Simulation results show that the proposed method can be used for encryption and decryption of a 256 gray-level image. Also, the result shows some errors of the decrypted image according to K-ratio.     

基于两步正交相移干涉的振幅图像光学加密技术

提出一种基于两步正交相移干涉的光学图像加密技术.这种相移干涉数字全息只要记录两幅干涉图,不需要记录物光波和参考光波的强度信息,就可以再现没有零级像和共轭像的再现像.物光波对应的光路经过两次菲涅尔变换,并结合双随机相位编码.参考光分别引入0和π/2相位,用数字化记录介质记录两幅数字全息图作为加密图像.解密时只要获得正确的密钥,经过简单的计算就可以重建清晰的原始图像.模拟实验验证了它的可行性和有效性,分析了抗裁剪和噪音的鲁棒性.