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.     

合成孔径数字全息的分析模拟及多参考光合成孔径数字全息

分析了合成孔径数字全息的理论和实现方法,提出了多参考光合成孔径数字全息方法及其应用前景,以双狭缝为例,模拟了单幅及单参考光、多参考光两种合成孔径数字全息术的记录和再现方法,对三种方法再现像的分辨率进行了比较.     

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.     

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。     

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.     

雾化场光学全息与数字全息联合测量

针对雾化场光学全息测量存在干板湿化学处理繁琐、再现像采集耗时的问题,提出光学全息与数字全息联合测量的方法,建立由同轴光学全息、同轴数字全息以及数字延迟信号发生器组成的测量系统,并以双孔直射式喷嘴产生的雾化场为测量对象,利用该测量系统在一次测量中同时获得雾化场的光学全息和数字全息的再现图像,两者具有很好的一致性。光学和数字再现图像相对应的视场范围分别为27.87 mm4.77 mm和27.59 mm6.67 mm,数字方式获得视场范围内单一层面再现像的时间仅为8 s,而光学方式将近1 h。结果表明,光学全息与数字全息联合测量时,通过数字全息的雾化再现图像能够对实验总体效果进行实时评估,提高了雾化场全息测量的实验效率。     

利用综合复用技术拓展数字全息显微系统中的记录视场

为了解决现有数字全息显微系统中高分辨率与大记录视场无法同时兼得的问题, 提出了一种在不牺牲分辨率的前提下拓展数字全息显微记录视场的方法. 该方法中运用了波长不同、偏振态不同的四路相互不相干的探测物光, 同时探测被测样品四个相邻的不同区域, 并使这四束探测物光分别与其相应的参考光相干, 在记录面上同时记录下含有被测样品不同区域信息的复合全息图. 将获得的复合全息图经过频谱变换和数字滤波, 分别重构出所记录区域的振幅和相位分布.最后通过图像拼接和图像融合技术, 可实现接近原记录视场四倍的大视场数字全息显微记录. 该方法在测量过程中无需移动记录装置、光源和被测样品, 单次曝光即可实现, 实验结果验证了本文所提方法的可行性. 关键词： 数字全息显微术 角分复用 偏振复用 波长复用     

点源参考光数字全息的频谱和记录能力分析

基于最高空间频率分析法,对点源参考光数字全息的空间频谱进行了分析,得出了使空间频谱分离的条件。结合全息成像系统的分辨率,推导出了同时满足采样和再现像分离的记录条件以及CCD对被记录物体的数据记录能力。结果表明,对给定的物体和CCD来说,采用点源参考光比采用平面参考光更容易满足采样和分离的条件,并可以记录到更多的物体信息,从而可使再现像获得更高的分辨率。     

数字全息术测定涡旋光束拓扑电荷数

提出了一种基于数字全息技术测定涡旋光束拓扑电荷数的方法.该方法通过数字全息技术获取涡旋光束和参考光的全息图并重构出涡旋光束的波前相位,判定相位围绕相位奇点的周期性分布来测定涡旋光束的拓扑电荷数.在拓扑电荷数取值分别为整数和分数的情况下,通过对数值模拟和实验结果的比较,表明该方法能够较准确地测定出拓扑电荷数.     

LED光源数字全息技术研究

研究以发光二极管(LED)作为光源的部分相干光数字全息技术.首先研究LED的时间相干性和空间相干性,尽管LED的时间相干性较差,但空间相干性可以通过减小光源发光面积来提高.利用LED的时间相干性较差、相干长度短的特点,抑制相干噪声,改善数字全息重建质量.在同一全息记录系统,通过实验,比较了用激光和LED光源的数字全息重建图像质量.结果表明:基于LED光源的数字全息,完全消除了使用激光光源的散斑噪声和由光学元件引入的寄生干涉噪声,物光场的重现质量,包括振幅和相位都得到了很大提高.但由于LED光源的较低的空间相干性,一般只适用于同轴相移数字全息,待测物体的厚度在十几微米以内,应用受到一定限制.     

一种实现单步相移无透镜傅里叶同轴数字全息的倒频谱技术

在数字全息技术中无透镜傅里叶同轴数字全息具有高分辨,再现速度快等优点,因此有着广泛的应用前景,但它也存在再现像与直透光场及其共轭像重叠,较难分离的缺点。针对这一问题,在分析了无透镜傅里叶同轴数字全息图记录和再现原理的基础上,提出了单步相移倒频谱技术,并在理论上分析了该技术对分离出清晰再现像的可能性和该技术适用的关键条件。通过仿真实验进行了验证,结果表明:单步相移倒频谱技术能够较好地解决无透镜傅里叶同轴数字全息技术中再现像与直透光场及其共轭像重合这一困难,得到清晰的再现像;同时给出了实际实验中单步相移倒频谱技术能够适用的条件参数,这为后面的进一步实验提供了参考依据。     

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.     

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.     

基于相位分析的时间平均数字全息测振研究

传统的时间平均全息术通过对再现像光强分布的测量来实现振幅分布的检测,由于噪音影响往往得不到满意的结果.第一类零阶贝塞尔函数相位只有0和π两个取值,所以利用再现光场的相位可以确定振幅分布.理论分析发现,以往的讨论忽略了照明光之间位移引起的相位变化,研究通过叠加一个相位因子对此进行了修正,并利用贝塞尔函数平方的相位特点提出了消除该相位因子的办法.实验结果表明,该相位因子确实存在并影响测量,用本文所提出的方法可以很好地消除该相位因子的影响,使利用时间平均数字全息再现光场的相位检测振动物体的振幅分布变得方便和准确.     

菲涅耳非相干数字全息大视场研究

菲涅尔非相干相关全息术(Fresnel incoherent correlation holography, FINCH)通过空间光调制器(spatial light modulator, SLM)将来自物点的光波分解为曲率半径不同的两束自相干光,干涉条纹由CCD记录.由于受限于SLM与CCD的像素数目及像素尺寸, FINCH技术与光学全息术相比记录视场要小得多.本文通过对FINCH系统的记录过程进行理论分析,给出了SLM所能记录的视场角,说明通过调控加载在SLM上的双透镜光轴中心,能够扩大SLM的有效直径从而将SLM的有效记录范围增大2.77倍,有效扩大了系统的记录视场.搭建了非相干光反射式数字全息记录系统并对理论分析进行了实验验证,结果表明:在SLM上依次加载不同光轴中心位置的双透镜掩模进行FINCH记录及再现,将得到的各子图像拼接融合可以得到高分辨率大视场图像,为菲涅尔非相干全息术在高分辨大视场显微成像的进一步应用提供了有力支撑.     

无透镜一步彩虹全息

采用合成狭缝的方法，不用透镜成像，直接对三维漫射物体一次拍出彩虹全息图。这个全息图重现像的观察范围很宽，视场不受透镜孔径的限制。对该方法作了理论分析，并给出实验结果。     

散射光波场卷积重建的三种方法研究

将数字全息检测物体的表面视为散射面,当物体投影尺寸远大于CCD面阵尺寸时用球面波为重建波,对物平面光波场卷积重建过程进行了理论研究.导出了重建物光场放大率与重建参量的关系.介绍了通过补零扩大CCD平面以及对物体局域重建组合的另外两种卷积重建方法.通过实验对三种方法进了行比较.结果表明,球面波为重建波的方法优于另外两种方法.     

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.     

球面参考光波数字全息的一些特点分析及实验

对以球面波作为参考光记录数字全息图的采样和再现分离条件进行了详细的分析。推导出了同时满足采样和再现分离条件时,CCD及物体的横向尺寸、物体及参考光源至CCD的距离之间需要满足的关系式,证明了完全散射物体上复振幅在记录面上的叠加可以等效为一个点光源在记录面上产生的效果,进行了相应的实验研究。结果表明：数字全息术中采用球面参考光波可以比采用平面参考光波更容易满足采样和分离条件,并可以记录到更多的物体信息;在物体至CCD的距离固定的情况下,无透镜傅里叶变换全息术是优化的记录光路结构;散射物体比衍射物体的数字全息图更容易满足采样和分离条件。     

Reduction of speckle noise in the reconstructed image of digital holography

Based on the whole process of recording and reconstruction of digital holography, we study the formation causes of speckle noise in the reconstructed image and its characteristics. And we reach the conclusions that the little hologram aperture diffraction aggravates the speckle noise and the speckle noise in the reconstructed image is a kind of multiplicative noise. Serving as the basis of these features, we propose the reduction technique for speckle noise. Firstly, we set an appropriate aperture function matching the recording parameter and an aperture size of hologram and deconvolve the reconstructed image of the hologram with it. Secondly, we converted the multiplicative noise into additive noise by means of homomorphic transform and realize the separation of signal and noise. Thirdly, we applied the Wiener filtering to reduce the additive noise. Finally, we carried out the inverse transformation. The proposed reduction technique is illustrated with experimental results. Therefore, the paper offers a brand-new thought and practical way of reducing the speckle noise in the reconstructed image of digital holography.