无透镜傅里叶变换全息图在欠采样条件下的数值再现分析

在理论分析无透镜傅里叶变换全息图记录的基础上，结合CCD的结构特点，用傅里叶频谱方法具体研究了无透镜傅里叶变换全息图在欠采样条件下的再现问题.指出在无透镜傅里叶变换全息术中，对有限尺寸物体而言，在记录过程不满足申农（Shannon）采样定理的条件下，仍能完整再现出物体的像.同时对再现像的变化特点进行了理论说明.所得的实验结果与理论分析一致.     

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。     

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。     

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。     

数字无透镜傅里叶变换全息术中非傍轴及离焦像差的校正

对数字无透镜傅里叶变换全息图直接采用逆傅里叶变换进行物场的数值重建时.需要满足两个条件:第一,全息图的记录过程必须满足傍轴近似条件,否则再现过程中会产生非傍轴像差;第二,记录全息图时物平面与参考点光源到全息图记录平面的距离必须相等,否则再现过程中会产生离焦像差.理论分析了非傍轴及离焦记录条件下数字无透镜傅里叶变换全息图的灰度分布特点,并提出了相应的非傍轴及离焦像差的数值校正方法.根据实际的非傍轴或离焦记录情况.分别给所记录的数字全息图灰度分布矩阵乘以适当的非傍轴或离焦校正因子,以消除灰度矩阵中非傍轴或离焦因素的影响.然后再对校正后的伞息图灰度矩阵做逆傅里叶变换处理.即可得到准确的数字再现像.实验结果表明.该数值重建方法能够有效地消除无透镜傅里叶变换全息术中数字再现像的非傍轴像差及离焦像差,提高再现像的质量.     

提高数字全息再现像像质的两步相移迭代算法

在两步相移数字全息术中,相移误差直接影响着零级像和共轭像的消除.为了消除相移误差,获得实际相移值,提出了一种基于相位统计特性的两步相移迭代算法.首先利用全息图的相位统计特性计算出初始相移值,然后用数字全息图再现像抽样点强度偏差之和作为评价标准,通过迭代计算寻找参考光的真正相移值.该算法能对任意未知相移量进行提取,从而有效地消除零级像和共轭像,提高了再现像质量.理论分析和光学实验结果证明了该方法的可行性和有效性.     

无透镜傅里叶变换全息图数值再现中的图像处理

针对无透镜傅里叶变换全息图数值再现过程的特点，提出了一套不同于以往的削弱或消除全息图0级衍射和孪生像的数字图像处理算法。该算法分为三步。首先，对所拍摄的数字全息图通过高通滤波实现衬比度增强预处理，以提高全息图的衍射效率并消除再现图像的0级衍射斑；其次，对再现图像进行带通及Ⅴ型滤波，以降低背景噪声并使再现视场均匀；最后，对所得到的再现像进行平滑处理，通过小波滤噪和中值滤波进一步提高再现像的信噪比。实验结果表明，该方法只需记录一幅数字全息图，通过简单的数字图像处理，便可明显改善图像质量，尤其适用于无透镜傅里叶变换全息图的数值再现，并且更加实用化。     

一种新的三维计算全息图的计算方法

介绍了一种制作真实三维物体计算全息图的新方法。用摄像机记录三维物体在非相干光照明条件下两个正交方向上不同视角的一系列投影像，将这些投影像导入计算机，在MATLAB中对其作快速傅里叶变换。对这一系列二维投影像的傅里叶变换图进行抽样，得到三维物体在透镜后焦平面上的光场分布，进而制成一张计算全息图。结果证明该方法可以实现对真实物体三维全息图的合成，并且在算法实现上更加简单，提高了程序的运行速度，有利于改善全息图再现像的质量。为解决真实物体相干全息记录中光源功率和相干长度对全息记录可行性的限制指出了一个新的方向。     

分数傅里叶变换全息图及其再现像的解析性

将分数傅里叶变换用于全息图制作,针对各种记录方式,全面研究了分数傅里叶变换全息图无透镜再现像的共轭关系和放大率关系,确切完整地给出了分数傅里叶全息术傍轴几何光学理论的数学表达和物理解释.计算机模拟实验证明了结论的可靠与可行.     

用全息透镜记录多重分数傅里叶变换全息图

提出一种全息透镜记录多重分数傅里叶变换全息图的新方法，它能在三维空间不同位置和不同方向上分别再现所记录的多个物体的图象，分析了利用全息透镜记录多重分数傅里叶变换全息图的原理及特点，制作了多重分数傅里叶变换全息图，并获得了满意的再现结果。     

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.     

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。     

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.     

Joint approach of the sub-holograms in on-axis lensless Fourier phase-shifting synthetic aperture digital holography

In on-axis lensless Fourier phase-shifting synthetic aperture digital holography, to compose all of the phase-shifting sub-holograms to a large synthetic aperture digital hologram effectively, firstly, the cross-correlation algorithm of the object waves is presented to correct the joint misplacement of the sub-holograms. Secondly, to make the phase-shifting synchronization matching of different sequence phase-shifting holograms, the cross-correlation algorithm of the phase-shifting holograms is employed. Compared with the traditional cross-correlation algorithm of the sub-holograms, the proposed approach makes the joint precision of the sub-holograms reach sub-pixel accuracy, and the resolution of the reconstructed image is improved significantly. In general, the proposed approach is effective in restraining the quality degradation of the synthetic reconstructed image that comes from the joint misplacement of the sub-holograms and the phase-shifting non-synchronization of the phase-shifting holograms.     

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.     

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.