光学信息处理讲座 第三讲 计算机全息图及其应用

1948年Gabor提出了一种新的两步成像方法,他称之为波前重现.Gabor证实,物体的衍射光波与一个合适的相干参考波相叠加,该物体衍射光波的振幅和相位都能以干涉强度的形式记录下来,由这样一张记录下来的干涉图象(全息图),可以重现原来物体波前.现在甚至可以记录和重现看不见的或者实际上不存在的直觉物理客体,这就是计算机全息图能帮我们做到的.原则上讲,只需要知道物体的数学表示,计算机全息图就可以把物体波前重现出来,例如有机化学分子、电子云分布、计算机辅助设计的飞机和水坝等. 计算机全息图可以产生接近于理想的物体波前.利用光学干涉…     

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。     

物面单反射镜波前分割三光束全息干涉计量研究

提出了一种用于分析物体三维位移场的全息干涉计量新方法。该方法将一个小平面反射镜贴于被测物体的表面，用三束呈空间分布的发散光波，在干版的三个不同区域或同一部位，记录被测物体的三个独立的双曝光干涉图。这些干涉图被由小平面反射镜运动造成的参考光虚点光源的位移所调制。基于对这种调制的理论分析，导出计算参考光虚点光源和被测物体三维位移的二个线性方程组。     

数字全息显微系统结构参量对再现像质的影响

为了获取高质量的数字全息显微再现像,分析了同轴相移数字全息显微系统结构参量对再现像质的影响.首先经过计算得出理想成像时,像空间物光波频率完全由物体面形结构频率和系统放大倍率决定.然后基于显微成像时物光波的所有频率分量都应该被有效记录的分析,得出在同轴相移系统中放大倍率必须使物光波的空间频率缩小到满足采样要求|并得出在相同的放大倍率下记录距离会影响有效记录的物体尺寸,记录器件离开像平面的距离越小,有效记录的物体尺寸越大,在像平面上时有效记录的物体尺寸最大.计算机仿真和光学实验都证明了上述结论的正确性.     

光学全息合成实验

全息合成实验是将一系列用普通摄影拍摄的物体的二维平面像用全息合成的方法记录在一张全息软片上。再现时可实现原物体的三维像。这对于较大物体或贵重文物的立体再现尤为重要。我们结合光学全息课,用它来作为实验教学,给学生以一种立体感强、图象逼真的感觉,深受学生的欢迎。     

基于滤波成像的大视角数字全息技术

为提高数字全息再现像视角,提出一种基于滤波成像的数字全息技术来实现大视角的三维物体面型测量.利用离轴像面数字全息技术,通过在4F相干图像处理系统的空间频谱面处放置可移动的低通滤波器,使满足CCD分辨率的物光波与参考光波干涉形成全息图,并控制低通滤波及成像区域分别记录不同谱段的子全息图.再现时,首先对子全息图进行数字傅里叶变换,重构对应频谱段,并对频谱段进行拼接形成完整的物光频谱|而后通过数字再现获得大视角的数字全息再现像.利用该方法测量了圆柱形表面（光滑的缝纫针）的三维形貌,并取得了较好的实验结果.     

基于滤波成像的大视角数字全息技术

为提高数字全息再现像视角,提出一种基于滤波成像的数字全息技术来实现大视角的三维物体面型测量.利用离轴像面数字全息技术,通过在4F相干图像处理系统的空间频谱面处放置可移动的低通滤波器,使满足CCD分辨率的物光波与参考光波干涉形成全息图,并控制低通滤波及成像区域分别记录不同谱段的子全息图.再现时,首先对子全息图进行数字傅里叶变换,重构对应频谱段,并对频谱段进行拼接形成完整的物光频谱;而后通过数字再现获得大视角的数字全息再现像.利用该方法测量了圆柱形表面(光滑的缝纫针)的三维形貌,并取得了较好的实验结果.     

光学扫描全息术研究进展

光学成像技术极大地拓展了人类的视觉极限,提高了人们观察和理解现实世界的能力。越多地获得目标的光学信息,对其的认识越充分。数字全息术是一种可以将样本的三维信息以二维全息图的形式编码记录下来的一种成像技术。通过获得由携带物体信息的物光波和参考光波叠加产生的干涉图案,可以以数字化的方式实现多种重建模态,例如图像恢复、相位成像和切片成像等。光学扫描全息术是一种独特的数字全息成像技术,通过主动式二维化扫描对三维物体进行成像,其完整的波前信息可以被单像素探测器记录,并基于光外差检测进行信号解调,从而恢复出复数全息图。对光学扫描全息术的最新进展进行介绍。首先,基于双光瞳成像系统,通过特殊的硬件和算法设计,提高光学成像系统的性能,如提高空间分辨率、缩短扫描时间。其次,基于计算成像原理,通过改进和优化全息像重建算法,实现高质量的图像恢复,主要涉及切片成像和三维成像等重建模态。第三,介绍光学扫描全息术的其他研究方向,并讨论该领域未来可能的发展方向。     

一种新的真彩色彩虹全息术

本文提出了一种新的真彩色彩虹全息术称为三维物体的色编码重现技术,其特点是:利用单波长激光对三原色激光所记录的三维漫反射物体的菲涅耳全息图进行编码,从而可用单波长激光器在同一种记录介质上一次曝光记录三维物体的真彩色彩虹全息图。     

二步合成平板周视彩虹全息术

提出一种将物光波前先分解记录，再合成的二步平板周视彩虹全息术。波前的分解记录与合成彩虹全息图是分别通过转动物体和干板来实现的。记录这种周视全息图，不需要大孔径和其它特殊光学元件，即可获得周视半径大的无象差立体再现象。该方法可直接用于模压全息图母板的制作。     

采用短相干光数字全息术实现反射型微小物体的三维形貌测量

针对反射型微小物体，设计了一种可在三维形貌测量中实现微小物体分层记录的短相干光源无透镜傅里叶变换数字全息记录系统，并利用该系统对锥形微孔壁实现了分层记录.该系统可通过调节待测物体的位置，改变全息记录中的物光光程，从而获得重构三维物体所需要的一系列子全息图.该系统具有光路简洁，系统的附加误差小的特点.实验测量的轴向误差约为3.5%，横向误差约为2.6%.此外，在三维重构的过程中，为避免因散斑噪声较大而无法利用位相信息进行三维重构的情况，采用了最小二乘多项式拟合方法，将微小物体的一系列再现强度图像进行三维重构.由于避免了复杂的相位展开，所以不但运算简单，而且具有较强的抗散斑噪声能力.     

利用反射全息实现计算全息三维显示

计算全息和光学全息都可应用于三维显示,但各有自己的优势和缺陷.将计算全息和光学反射全息相结合,可以突破光学全息对记录物体的限制,进行虚拟物体或自然场景的全息图的制作,同时可以实现白光再现.本文首先用三维扫描仪获得实际物体的三维数据,用"点云算法"模拟得到其菲涅耳全息图透射率数据,采用计算全息打印机将其输出于全息记录介质,得到可光学再现的菲涅耳计算全息图H1.然后将H1作为光学全息的记录物体进行反射全息记录,将平面全息转化为体全息,实现了计算全息白光再现.     

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。     

大尺寸物体彩色全息图制作的研究

通过分析两步法制彩色全息图中全息图空间带宽积与物体大小、全息图记录距离的关系,提出了一种拍摄大尺寸物体彩色全息图的方法。经编码,设置参数,在视窗处平面记录下三分色全息图, 以保证用最小的幅面记录下物体的完整信息,并且H1rgb处于同一平面经原参考光的共轭光再现时,他们的再现像能完全重合;将H1rgb再现,获得大视场的物光波信息,三基色物波信息重合后,用光学方法记录大幅面的彩色全息。该方法能提高全息图再现像的视场和解决大尺寸物体的全息图难拍摄问题。 经实验验证,该方法能将全息图再现像的视场提高6倍左右。     

三维机器视觉中图象匹配的几种摄象机几何模型和误差分析

三维视觉中的一个主要问题是从不同的角度来确定物体的几何位置,而物体的位置则可由两幅实体图象的视差来确定.本文重点讨论图象匹配中几种摄象机的几何模型和误差分析.     

利用反射全息实现计算全息三维显示

计算全息和光学全息都可应用于三维显示,但各有自己的优势和缺陷.将计算全息和光学反射全息相结合,可以突破光学全息对记录物体的限制,进行虚拟物体或自然场景的全息图的制作,同时可以实现白光再现.本文首先用三维扫描仪获得实际物体的三维数据,用"点云算法"模拟得到其菲涅耳全息图透射率数据,采用计算全息打印机将其输出于全息记录介质,得到可光学再现的菲涅耳计算全息图H₁.然后将H₁作为光学全息的记录物体进行反射全息记录,将平面全息转化为体全息,实现了计算全息白光再现.     

利用激光全息干涉测量梁的微小位移

全息干涉测量利用二次曝光记录物体在不同载荷状态下的相对位移场.通过在干板上记录和比较不同状态产生的光波的干涉,可以得到在不同载荷时干涉条纹随物体位移的变化情况,实现对物体微小变形、微小位移量的测量.本文利用激光全息干涉技术测量了金属梁的微小位移量,计算得到金属梁的弹性模量和挠度.     

波前重建中的高通滤波消零级衍射干扰研究

根据可变放大率物光波前重建过程中球面波照射下数字全息图频谱的分析,提出在重建波照射前对全息图进行高通滤波消零级衍射干扰的方法.对物体表面为散射及非散射面情况的波前重建进行理论模拟及实验研究.结果表明,当物体表面是散射面时,可以获得有效消除干扰的重建图像,但是,当物体表面是光学平滑表面时,为得到完整的重建图像,要求将更为...     

使用计算全息进行三维信息加密的方法研究

全息加密技术作为一种特殊的加密方法被广泛应用于信息加密和防伪等领域。在全息加密过程中,光波的波长、记录距离和入射角度等参数用做加密密钥和解密密钥被人们深入研究,但所加密的信息几乎都是二维信息。利用一种基于虚拟光学的对三维信息进行加密的方法,将三维物体的大小作为一个新的密钥被引入安全全息加密算法,其安全性能得到了极大提高;在此基础上提出了对再现三维图像进行客观评价的方法,即修正峰值信噪比法(PSNR,PeakSignal-to-Noise Ratio)。模拟实验证明,计算全息方法(CGH,Computer-Generated Hologram)作为一种对三维信息进行加密的方法是可行的,修正PSNR法对再现三维图像的质量进行定量分析是有效的。     

光学信息处理讲座 第十讲 相干光Hough变换

一、引 言 在一幅图象中,图象边界的形状通常包含物体的某些具体特征,它对人的视觉系统是很重要的.在许多场合下,人的视觉系统在接收图象边界形状的信息后就足以识别物体了.从一幅图象中提取边沿象的方法是借助各种边沿运算器,例如梯度运算器、Hueckel运算器,它们是分别根据图象中局域灰度的斜波式或阶跃式的改变来提取边沿信息的,所得到的边沿象称作形状函数.Hough变换在处理由线段元组成的形状函数方面,特别奏效.它实质上是一种图象形状描述器. Hough变换将x-y平面上的点,通过关系式P=xcosθ+ysinθ,变换到P-θ平面上的正弦式曲线,而x-y…