数字全息重建图像的焦深研究

将来自物体的散射光视为物体表面相位随机取值的大量点源发出光波的叠加, 对数字全息重建像及离焦像的衍射场进行研究. 基于重建像以像素为单位显示的特点, 对焦深作出新的定义, 然后, 根据重建像的像素物理尺寸与计算方法相关的特点, 推导出不同重建算法重建图像的焦深表达式, 最后给出相关的实验证明.     

用一幅离轴菲涅耳数字全息图重建物光波的局域算法研究

基于对离轴菲涅耳全息干涉条纹强度分布的分析,根据CCD记录数据的特点研究了从一幅全息图重建物光波波前、再现物体像的一种新方法.以记录面上某一点（CCD靶面上某一像元）为中心取一个小邻域,假设在该邻域内参考光的振幅、物光的振幅和相位是慢变化的,全息图的强度变化仅是由倾斜入射的参考光的相位变化引起的,从而可用最小二乘法构建一个线性方程组,通过求解该方程组可求得该点物光波的振幅和相位.文中给出了该方法的基本思想和理论分析,并通过计算机模拟和初步的光学实验,验证了该方法的正确性和有效性.     

无零级衍射干扰的彩色数字全息研究

彩色数字全息研究中,用球面波为重建波及角谱衍射公式进行波前重建是一种有效的方法.然而,重建图像上通常伴有强烈的零级衍射干扰.本文通过理论分析,对波前重建过程作了重要改进.用改进后的方法进行彩色数字全息的实验研究表明,重建彩色图像的质量获得显著改善. 关键词： 彩色数字全息 波前重建 零级衍射干扰     

散射光彩色数字全息光学系统及波面重建算法研究

令物体表面为散射面,参考光及重建光为球面波,详细研究了离轴数字全息物光场重建平面的光波场.导出物光、共轭物光及零级衍射光分布与光学系统参数的关系.根据彩色数字全息的特点,提出抑制零级衍射干扰的光学系统设计方法,并且对一种能够避免插值误差的波面重建算法进行了优化研究,给出了相应的实验证明.     

显微数字全息中物光波前重建方法研究和比较

根据全息理论和线性系统理论,采用离轴无透镜傅里叶变换全息记录光路,对利用菲涅耳近似法、基于瑞利—索末菲衍射积分的卷积法以及角谱理论方法数值重建全息图进行了比较研究,并做了计算机模拟验证.结果表明：菲涅耳近似法和角谱方法重建像质比较好,且菲涅耳方法重建速度快;在记录距离极小的情况下,尽管记录距离不满足通常的菲涅耳近似条件,菲涅耳近似公式仍然成立;自由空间脉冲响应的快速傅里叶变换的性质与距离有关,由卷积方法得到的再现像只在某一特定距离下比较理想;对于极小物场、大孔径显微数字全息来说,菲涅耳近似重建方法是较为有效的方法.     

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.     

数字全息技术的原理和应用

数字全息是随着现代计算机和CCD技术发展而产生的一种新的全息成像技术．文章主要介绍数字全息技术的基本原理，数字全息重建中的主要方法以及数字全息技术以其独特的优点在各个领域中的应用．     

数字合成彩虹全息图

提出了一种利用现代计算机技术制作全息图的新方法。数字彩虹全息图是计算机技术、数字图像处理技术应用到传统的合成全息图制作技术中的一种全息图。把用数码设备采集到的图像或利用计算机生成的图像作为全息拍摄的“物”,突破了传统全息只能拍摄实物的限制,实现了全息图制作的数字化。实验结果表明了该方法的可行性。同时也讨论了该方法的优越性及在实际应用中的重要意义。     

基于Hilbert变换实现数字全息高精度相位重建

为了提高数字全息相位重建精度,研究了基于Hilbert变换重建相位的理论和方法,并通过像面数字全息实验对该方法的有效性进行了验证,同时与数字全息常规重建方法得到的结果进行了比较.结果表明:Hilbert变换本身具有消除直流项的作用,对利用频域滤波滤除零级谱后的全息图进行Hilbert变换,能够彻底消除零级衍射项的干扰,从而提高相位重建精度.与常规重建结果相比,基于Hilbert变换的相位重建结果的标准偏差降低了14.0%.本文结果对提高数字全息相位重建精度具有重要的指导意义.     

A simple arbitrary phase-step digital holographic reconstruction approach without blurring using two holograms

This work presents a simple approach for arbitrary phase-step digital holography using two holograms without ambiguity. Using this approach, a magnitude-contrast image is reconstructed without dc term and twin-image blurring, but the phase-contrast image is filled with phase distortion. Computer simulations are carried out to verify the proposed approach, and optical experiments are performed to validate it. The advantages, benefits and limitations of the proposed method compared to conventional two-step phase-shifting methods are also discussed herein.     

Recording and reconstruction of digital Gabor hologram

This paper looks at some as yet undisclosed observations in the recording and reconstruction of digital Gabor hologram. Small particles on the specimen plane diffract the illuminating spherical wave to form the object wave which interferes with the un-diffracted reference to form the in-line hologram. The interference is similar to that between two spherical wavefronts. It is shown that resolution enhancement can be achieved in the recording process through the use of wavefronts with different curvature. Numerical reconstruction of this hologram with a conjugate of the illuminating (reference) wave provides the in-focus real image at the object plane. It is exemplified that the proper choice of the reconstruction wavefront can optically magnify the reconstructed image enabling one to better visualize the resolution enhancement. Both theoretical analysis and experimental confirmation are provided for these observations.     

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。     

非球面数字波面检测技术

提出了一种快速检测浅度非球面（非球面度小于0.01 mm）的方法,该方法无需补偿器或其他辅助光学元件进行零位补偿。用移相干涉仪直接测量正轴或离轴的浅度凹非球面,剔除平移、倾斜、失焦等调整误差后,得到实际被测镜面的面形分布数据;根据正轴或离轴的浅度凹非球面矢高方程计算理想非球面的面形分布数据,得到理论波面数据,用实测的面形分布数据减去理论的面形分布数据即可得到被检非球面的剩余波像差,即面形误差。利用该方法测量了一口径为135 mm的双曲面,并用零位补偿法加以验证。两种方法的检测结果精度相当,说明数字波面法可实际应用于正轴或离轴的浅度凹非球面的检测。     

Watermarks encrypted in the cascaded Fresnel digital hologram

A cascaded Fresnel digital hologram (CFDH) is proposed, together with its mathematical derivation. Its application to watermarking has been demonstrated by a simulation procedure, in which the watermark image to be hidden is encoded into the phase of the host image. The watermark image can be deciphered by the CFDH setup, the reconstructed image shows good quality and the error is almost closed to zeros. Compared with previous technique, this is a lensless architecture, which minimizes the hardware requirement.     

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.     

数字显微全息重建图像的景深扩展研究

显微物镜的景深问题限制数字显微全息在大纵深视场中的应用. 本文充分利用数值重建的特点, 采取低频和高频系数子图上的最大亮度梯度的局部方差作为聚焦判据, 在小波分解域内对显微全息重建图像的景深扩展问题进行了研究. 对倾斜的连续物体碳纤维进行三维重建, 分析了重建距离与直径测量误差的关系. 以超声波雾化器生成的微液滴颗粒场为例, 对离散颗粒场的重建图像进行了景深扩展. 利用基于广义洛伦兹-米散射理论的模型分别模拟1-15 μm 的非透明与透明离散颗粒的显微全息图, 分析了该方法重建的颗粒场的纵深定位误差与夫琅禾费系数的关系, 对比了非透明与透明颗粒纵深定位误差的异同点. 实验和模拟结果显示出该方法对于连续物体和离散颗粒场的显微全息重建图像的景深扩展能力, 且能由此准确重建物体信息.