菲涅耳数字全息成像系统的焦深

焦深是表征成像系统性能的重要参数.基于透镜相干成像的焦深判据,利用数值积分和计算机模拟的方法,分析和推导了菲涅耳数字全息成像系统的焦深,给出了相应的焦深表达式,并与利用理想成像四分之一波像差的判据得到的焦深进行了比较.结果表明:菲涅耳数字全息成像系统的焦深不同于透镜相干成像系统的焦深.在记录距离和CCD参数一定的条件下,离轴菲涅耳数字全息成像系统的焦深略大于同轴菲涅耳数字全息的焦深;离轴对称偏置情况下的焦深略大于非对称情况下的焦深.利用像强度判据得到的焦深,能够较好地表征数字全息成像系统的性能.     

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.     

数字全息成像系统的景深和焦深分析

根据全息理论,分析了数字全息成像系统的景深和焦深.针对数字全息不同的记录光路结构,分别给出了焦深的近似表达式.结果表明：数字全息系统的景深和焦深不仅与记录波长以及记录时的数值孔径有关,还与记录时参考光波的偏置情况有关;在记录距离和CCD参量一定的条件下,离轴无透镜傅里叶变换全息对称偏置下的焦深比非对称偏置下的稍小;显微成像情况下离轴无透镜傅里叶变换全息系统的焦深大于同轴菲涅耳数字全息系统的焦深,计算机模拟表明了结果的正确性.     

近距离数字全息术记录和再现问题

讨论了记录距离小于菲涅耳衍射要求的近距离数字全息记录和再现问题。对全息记录与再现中高次相位的补偿问题进行了分析,证明了在CCD的参量和记录距离给定后,只要记录时使物体的大小、球面参考光波的位置和距离满足一定的条件,即使在记录距离小于菲涅耳衍射要求的最小距离情况下,也可将高次相位的影响补偿到足够小,使得近距离数字全息的数字再现仍可用快速傅里叶变换算法计算。推导出了满足高次相位补偿的条件和满足补偿条件时的数值再现计算公式。实验结果与理论分析的结论相吻合,并给出了一种修正实际记录的参考光和计算机模拟的理想参考光之间偏差的方法。     

预成像数字全息测量大物体三维形貌

为了扩大数字全息三维形貌测量的视场,提出了一种预成像的方法.物体先被成像镜头成一缩小的实像,再使用离轴菲涅耳数字全息对此实像进行全息记录.采用倾斜照明光的方法使两次数字全息的再现像之间产生相位差,通过相位去噪和去包裹处理从相位差中提取物体的三维形貌数据.实验证明,预成像方法使测量视场的大小得到了至少一个数量级的提高,采用离轴菲涅耳数字全息降低了测量系统对环境稳定性的要求.     

基于深度学习的离轴菲涅耳数字全息非线性重构

针对离轴菲涅耳数字全息图,提出基于深度学习的单幅数字全息非线性重构方法 .采用经典的菲涅耳衍射积分模拟数字全息成像以供给网络训练所需样本,利用深度卷积残差神经网络通过学习数字全息图与相关物像之间的非线性数学映射关系实现全息图的物像重构.数值模拟表明,与传统的频率滤波和四步相移技术实现菲涅耳数字全息重构相比,本文提出的方法可直接消除零级像及孪生像,无需条纹物项抽取预处理步骤,且重构的物像具有较高的质量,针对相同记录参考光下不同衍射距离所生成的测试集亦具有较强的稳健性.     

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.     

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.     

可编程菲涅耳相位透镜应用于多平面全息投影

研究了基于菲涅耳相位透镜实现多平面全息投影的方法,采用硅基液晶相位调制器建立了多平面全息投影系统.首先,利用可编程菲涅耳相位透镜代替傅里叶透镜,将计算机生成的相位全息图与菲涅耳透镜的相位结合;其次,基于时分复用和空分复用原理提出了加载菲涅耳相位透镜与相位全息图到相位空间光调制器上的两种方法;最后,讨论了在多平面全息投影中每个单一平面实现旋转物体动态360°视角显示的方法.实验结果表明:在距离硅基液晶分别为500、800、1 100和1 400mm处的四个重构平面可以获得全息投影图像;通过动态地改变菲涅耳相位透镜的焦距,可以实现多平面全息投影.     

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.     

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。     

Digital holography for quantitative phase-contrast imaging

We present a new application of digital holography for phase-contrast imaging and optical metrology. This holographic imaging technique uses a CCD camera for recording of a digital Fresnel off-axis hologram and a numerical method for hologram reconstruction. The method simultaneously provides an amplitude-contrast image and a quantitative phase-contrast image. An application to surface profilometry is presented and shows excellent agreement with contact-stylus probe measurements.     

Digital holographic image fusion for a larger size object using compressive sensing

Digital holographic imaging fusion for a larger size object using compressive sensing is proposed. In this method, the high frequency component of the digital hologram under discrete wavelet transform is represented sparsely by using compressive sensing so that the data redundancy of digital holographic recording can be resolved validly, the low frequency component is retained totally to ensure the image quality, and multiple reconstructed images with different clear parts corresponding to a laser spot size are fused to realize the high quality reconstructed image of a larger size object. In addition, a filter combing high-pass and low-pass filters is designed to remove the zero-order term from a digital hologram effectively. The digital holographic experimental setup based on off-axis Fresnel digital holography was constructed. The feasible and comparative experiments were carried out. The fused image was evaluated by using the Tamura texture features. The experimental results demonstrated that the proposed method can improve the processing efficiency and visual characteristics of the fused image and enlarge the size of the measured object effectively.     

数字全息图变频采样研究

根据Whittaker-Shannon抽样定理,对菲涅耳全息图进行变频率采样,保证整个全息图各部分采样频率为该处相应空间频率的两倍,从而完全消除数字全息图由于采样冗余而带来全息图的信息冗余.并且,对变频采样后的全息图进行线性插值恢复即可获得良好的再现像质.实验和理论均证明了该方法的有效性和可行性,为全息图的信息存贮与传输提出一条新的思路.     

通过保留相位进行全息图信息压缩的方法

从全息图的特点出发,研究了全息图的记录和再现原理,提出了一种对离轴菲涅耳全息图信息压缩的方法。对全息图进行傅里叶变换,滤除零级噪声及物光波的共轭波前,仅仅保留物光波的相位信息,而后以采用较低的采样频率对全息图重新抽样,从而大大减少了数字全息图的信息冗余。压缩后的全息图也可以获得良好像质的再现像。理论和实验均证明了该方法的可行性,为全息图的信息存贮与传输提供一条新的途径。     

利用相位模板实现数字全息超分辨成像

为了简化数字全息超分辨记录系统,分别在其物光和参考光部分引入一块相位模板,以获得垂直和倾斜方向照明物体的光束和具有不同载波频率的参考光束.当这些具有不同照射方向的光透过物体后,可以使CCD在位置固定的情况下记录到携带低频和高频信息的物体衍射场,不同载波频率的参考光则保证了高频和低频信息在复合全息图的频谱面上能够相互分离.实验结果证明,通过将记录到的物体高频和低频信息合成,可以获得超出系统衍射极限分辨率的再现像.     

Off-axis phase-only holograms of 3D objects using accelerated point-based Fresnel diffraction algorithm

A method for calculating off-axis phase-only holograms of three-dimensional (3D) object using accelerated point-based Fresnel diffraction algorithm (PB-FDA) is proposed. The complex amplitude of the object points on the z-axis in hologram plane is calculated using Fresnel diffraction formula, called principal complex amplitudes (PCAs). The complex amplitudes of those off-axis object points of the same depth can be obtained by 2D shifting of PCAs. In order to improve the calculating speed of the PB-FDA, the convolution operation based on fast Fourier transform (FFT) is used to calculate the holograms rather than using the point-by-point spatial 2D shifting of the PCAs. The shortest recording distance of the PB-FDA is analyzed in order to remove the influence of multiple-order images in reconstructed images. The optimal recording distance of the PB-FDA is also analyzed to improve the quality of reconstructed images. Numerical reconstructions and optical reconstructions with a phase-only spatial light modulator (SLM) show that holographic 3D display is feasible with the proposed algorithm. The proposed PB-FDA can also avoid the influence of the zero-order image introduced by SLM in optical reconstructed images.