数字同轴全息颗粒场检测中的颗粒分割识别与独立聚焦

针对数字同轴全息颗粒场检测中不同层面颗粒的自动聚焦问题,通过分析颗粒场数字同轴全息记录与再现的特点,提出一种颗粒分割识别与独立聚焦方法.给出了对单个颗粒进行聚焦判断的独立聚焦判据函数、以及实现颗粒分割识别和独立聚焦的方法.通过单层单个、两层两个及多层多个颗粒场的实验,验证了所提出方法的正确性.     

压缩感知重建数字同轴全息

数字重建是数字全息技术的关键步骤.传统的重建算法存在共轭像、聚焦物体与背景离焦物体相互干扰等问题.应用新兴的压缩感知技术,研究了全息图像的稀疏重建.基于衍射的线性运算,导出了利用压缩感知重建数字同轴全息三维空间的算法.利用该算法对颗粒的模拟全息图和数字显微全息实验全息图进行了重建,并将重建结果与传统的卷积重建结果进行了...     

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。     

数字全息视频成像技术及其在肝吸虫尾蚴观测中的应用

由于传统的显微镜成像需要精确的光学聚焦过程,很难检测到在水体中运动的肝吸虫尾蚴,更难以对其进行连续的动态观测.针对此问题,提出了利用单光束同轴数字全息视频技术对在水体中运动的肝吸虫尾蚴进行连续动态观测的方法,研究了其中的动态跟踪聚焦算法和视频处理算法.利用上一帧再现像中尾蚴的中心位置作为下一帧全息再现中聚焦窗口的中心位置,使聚焦窗口始终跟随观测的尾蚴移动,从而保证处理全息视频时每一帧再现像都能准确自动聚焦,使再现视频中肝吸虫尾蚴始终处于清晰状态.进行了肝吸虫尾蚴观测实验,得到肝吸虫尾蚴在水体中运动的全息再现视频,并对其运动轨迹进行了跟踪,总结了肝吸虫尾蚴在水体中的运动规律.实验结果表明,利用数字全息技术拍摄一张数字全息图即可观察到水体中不同位置的肝吸虫尾蚴,检测更加方便高效;本文提出的数字全息视频成像技术能实现对水体中的肝吸虫尾蚴或其它浮游生物进行连续动态观测.     

同轴数字全息用于血吸虫尾蚴检测研究

由于水的表面易出现抖动或波动情况,而传统的显微镜成像需要精确的光学焦聚过程,因此不适于观察漂浮于水表面的血吸虫尾蚴.本文论述了用同轴数字全息检测血吸虫尾蚴的基本原理.通过对再现像进行小波分析发现,偏离焦点时的小波变换高频系数的幅值比聚焦时要小得多.针对这一特点,本文对小波变换清晰度评价函数进行了改进,将原来利用高频系数之和改为利用聚焦窗口中高频系数的最大幅值为清晰度评价依据.在模拟实验结果中清晰度评价函数极大值出现在再现距离与记录距离相等处,说明了该算法的准确性.建立了用于血吸虫尾蚴检测的实验装置,可方便获取普通显微图像及数字全息图.实验结果表明,本文提出的算法能实现实际情况下的数字全息自动聚焦,其再现像的分辨率与装有1倍显微镜头的数码显微镜分辨率相当,足以清晰地分辨出血吸虫尾蚴的尾部分叉特征.利用同轴数字全息技术可在水面与图像传感器之间的距离不确定的情况下实现对血吸虫尾蚴的检测.     

同轴数字全息用于血吸虫尾蚴检测研究

由于水的表面易出现抖动或波动情况,而传统的显微镜成像需要精确的光学焦聚过程,因此不适于观察漂浮于水表面的血吸虫尾蚴.本文论述了用同轴数字全息检测血吸虫尾蚴的基本原理.通过对再现像进行小波分析发现,偏离焦点时的小波变换高频系数的幅值比聚焦时要小得多.针对这一特点,本文对小波变换清晰度评价函数进行了改进,将原来利用高频系数之和改为利用聚焦窗口中高频系数的最大幅值为清晰度评价依据.在模拟实验结果中清晰度评价函数极大值出现在再现距离与记录距离相等处,说明了该算法的准确性.建立了用于血吸虫尾蚴检测的实验装置,可方便获取普通显微图像及数字全息图.实验结果表明,本文提出的算法能实现实际情况下的数字全息自动聚焦,其再现像的分辨率与装有1倍显微镜头的数码显微镜分辨率相当,足以清晰地分辨出血吸虫尾蚴的尾部分叉特征.利用同轴数字全息技术可在水面与图像传感器之间的距离不确定的情况下实现对血吸虫尾蚴的检测.     

微细铣刀位姿同轴全息重建方法

微细铣刀在主轴上存在装夹偏角时,会加剧刀刃磨损,降低刀具使用寿命.为了精确观测微细铣刀在机倾斜状态,提出了基于景深的微细铣刀三维位姿重建方法.利用激光同轴数字全息实验装置得到微细铣刀全息图,并通过菲涅尔再现算法获得再现像.在再现像中提取刀具边缘点作为关键点,采用小波变换局部方差算子求出关键点的聚焦程度,确定铣刀对应的轴...     

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。     

基于数字全息的血红细胞显微成像技术

数字全息显微成像有别于传统光学显微成像,可根据重建全息图获取细胞的生物学参数与形貌信息,是一种有效的非接触无损三维成像技术.随着像感器的发展与硬件计算能力的提升,数字全息显微成像技术在活体生物细胞检测尤其在血红细胞检测领域取得了显著进展和突破.本文介绍了同轴、离轴以及光镊辅助离轴的数字全息显微技术,这些技术利用瑞利索末菲反向传播算法、清晰度量化算法、分水岭分割算法、数字重聚焦方法与热涨落方法等来实现血红细胞的形变、空间分布、三维体积信息的高精度提取,有助于糖尿病、心血管疾病、帕金森氏疾病等病理研究.数字全息显微成像技术实现了传统三维显微成像技术难以达到的实时性和定量化检测,由于独有的非接触、无损性特点,在细胞成像领域应用前景广阔.     

利用单幅同轴菲涅耳数字全息图重构物光波面

在数字全息研究中,为了充分利用CCD器件有限的卒间带宽积,常采用同轴全息记录.然而用同轴全息图再现时,再现物光波和共轭物光波是混在一起无法分开的.有效消除同轴全息图再现光波场中的共轭像是数字全息应用中的一项关键技术.基于菲涅耳衍射运算和逆运算,提出一种用同轴数字全息图重构物光波面的迭代算法.该方法利用同轴全息图再现时,再现物光波和共轭物光波衍射特性的不同来剔除共轭物光波成分,从而将再现物光波成分有效分离出,实现单幅同轴全息图的物光波面数值重构.计算机模拟实验证明了该方法简单易行.     

基于深度学习的粒子场数字全息成像研究进展

粒子场的数字全息成像中,由一幅粒子场全息图重建出高精度的三维粒子场分布,是数字全息技术领域的经典问题之一。相比于传统反向重建算法,深度学习算法可以从单个全息图直接重建出三维粒子场来简化算法复杂度,提高计算效率和准确率。介绍国内外研究团队将深度学习算法结合数字全息技术实现粒子场数字全息成像的研究进展,从不同粒子表征方法入手,叙述了支持向量机、全连接神经网络、全卷积网络、U-Net网络、深度神经网络在粒子场数字全息成像中粒子表征及粒子场反向重建过程中的应用原理、实现途径和准确率。最后指出了深度学习算法在这一研究领域的优势及目前基于深度学习算法的不足,并对如何进一步提高该方法的准确率进行了展望。     

Physical Principles of the Method for Determination of Geometrical Characteristics and Particle Recognition in Digital Holography

Russian Physics Journal - The physical principles of a method for determination of geometrical characteristics of particles and particle recognition based on the concepts of digital holography,...     

Three-dimensional solid particle positions in a flow via multiangle off-axis digital holography

We present a new development of digital off-axis (OA) holography for determining the instantaneous solid particle positions in a flow. This holographic imaging method uses a CCD camera for the simultaneous digital recording of two views of digital Fresnel OA holograms on the same support. The reconstruction is obtained numerically. The method provides two orthogonal views of the same flow area of interest at the same instant. It helps to overcome the depth of focus problem existing for the particle image reconstructions and that is inherent to the method. This method has the advantage of being simpler than the methods presently available, and it does not suffer from the flaws of in-line holographic configuration. Furthermore it is completely digital and thus avoids the cumbersome analysis following hologram recording. Digital holograms and digital reconstructions are obtained for solid particles of 200 mum moving into a stirred flow cell of 5 cm(3).     

Dual-channel in-line digital holographic double random phase encryption

We present a robust encryption method for the encoding of 2D/3D objects using digital holography and virtual optics. Using our recently developed dual-plane in-line digital holography technique, two in-line digital holograms are recorded at two different planes and are encrypted using two different double random phase encryption configurations, independently. The process of using two mutually exclusive encryption channels makes the system more robust against attacks since both the channels should be decrypted accurately in order to get a recognizable reconstruction. Results show that the reconstructed object is unrecognizable even when the portion of the correct phase keys used during decryption is close to 75%. The system is verified against blind decryptions by evaluating the SNR and MSE. Validation of the proposed method and sensitivities of the associated parameters are quantitatively analyzed and illustrated.     

高速粒子场的全息再现图像的自动分割方法

针对再现图像的处理,通过将图像细分为多个较小区域,在每个小区域同时采用多种阈值计算方法,并引入错误校正机制,获得了能稳定地分割图像的自适应阈值.在此基础上,再用种子生长方法进一步界定粒子的边界,能获得更准确的分割结果,且其过程可以自动完成.该方法已成功用于动态实验图像的处理,获得了很好的结果,静态粒子靶实验表明该方法处理得到的相对误差小于15%.     

双随机相位加密全息标识防伪技术研究

在输入面和频谱面上分别放置随机相位加密模板对图像数据进行加密是一种高密级的有效数据加密技术。在研究双随机相位数据加密技术的基础上,结合数字全息技术和印刷技术的特点,提出了一种新的双随机相位加密同轴相位全息标识(简称同轴相位全息标识)印刷防伪方法。理论分析证明了同轴相位全息标识方法能有效地恢复原始图像数据,仿真实验证明了该方法具有强抗随机干扰能力和抗位压缩性能。通过打印和扫描实验验证了同轴相位全息标识可以通过普通的数字印刷技术印制在证件等印刷品中作为防伪标识,印刷品中的同轴相位全息标识可以通过扫描输入计算机,变换生成数字图像,通过解密模板可从中恢复出原始图像数据。     

Potential of digital holography in particle measurement

This paper describes the potential power of digital holography in particle measurement and its expected development in the near future. In digital holography, image reconstruction is carried out numerically on a computer using observed hologram patterns and some quantitative information can be derived from the reconstructed images. In this paper, the basic concept and procedure of digital in-line holography are shown mainly for particle depth measurement and the performance test results obtained in numerical simulations and experiments are demonstrated to examine the potential of the present method.     

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.     

数字全息中再现像分离问题的研究

详细分析了数字全息的再现像分离条件,指出数字全息和普通全息的再现像分离条件之间的区别,同时也讨论了再现条件对数字全息记录光路的要求,同时给出一种能部分避免再现像重叠的处理方法,并做出相应的实验验证.     

Curvature measurement of optical surface using digital holography

In this paper, an optical surface curvature measurement technique based on digital holography is proposed. Unlike the previous digital holographic methods, which only involve a small part of the measured data for parameter estimation, the proposed method adopts more of them using least square method. Hence, the analyzed result is not affected by data extraction direction and less sensitive to imperfect phase compensation. The proposed method is demonstrated with a sample of reflection mirror in laser resonator, and verified by comparing the measurement result with that of the white light interferometer.