Stokes参量数字全息法实现相位物体成像

为实现对相位物体的无损检测和成像,克服数字同轴全息相位物体成像技术在消除零级像和孪生像的干扰时存在的系列问题,提出一种基于Stokes参量的新的数字同轴全息技术。该方法区别于传统的利用干涉光场来记录原始像项的数字全息方法,通过测量物参光合成光束的Stokes参量来分别得到这两束光的振幅和相位差,从而准确、唯一地获得原始像项;再利用数字再现即可重构物光的振幅和相位信息。实验中对弱吸收的相位样品进行了测量,得到样品清晰的振幅和相位分布。结果表明,采用该方法对相位物体进行数字全息再现,可以克服传统同轴全息图中零级像和共轭像对相位物体信息的严重干扰,对于提取相位物体的振幅和相位信息是可行和有效的。     

基于数字全息及复用技术的全场偏振态测试方法

提出了一种在数字全息记录系统中利用偏振和角分复用技术对光场进行偏振态检测的方法. 将全息系统中的一束参考光分为偏振方向相互正交、初相位相同的两束光, 并分别与物光相同偏振方向的两个分量干涉, 形成两幅子全息图, 同时记录在一帧画面中. 为了分开记录到的物光两个分量, 系统中利用了角分复用技术, 即在两束参考光中引入不同载频, 使物光两分量的频谱位于全息图频谱面的不同区域. 通过滤波、逆傅里叶变换和衍射计算, 获取距离全息图不同位置处物光两正交分量复振幅信息. 利用复振幅信息, 可以构建被测物光的斯托克斯参量和琼斯矢量, 从而表征物光的偏振态. 实验中, 通过对一束椭圆偏振光进行偏振态测量以及对该光束在不同空间位置处的偏振态进行表征, 表明该方法可以实现光束偏振态全场测试, 并且具有较高的可靠性. 关键词： 数字全息 偏振态 琼斯矢量 斯托克斯参量     

高光谱偏振成像全Stokes参量获取新方法

考虑到现有Stokes参量获取方法测量速度慢、测量精度低、系统结构复杂等特点,提出了一种基于双液晶可调相位延迟器(liquid crystal variable retarder,LCVR)和声光可调滤波器(acousto-optic tunable filter,AOTF)的光谱偏振成像系统中全Stokes参量的新获取方法。从AOTF和LCVR的工作原理出发,介绍了系统的基本探测原理;根据偏振分析提出了快速获取全Stokes参量的新方法--该方法选取四个固定的LCVR控制电压,同时控制两个相同的LCVR对光波进行相位调制,得到四组(八个)两两相同的相位延迟量即可求得Stokes参量。此外,设计了能够稳定输出均方根为0~+8.72 V连续可调方波的LCVR控制器,并对其进行定标,实现了不同波长下光波的精确调制。搭建实验样机,以偏振方向分别为0°,90°和45°的三个偏振片P₁,P₂,P₃作为偏振测量目标,测得了波长为632 nm时的全Stokes参量图;以画有夹角为30°的红色、绿色、蓝色三色线条的实验板作为光谱测量目标,对400～750 nm光谱范围的71个通道(光谱带宽为5 nm)进行光谱成像,得到了与红色、绿色和蓝色的分析谱段范围相一致的光谱曲线。结果表明,该系统不仅可以快速准确地获取全部Stokes参量,而且系统结构简单、成像质量良好。     

数字像面全息与同轴全息实验研究

通过采用数字像面全息与同轴全息技术拍摄透明物体以及不透明物体的全息图,并在计算机上再现。结果表明,当记录较小物体的全息图像时像面全息技术更加合适。     

偏振全息光栅衍射光场的理论分析

利用介质的光致各向异性和可记录偏振全息光栅,从偏振全息的透射琼斯矩阵出发,运用傅里叶展开法,对记录光不同的偏振态组合情况下,衍射光场的可能出现的衍射级次及其偏振特性进行了理论分析.并以甲基橙掺杂聚乙烯醇膜为例,对各阶衍射光的衍射效率进行了理论计算.     

偏振全息光栅衍射光场的理论分析

利用介质的光致各向异性和可记录偏振全息光栅,从偏振全息的透射琼斯矩阵出发,运用傅里叶展开法,对记录光不同的偏振态组合情况下,衍射光场的可能出现的衍射级次及其偏振特性进行了理论分析.并以甲基橙掺杂聚乙烯醇膜为例,对各阶衍射光的衍射效率进行了理论计算.     

吲哚俘精酰胺的偏振全息图像光存储实验研究

在吲哚俘精酰胺/PMMA薄膜上记录了同偏振全息和正交偏振全息图，获得了它们的再现衍射像.实验结果表明：吲哚俘精酰胺具有光致各向异性，可以进行正交偏振全息记录.在偏振全息中，衍射光的偏振方向依赖于物光和再现光的偏振方向，衍射像的噪声主要来源于再现光照射到样品上引起的散射.正交偏振全息可以得到比同偏振全息更高信噪比的衍射像.存储于样品上的全息图在室温下黑暗处至少可以保存五个月而衍射效率无明显下降.结果表明，吲哚俘精酰胺是一种可用于偏振全息的可擦重写记录介质. 关键词： 偏振全息 光致各向异性 俘精酸酐 光致变色     

旋转波片法测量Stokes参量与Jones矩阵

本文总结了旋转波片法测量偏振光的Stokes参量和偏振元件的Jones矩阵的计算细节,并搭建实验装置对不同电压下液晶盒的Jones矩阵进行了实际测量.     

基于声光滤光和液晶相位调谐的高光谱全偏振成像新技术

为了获取高光谱分辨率、高空间分辨率、高偏振精度、高信噪比和稳定性好的全部Stokes参量光谱图像, 考虑到声光可调谐滤光器(acousto-optical tunable filter, AOTF)的±1级衍射光的正交特性, 提出用一个AOTF滤光, 一个液晶可变延迟器(liquid crystal variable retarder, LCVR)进行相位调制和两个CCD相机分别对±1级衍射光成像的高光谱全偏振成像新技术. 从所采用的光学元件的穆勒矩阵出发, 阐述了该技术的基本工作原理; 理论分析表明, LCVR不但不会影响到第一个Stokes参量的探测精度, 而且后3个Stokes参量的相对误差分别优于0.064%, 0.31%和3.97%; 利用原理样机获取了450–700 nm、光谱带宽为10 nm的26个光谱通道的图像数据, 成像质量良好; 以工作波长为600 nm的入射光为例, 对其全部Stokes参量图像进行了具体分析讨论. 结果表明, 该新技术原理正确, 方案可行. 该研究可为光谱偏振成像技术提供新的理论和实现方案.     

利用偏振干涉成像光谱仪进行偏振探测的新方法

以往对干涉成像光谱仪的研究通常仅限于对光的干涉特性的利用,即由目标干涉图得到其光谱图,而忽略了其丰富的偏振信息.为了在利用光的干涉特性的同时还充分利用光的偏振特性,在原有偏振干涉成像光谱仪的基础上,结合现有的干涉成像光谱技术与偏振探测原理,提出了一种利用现有偏振干涉成像光谱仪获取探测目标的偏振参数(偏振度、偏振方位角等)的新方法,并对其精度误差进行了理论分析,证明了其不但具有较高的稳定性而且具有极高的测量精度.因此,若把以往的偏振干涉成像光谱仪看作是照相机与光谱仪功能的结合,则现在可以将之理解为成像仪、光 关键词： 偏振探测 偏振干涉成像光谱仪 Stokes参量 Savart偏光镜     

利用斯托克斯参量验证偏振光

利用斯托克斯参量表示入射光的偏振特性,给出了斯托克斯各参量测量方法与计算原理,通过实验和关系转换,进而可更直观地判断光的偏振态.     

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。     

同轴全息术用于粒子场测量的数值模拟

采用数值方法模拟了同轴全息术测量粒子场的过程,对两种不同的数值算法＿直接傅里叶变换算法和卷积算法,进行了分析和比较,结果表明卷积算法符合实际要求。分析了记录图像的空间频谱及其对图像采样频率的要求,得出了在记录波长、采样间隔等条件一定的情况下的最小记录距离。对于一幅512×512像素的数字图像,若像元尺寸为6.7 μm,所用光波长为532 nm,则最小记录距离为43.2 mm。在此基础上对实验记录的振幅和相位型静态粒子的数字全息图,均得到了满意的数值再现像。     

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.     

同轴全息术用于粒子场测量的数值模拟

 采用数值方法模拟了同轴全息术测量粒子场的过程,对两种不同的数值算法＿直接傅里叶变换算法和卷积算法,进行了分析和比较,结果表明卷积算法符合实际要求。分析了记录图像的空间频谱及其对图像采样频率的要求,得出了在记录波长、采样间隔等条件一定的情况下的最小记录距离。对于一幅512×512像素的数字图像,若像元尺寸为6.7 μm,所用光波长为532 nm,则最小记录距离为43.2 mm。在此基础上对实验记录的振幅和相位型静态粒子的数字全息图,均得到了满意的数值再现像。     

Dynamic characterization of MEMS diaphragm using time averaged in-line digital holography

In this paper dynamic characterization of a MEMS diaphragm is investigated using lens-less time averaged in-line digital holography. The analysis and capability of the numerically reconstructed amplitude and phase information from in-line time averaged holograms as applied to MEMS vibration are presented. Particularly the effect of mean static state on the phase in time averaged digital holography is explored. A novel double exposure method is also demonstrated using a diverging object wave suitable for dynamic characterization of small size objects. A phase jump in the static deformation fringes in the vibrating regions is observed and described and can be used for precise analysis of vibration mode shape under simultaneous presence of mean static deformation. A simple and robust tool for dynamic optical metrology of MEMS devices and micro-objects using time averaged in-line digital holography is thus proposed.     

偏光全息研究历程与展望

全息是目前一项极具前景的科学技术,即通过信号光和参考光的干涉,在小小的全息图上记录丰富的信息。相比于传统全息仅记录光波的相位、振幅信息,偏光全息可以将额外的偏振信息记录于偏振态敏感材料中。本文从偏光全息材料入手,详细介绍了偏光全息生产过程;同时介绍基于琼斯理论和张量理论的偏光全息原理和研究进展;最后描述了偏光全息在全息存储和纳米光学领域的发展前景。     

Numerical reconstruction in in-line digital holography by translation of CCD position and gradient operator method

We propose an approach based on axial translation of a charge-coupled device (CCD) and gradient operator method for numerical reconstruction in in-line digital holography. The object wave in the hologram (or CCD) plane is determined using one position translation of CCD, and a phase-shifting device can be fully avoided. Gradient operator method is further applied to detect the focal plane of an object, and the object wave is reconstructed by an angular spectrum algorithm with the detected focal distance. The feasibility and effectiveness of the proposed method are demonstrated by numerical simulations.     

Determination of depth-of-focus in lensless in-line digital particle holography

Lensless in-line digital particle holography (DPH) can be thought of as a special case of photography, and its depth of focus (DoF) characteristics combine those of both photography and holography. The effect of important parameters such as the pixel size and the number of pixels in a charge-coupled device (CCD), the object's distance, the wavelength of the laser, and the particle diameter on the DoF of a reconstruction image in lensless in-line DPH was investigated using simulation holograms. The DoF is directly proportional to the object distance and the particle size. As the wavelength of the laser increases, the DoF decreases. The DoF is inversely proportional to the pixel size and to the number of pixels in a CCD. Instead of expressing nonspecific proportional relationships for DoF, the DoF prediction equations for typical CCD cameras were obtained using DoF data from many simulation holograms and efficient data-fitting software. Finally, the DoF prediction equations were verified using real holograms from a calibration target for several cases. Good agreement between measured and predicted values was confirmed.