基于TPX透镜的连续太赫兹波像面数字全息成像研究

太赫兹波对非极性材料具有良好的穿透性,与太赫兹波强度成像相比,相衬成像能够更好的反映物体的内部结构.本文提出了基于TPX透镜的连续太赫兹波像面数字全息相衬成像方法,研究了全息记录和再现过程,利用曲面拟合畸变校正去除TPX透镜引入的二次相位畸变.实验搭建了太赫兹像面数字全息成像系统,利用振幅型西门子星样品对系统的成像分辨...     

像散对轴棱锥衍射特性的影响与修正

光束斜入射到轴棱锥上引起的像散将导致其衍射光场发生畸变,由衍射理论出发推导了受像散影响的轴棱锥衍射光场表达式. 通过模拟不同像散的衍射光斑图和同一像散影响下随轴向距离变化的光强分布图,分析了轴外像散对轴棱锥衍射特性的影响. 提出修正像散的方法并通过实验验证利用可调精密旋转轴棱锥修正轴外像散导致的光束畸变,理论分析和实验结果相符合,研究结果使轴棱锥的应用更加广泛. 关键词： 像散 贝塞尔光 轴棱锥 光束畸变     

基于空间光调制器的层析成像技术

以传统的干涉法全息技术为基础,本文提出了一种纯光学的三维显示全息技术。利用空间光调制器实现真实物体的物光波前重现,在不同平面上呈现物体的层析像。首先,利用波前传感器采集真实物体的波前信息。接着,运用单次快速傅立叶变换算法对光路中成像透镜的传递函数进行模拟,制成含有该物光经透镜后的波前信息,分别得到了实验所需的强度和相位灰度图片。然后,通过两台空间光调制器对入射平行光场进行调制,从而实现对物光经透镜后的光场进行波前重现。最后,根据透镜的成像原理,把CCD分别放置在物体前后两个成像面上即可得到层析的成像图。实验中分别在距离空间光调制器后298. 5 mm和337. 6 mm处观察所探测到的物体前后两个成像面的立体层析像。实验结果表明:在模拟透镜的焦距为150 mm、计算衍射距离为150 mm的情况下,前后两个成像面在x、y轴方向上的横向放大率分别为(1. 1,1. 08)和(1. 34,1. 09),与利用透镜成像公式计算得到的横向放大率(1,1. 2)相比,相对误差分别为(10. 6%,8%)和(11. 7%,8%)。角扩散度分别为2. 95°和2. 61°,其相对误差分别为2. 6%和0. 7%,低于5%,基本符合实验原理。实验结果证明了该方法的可行性,为后续开展的三维显示与新的全息技术提供了有效的技术支撑。     

头盔显示器中折射/衍射塑料光学系统设计

研究了塑料透镜在头盔系统中的应用,设计了全塑料(聚甲基丙烯酸甲脂-PMMA)头盔光学系统.引入衍射面,利用其负色散性和波面任意整形特性消除系统色差及改善波前像差.图像源发出的光束在分束器附近成中间像,可增大系统视场;出瞳在中继透镜组中间成像,可减小系统口径,增大出瞳直径.该系统镜头部分重量仅为6 g,目视系统中需重点校正的像散和垂轴色差的最大值分别为0.44 mm和20 μm,最大畸变为2.5%;系统最小角分辨率为0.9 mrad,视场为40°(H)×30°(V).     

电控聚合物分散液晶全息透镜及特性研究

报道位相型电控聚合物分散液晶(H-PDLC)全息衍射透镜的研制及特性研究,理论上,根据耦合波理论,研究了不同的相分离程度系数下,理想位相型电控聚合物分散液晶(H-PDLC)全息衍射透镜在可见光波长(400—800nm)的衍射特性.实验研制了衍射效率最高为70%的电控H-PDLC变焦透镜样品,研究表明H-PDLC透镜具有优良的成像特性,和快速响应的电控开关特性,在光学成像系统,光通信系统中具有良好的应用前景.     

数字重现无透镜傅里叶变换X射线全息的实验模拟研究

参照无透镜傅里叶变换（ＬＬＦＴ）Ｘ射线全息图的记录光路，采用可见光源模拟研究了无透镜傅里叶变换Ｘ射线全息从记录到数字重现的全过程，给出了实验结果，并对光学重现和数字重现结果作了比较，分析了该记录方式存在的一些问题，指出实际Ｘ射线全息记录中可直接使用波带板＋１级衍射而不必在物面加一滤波小孔。分析了利用数字重现消除记录过程中非线性效应的可行性。并着重指出波带板的多级衍射的互干涉对重现象的干扰，应设法消除。     

全息模式波前传感器的像差探测

利用标量衍射理论对全息模式波前传感器进行了深入分析,给出了传感器输出面的衍射场光强表达式,从而与模式偏置波前传感器理论统一起来。为了便于对全息模式波前传感器进行模拟,利用两共轭倾斜平面波代替倾斜聚焦球面波作为全息记录时的参考波,并在紧贴全息元件后放置聚焦透镜,从而建立全息模式波前传感器的等效模型。然后利用数值模拟方法对全息模式波前传感器的工作原理进行验证,结果表明全息模式波前传感器的灵敏度高、速度快。     

无透镜傅里叶变换显微数字全息成像系统的焦深

基于透镜相干光学成像系统的斯特列尔(Strehl)判据, 对无透镜傅里叶变换显微数字全息成像系统的焦深进行了推导, 得到了参考点源对称偏置和非对称偏置两种情况下的焦深表达式. 结果表明, 无透镜傅里叶变换显微数字全息成像系统的焦深决定因素与透镜相干成像系统的焦深决定因素不同, 其焦深不仅与照明光源的波长, 成像系统的孔径及记录距离有关, 还与参考光源的配置有关. 计算机模拟和实验结果均证明了理论分析的正确性.     

全息透镜的焦距测量

本文首先给出了全息透镜像散成像的焦距公式,介绍了用全息光栅法测量全息透镜焦距的原理,对两块自制的全息透镜在原光路再现情况下测量了其焦距,并用另一种参数测量方法对测量结果进行了验证,两者基本相符。通过分别测量全息透镜两个焦距,从而可得出其像散大小。最后指出了使用这种方法应注意的问题。     

基于液晶空间光调制器的全息显示

在传统的纯相位全息显示系统中, 一般基于快速傅里叶变换(FFT)算法来计算相位全息图, 在FFT的计算中需要遵循Nyquist采样定理, 因此, 重建图像的尺寸往往受限于空间光调制器的固定采样率. 这个限制可以通过卷积算法或者两步菲涅耳衍射算法来解决, 但是需要使用多个FFT的计算, 导致计算量增大. 鉴于此, 提出了一种基于透镜的纯相位全息图计算方法. 在全息图的计算中, 通过透镜的成像原理建立一个采样率可变的虚拟全息面, 通过调节相应的距离参数使得在全息图的计算中可以任意调节原始图像的采样率, 摆脱了传统方法中液晶空间光调制器带宽积对重建图像尺寸的限制, 并且这种算法只需使用一次FFT就能达到变采样率的衍射计算, 大幅提高了全息图的计算速度. 数值模拟及光学实验结果证明了此方法可以在全息显示光学系统中清晰地重建不同尺寸的图像. 同时该系统可以有效地消除由空间光调制器的像素化结构带来的零级衍射.     

制作多焦点全息透镜的新方法

本文提出了一种制作多焦点全息透镜的新光路,消除了干板上的多余条纹,从而有效地抑制了杂散光,并导出了用此光路制作的平面型全息透镜的衍射效率,给出了实验结果。     

紧凑型纯相位全息近眼三维显示

提出了一种紧凑型纯相位全息近眼显示方法，避免了4f系统的使用且通过滤波可消除零级光和高级衍射光的干扰，能够实现近眼虚拟现实（VR）和增强现实（AR）三维显示。在进行全息图计算时，三维物体被分割成多层图像，利用每一层图像相对于投影透镜焦平面的距离和投影透镜的焦距获得该深度对应的补偿相位因子，采用迭代优化算法获得三维物体的纯相位全息图并在所提系统中进行显示。通过数值模拟和光学实验，证明了所提方法的有效性。     

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.     

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.     

基于背景纹影波前传感技术的气动光学波前重构与校正

背景纹影波前传感(backgroud oriented schlieren based wavefront sensing, BOS-WS) 是利用背景纹影技术测量光学波前二维分布的新型实验手段, 可定量测量光线通过干扰场后产生的光学畸变并给出光程差. 为了利用BOS-WS技术获得光线因气动光学效应产生的畸变信息, 并通过已知畸变信息还原原始图像, 进而探索一种新型的超声速成像制导方法, 本文通过理论分析, 验证了利用背景纹影技术测量光学波前的方法, 探索了利用已知波前信息预测畸变位移场以及利用已知位移场进行波前重构的计算方法. 通过数值模拟比较了一阶梯形积分算法和Southwell方法在波前重构上的误差大小和结果合理性, 并通过误差分析证明了Southwell方法更加精确合理. 通过蜡烛火焰上方流场畸变实验和透镜对波前的扰动实验, 创造性地探索了利用已知光学光程差还原畸变位移场及用其校正畸变图像的方法, 并通过验证性实验证明了校正方法的有效性.     

高衍射效率闪耀全息透镜

提出一种制作位相全息透镜－闪耀全息透镜新设计，利用它可使位相全息透镜的位相分布类似位相菲涅耳透镜，其衍射效率理论值可达９５％以上，但其制作过程要比位相菲涅耳透镜容易，文中给出了原理分析和实验验证，初步结果是令人满意的。     

无透镜傅里叶变换数字全息术中非共面误差的自动补偿算法

无透镜傅里叶变换数字全息术对活细胞进行显微相衬成像测量时,由于细胞处于运动状态导致记录物体与参考点源难以共面,从而引入成像误差.本文提出了一种有效可靠的基于位相分布的自动对焦再现算法,只需通过一幅全息图,即可确定出记录距离的优化数值解,并结合一次位相线性拟合,成功补偿掉非共面误差.将这种算法应用到活体宫颈癌细胞的相衬成像实验中获得了较为理想的实验结果,表明了这种自动补偿非共面误差算法的可行性. 关键词： 数字全息 无透镜傅里叶变换全息 自动对焦 位相畸变校正     

曝光系统离焦对平面全息光栅衍射波前的影响

波前像差是衍射光栅的重要技术指标，它直接影响光栅的分辨率。由光致刻蚀剂记录两束相干光干涉条纹是制作全息光栅的关键步骤。为了提高全息光栅曝光系统调整精度、减小离焦、降低光栅的衍射波前像差，从离焦对反射球面准直镜的准直光平行度的影响程度出发，分析了准直光平行度对全息光栅衍射波前像差的影响。理论分析和数值模拟结果表明，准直镜调整误差直接决定全息光栅衍射波前像差大小。以3种不同刻线密度光栅为例，得出了准直镜调整误差的允许变化范围。     

图像传感器像素化效应对菲涅耳非相干关联全息分辨率的影响

作为复光场显微成像的一种新技术,菲涅耳非相干关联全息术(Fresnel incoherent correlation holography,FINCH)因其非相干光记录的特点在近年来受到关注.FINCH作为一种新型非相干全息系统,如何设计光路实现其最佳的分辨率是一个关键问题.然而,针对这个问题的讨论,目前已有文献存在不同的观点,有关FINCH最佳分辨率的成像条件仍有待研究.全息图有效孔径大小是决定全息成像系统分辨率的重要因素,在FINCH系统中,全息记录距离的变化则会引起全息图有效孔径发生变化,全息图的有效孔径大小不仅与光路各元件的孔径有关,还与相干光波相互干涉叠加区域的面积以及图像传感器的像素间距等因素有关.本文基于波动光学理论,结合FINCH全息图的波带结构特征,研究了FINCH全息图的有效孔径.研究发现数字全息记录相机的像素化特性是影响FINCH成像分辨率的决定性因素,并进一步通过数值模拟和光学实验验证了理论分析结果:全息图记录距离(Z_h)等于空间光调制器加载的衍射透镜焦距(f_d)时,FINCH系统的再现像将会达到最佳横向分辨率,且分辨率随成像距离|Z_h-f_d|的增大而降低.     

衍射微透镜列阵在Shack-Hartmann波前传感器中的应用

菲涅耳衍射微透镜列阵是目前广泛应用的衍射光学元件之一,它是基于衍射原理,由计算机设计,并通过微细加工技术制作成的.本文介绍了8相位台阶菲涅耳衍射微透镜列阵的制作方法,并描述了一个用16×16微透镜列阵形成的小型 Shack-Hartmann 波前传感实验系统,用该系统可对入射波前进行测量和重建.