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.     

基于电控液晶散射片的数字全息散斑去噪研究

数字全息中的散斑噪声对图像质量有很大的影响,而形成散斑噪声的原因之一是参考光和物光的相干度太高,对记录的全息图引入了不必要的噪声。文章研究了利用电控液晶散射片对相干光进行退相干的操作来实现散斑去噪;通过调整电压改变物光路中电控液晶散射片的散射效果,记录得到液晶散射片在多种散射效果下照射的全息图,多种散射效果下重建物体图像的等效外观指数各有不同,将各个重建图像对比得到最优结果;在最优散射效果下将全息图叠加进行重建,重建图像中的散斑噪声得到很好的抑制且比单副效果更好。通过理论分析和实验验证证实了所提出的方法对提高数字全息系统的成像质量有很大的应用价值。     

自干涉非相干数字全息的压缩感知重建

自干涉非相干数字全息可记录和再现非相干光源照明下物光场信息。但基于目前理论的重建算法对待测光场的不同纵向深度层面进行聚焦重构时,聚焦面信息会受到离焦层面光场信息的干扰。基于压缩感知理论,根据自干涉非相干数字全息的光学记录与再现过程,建立与该物理过程相适应的传感矩阵,从理论上构建实现光场分层重构的数值重建算法框架。基于自干涉非相干数字全息光路,以多个不同纵向深度的LED点光源构建物光场,分别进行计算机数值模拟及实验研究,并且深入讨论光场层面再现距离与各实验参数之间的关系,指出增大各光场层面再现距离间差距的方法。理论及实验研究结果表明该方法可重构不同纵向深度层面的三维物光场,并有效抑制离焦层面光场信息的干扰。     

数字全息图取样模型的简化研究

数字全息研究领域目前存在两种不同的数字全息图取样模型.按照这两种模型进行研究时, 不但涉及较复杂的数学运算, 在许多情况下还会导致不同的研究结果, 不便于理论分析及实际应用.基于对数字全息图记录的物理过程分析及电荷藕合器件(charge coupled device, CCD)几何结构的研究, 本文将这两种取样模型简化为相同的数学表达式. 利用数字全息图的余弦级数展开及取样定理对简化模型的研究表明, 简化模型不但具有清晰的物理意义, 而且可以方便地为应用研究服务. 基于简化模型对物光波通过光学系统到达CCD的数字全息记录系统进行了研究, 导出得到实验证实的波前重建表达式. 关键词： 数字全息 波前重建 相干光成像     

像面滤波技术在无透镜傅里叶变换数字全息中的应用

无透镜傅里叶变换数字全息波前重建主要采用全息图的一次快速傅里叶变换方法,重建图像不能充分占有重建平面.本文基于像平面滤波技术,提出对物体局部区域光波场进行放大重建并让重建图像布满重建平面的方法,给出具有精细结构物体的数字全息波前重建实例.此外,将数字全息光波场重建视为具有方形出射光瞳的光学系统的相干光成像过程,导出了物体放大图像的分辨率与光学系统相关参量的关系,并通过实验给予证明.     

像面滤波技术在无透镜傅里叶变换数字全息中的应用

无透镜傅里叶变换数字全息波前重建主要采用全息图的一次快速傅里叶变换方法,重建图像不能充分占有重建平面.本文基于像平面滤波技术,提出对物体局部区域光波场进行放大重建并让重建图像布满重建平面的方法,给出具有精细结构物体的数字全息波前重建实例.此外,将数字全息光波场重建视为具有方形出射光瞳的光学系统的相干光成像过程,导出了物体放大图像的分辨率与光学系统相关参量的关系,并通过实验给予证明.     

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.     

无衍射光束提高成像系统分辨率

设计了一种在非相干光源下利用轴棱锥产生的无衍射光束成像系统.基于衍射积分理论与点扩散函数推导出成像系统分辨率的表达式,利用光学软件对无衍射光束成像系统的初始结构模型进行仿真,并以蓝光LED作为光源,将条纹状物体、透镜组以及轴棱锥等光学元件组合为成像系统进行实验.结果表明:实验结果与理论分析相符,即非相干光源无衍射Bessel光束成像系统利用无衍射光束的特性能够提高成像分辨率.     

四步相移数字全息中随机误差的抑制方法

提出一种在四步相移数字全息中消除随机相移误差及CCD噪声的方法。通过多次重复四步相移数字全息的实验过程,使得每一步的相移都有多幅全息图像与之对应,把每一步对应的多幅全息图像进行数学平均就会得到4幅全息均值图像。理论分析表明,使用这4幅全息均值图像进行数字全息的重建,可以得到精确的物光波的分布,有效地消除随机相移误差及CCD噪声的影响。计算机模拟结果表明:该方法有助于提高数字全息重建光场质量。     

非相干光源无衍射光的自重建

基于Hankel 波理论分析了非相干光源产生Bessel光束的自重建特性, 利用光学设计软件ZEMAX模拟了Bessel光束经过轴上圆形障碍物后的截面光强分布. 由于发光二级管(LED) 具有一定的频谱宽度且不像激光具有很高的相干度, 因此我们采用一定频宽范围的连续谱来描述. 从模拟结果可以直观地看出Bessel光束被轴上圆形障碍物遮挡后逐步完成自重建, 说明用LED非相干光作为光源具有自重建特性.实验上采用LED和轴棱锥元件产生Bessel光束, 然后通过轴上圆形障碍物、轴上方形障碍物, 并拍摄了不同位置处的截面光强分布图, 证实了非相干光源产生Bessel光束的自重建特性.实验结果和模拟结果相符合. 关键词： 无衍射光束 LED光源 轴棱锥 自重建     

LED同轴数字全息显微浮游生物原位探测系统

海洋浮游生物原位探测系统对海洋生态研究具有重要意义。研究了一种适合长期在水下观察浮游生物的原位探测系统。系统基于同轴数字全息光路设计,加入显微放大模块,使用中心波长525nm的LED光源,有效降低了激光散斑噪声的同时,使显微成像的景深达到厘米量级。通过测试得到CCD位置与系统景深的变化关系直方图,选择合适的光阑直径和CCD位置对标准分辨率板usaf1951和水槽中的浮游生物进行了全息记录和再现;对系统分辨率进行评估,充分论证LED同轴数字全息显微在海洋浮游生物原位探测中的可行性。     

基于空间部分相干光相干度分布的全息图计算方法

在计算机全息图的计算过程中,引入的随机相位与光学重建中相干光散射会引起再现像中的散斑噪声现象,从而影响重建图像的质量。提出了一种新的基于部分相干光相干度分布的全息图计算方法,即PCL-GS算法,算法以Shell衍射定理为基础,模拟参考光源相干度对全息记录过程的影响,使模拟记录过程更接近实际状况。在重建光相干度相同的情况下,与传统GS算法重建结果相比,重建图像的峰值信噪比提升4.8%、结构相似度提升14%、散斑对比度降低4%。方法可为三维全息显示、光束整形等光调制技术提供新的理论基础。     

基于滤波成像的大视角数字全息技术

为提高数字全息再现像视角,提出一种基于滤波成像的数字全息技术来实现大视角的三维物体面型测量.利用离轴像面数字全息技术,通过在4F相干图像处理系统的空间频谱面处放置可移动的低通滤波器,使满足CCD分辨率的物光波与参考光波干涉形成全息图,并控制低通滤波及成像区域分别记录不同谱段的子全息图.再现时,首先对子全息图进行数字傅里叶变换,重构对应频谱段,并对频谱段进行拼接形成完整的物光频谱|而后通过数字再现获得大视角的数字全息再现像.利用该方法测量了圆柱形表面（光滑的缝纫针）的三维形貌,并取得了较好的实验结果.     

基于滤波成像的大视角数字全息技术

为提高数字全息再现像视角,提出一种基于滤波成像的数字全息技术来实现大视角的三维物体面型测量.利用离轴像面数字全息技术,通过在4F相干图像处理系统的空间频谱面处放置可移动的低通滤波器,使满足CCD分辨率的物光波与参考光波干涉形成全息图,并控制低通滤波及成像区域分别记录不同谱段的子全息图.再现时,首先对子全息图进行数字傅里叶变换,重构对应频谱段,并对频谱段进行拼接形成完整的物光频谱;而后通过数字再现获得大视角的数字全息再现像.利用该方法测量了圆柱形表面(光滑的缝纫针)的三维形貌,并取得了较好的实验结果.     

离轴数字全息超分辨率记录系统优化设计

超分辨率数字全息记录系统可以突破系统分辨极限,提高系统分辨率。设计不同形式的超分辨率记录系统用CCD记录高频物光信息是目前一个活跃的研究领域。基于取样定理及衍射的角谱理论对超分辨率离轴数字全息记录系统的设计进行研究,研究表明,无论选择何种设计方案,超分辨率系统所形成的等效CCD的面阵尺寸存在一个优化值,当实际设计尺寸大于优化值时并不能进一步提高分辨率,使用优化值设计的记录系统最紧凑。基于研究结果,导出优化设计超分辨率离轴数字全息系统的方法,以分辨率测试板为物体,使用数字全息再现光场复振幅叠加的方法,给出不同等效CCD尺寸时的重建像。实验结果证明了理论分析的正确性及可行性。     

基于光程差扫描的低相干离轴数字全息术

针对在低相干离轴数字全息术中,光源相干长度限制物光波可探测面积的问题,提出了一种基于光程差扫描的低相干离轴数字全息记录方法.首先,通过改变参考光和物光波之间的光程差,使得干涉条纹扫描记录平面的不同区域,而后对各个区域的数字全息图采用数值再现的方法获取不同区域处的物光波相位分布,最后采用相位拼接技术拼接各个区域的相位分布实现物光波的全视场探测.     

反射式数字全息显微术对细胞的研究

根据全息理论和光的衍射理论,理论分析了数字全息显微术原理,并依据四步相移和最小二乘相位展开技术,研究了重构细胞相位的方法.设计了用球面光波作为参考光的反射式数字全息显微光路,通过反射式数字全息显微术的方法分析研究了新鲜洋葱表皮细胞的形貌结构.实验以新鲜洋葱表皮细胞为样本,完成了实验检测和相位重构,得到了细胞的相位和三维信息.分析表明,系统理论分辨率应达到0.8 μm.     

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.     

一种在二步相移数字全息中实现准确相移的方法

相移数字全息中的相移准确性决定了重建结果的质量,本文提出了在二步相移数字全息中实现准确相移的方法.该方法使用数字电压源开环控制普通的压电陶瓷微位移器,通过连续以微小的间隔来改变施加在压电陶瓷微位移器上的电压,可以获得一系列对应于不同相移角的全息图像,进而可以利用这些全息图像重建出来物光波在全息面上的强度分布.实验中采用已被CCD直接记录的物光波在全息面上的强度分布作为标准来评价前面重建结果的质量,计算了这些重建结果和评价标准之间的相关系数,结果表明相关系数达到最大时对应的全息图具有准确的相移角π/2.实验中比较了使用所确定准确相移角和理论相移角分别重建出来物光波的质量,计算机模拟和实验的结果证实了该方法的有效性.     

频谱卷积神经网络实现全息图散斑降噪

数字全息系统是一种非常先进的成像系统,但相干光源数字全息系统中散斑噪声会对全息图的质量产生不利影响,常规实验降噪或基于传统神经网络算法降噪方法均存在不足。为实现全息图中的散斑降噪以及权衡降噪效率问题,提出一种基于卷积神经网络的单幅全息图快速降噪算法,使用散斑噪声数据集对多等级神经网络进行训练。理论分析及实验结果表明卷积神经网络应用于数字全息图的频谱域去噪能有效提高全息图的质量,且仅使用一幅全息图就可以有效地处理不同等级散斑噪声,在保持去噪性能的前提下,能最大限度保存全息图有效干涉条纹。