显微数字全息中的3维信息重建

通过理论分析和模拟验证,研究了基于横向剪切的数字全息相位重建方法,分析并指明了详细的重建过程,提出了利用平坦区域相位数据进行线性拟合,从而获得线性相位畸变系数的方法,并指出对原始包裹相位图进行1维相位展开是横向剪切法重建数字全息相位信息的前提。对无噪声及含有噪声的全息图进行了数值重建,结果表明:对于弱噪声干扰的全息图,该方法很有效;而对于较强噪声干扰的全息图,采用中值滤波方法对原始相位图进行滤波后再重建,并对重建的相位图再次进行中值滤波,可以得到高质量的再现像;减小再现像平面抽样间隔,使剪切相位图中相邻的两个像元之间相位差的最大值小于2π,才可以获得正确的相位重建。     

双波长数字全息相位解包裹方法研究

使用两个不同的波长分别记录数字全息图,分别由数值再现得到每个波长对应的包裹相位图,再求得两者的相位差得到等效波长的相位图,通过此双波长相位解包裹方法得到连续的相位分布以消除相位包裹。通过数值模拟研究了双波长相位解包裹方法,搭建了双波长数字全息实验系统,并利用660nm和671nm两个波长的激光对标准石英平片和平凹透镜进行了相衬成像。通过双波长相位解包裹方法得到了连续的相位分布,实验结果与数值模拟结果具有较好的一致性,证明了双波长相位解包裹方法的有效性。     

散斑干涉相位条纹图的频域滤波处理

为了解决在数字散斑干涉技术测量时,散斑干涉相位条纹图像中大量噪声对相位解包裹结果和精度产生严重影响的问题,介绍了一种条纹正余弦分解和频域低通滤波结合的方法,实现了散斑干涉相位条纹图的高精度滤波。该方法的基本思路是在对相位图像进行滤波处理前,先将相位图通过正余弦函数进行映射转换成两幅图,分别经过频域滤波,然后再合成为相位图。这种分解频域滤波方法可以在滤波的同时,有效保留相位跳变信息。实验结果表明：与传统的图像降噪方法相比,该方法能够在保留图像“尖峰”信息的基础上,较好地滤除图像中的散斑噪声,方法简单有效,有效解决了传统滤波方法应用在相位条纹图中,相图灰度信息丢失10%~40%的问题。     

基于液晶空间光调制器的相移数字全息显微测量系统精度分析

液晶空间光调制器的空间不均匀性和边缘场效应导致调制后相位存在畸变,为提高基于液晶空间光调制器的相移数字全息显微系统的测量精度,提出了二次相位标定相移数字全息的测量方法。首先,基于斐索干涉系统,以反射式液晶空间光调制器为被测对象,对其灰度与相移量的关系进行一次标定,并测量畸变波前相位;然后,利用二维图像插值算法及灰度化算法,设计出与液晶空间光调制器分辨率相等的畸变相位共轭灰度图;最后,将共轭灰度图加载在液晶空间光调制器上,获得理想调制相位,达到二次相位标定的目的。构建基于液晶空间光调制器的相移数字全息显微测量系统,对微透镜阵列进行测量实验,结果表明：二次标定前后微透镜阵列纵向矢高的相对测量误差由3.08%减少到1.15%,证明该方法能够有效提高相移数字全息的测量精度。     

欠采样包裹相位图的展开算法

利用四种常见算法对由球面参考光像面数字全息显微术得到的中药饮片海金沙细胞的包裹相位图进行了相位解包裹。结果表明:基于离散余弦的最小二乘算法和预条件共轭梯度算法会使欠采样区域的误差进行传递,使得解包裹相位产生较大误差;质量图导向路径跟踪算法由于未识别残差点,导致出现拉线或者孤岛区域,而且处理速度很慢;基于横向剪切干涉的最小二乘算法处理欠采样包裹相位图的效果最好,而且处理速度较快。     

激光诱导等离子体干涉图相位信息的提取

分析了强激光在空气中产生等离子体干涉图的空间频谱特性，采用高阶契比雪夫数字递归滤波器和阈值自动调整的相位解包算法成功地撮了等离子体干涉图的相位信息。论述了对干涉图样进行数字滤波时的设计考虑，给出了实验结果。实验表明，这种方法可用于快速、瞬态光学干涉图样相位信息的提取。     

数字全息显微术中三种相位展开算法的比较研究

为了解决数字全息显微术相位重建中的欠采样问题,引用一种基于横向剪切干涉术的改进型最小二乘法相位展开算法,并与基于离散余弦变换的原始最小二乘法算法以及质量图导向路径算法进行比较。采用欠采样高斯函数进行计算机模拟,并进行了实验验证,结果表明了横向剪切干涉术方法的有效性。上述改进型最小二乘法相位展开算法在解决包裹相位图中的欠采样问题更有效,从而能够更精准地重建物体的相位信息。     

基于GANs网络的条纹图正交化方法

提出一种利用深度学习强大的隐式建模能力解决单帧条纹图正交化存在的欠采样问题,结合条纹图降噪归一化技术,利用对抗生成网络的特征先验,构造了一种条纹图轮廓项数字方式的π/2相移网路,实现了单帧条纹图的正交化,放松了应用解析模型法实现条纹图正交化时的严格要求。通过标签图像对训练后,该网络成功地实现了归一化后的条纹图的正交化,进而高精度地实现了单帧条纹图的相位解调。仿真和实验分析证明,与基于Riesz变换的数字相移方法相比,所提方法求解更可靠,能有效地恢复测量相位。以现有的多帧高精度相移算法的解调结果作为参考值,实验结果表明所提方法的相位误差分布在0.05 rad以内,为瞬变场和物体三维轮廓测量提供了一种途径。     

数字散斑相位图去包裹新算法

提出了一种新的数字散斑相位图去包裹算法,主要针对检测对象为复杂非连续物体这一情况。物体在激光照明下,采用光学相位反相相减图像的方法来检测并标识出相位间断区,并利用改进了的行列去包裹算法。使去包裹过程只在相位有效区域进行,从而准确快速地实现全场有效区域的相位去包裹。与已提出的相位去包裹方法相比,该算法具有计算量小,速度快,并能有效地避开大面积的相位间断区的优点,该方法使数字散斑技术可以方便地应用于工程实际中如对复杂非连续构件的变形、振动等方面的定量分析。     

基于条纹等值线相关的散斑条纹图处理新方法

在数字散斑干涉术中,通常由物体变形前后得到的两幅原始散斑场用相减方法来得到条纹图,并由相移后的多幅(三幅以上)条纹图来求取相位场。介绍了一种基于条纹等值线相关的条纹图生成新方法,并在此基础上提出了基于单幅干涉条纹图的相位场提取新方法和基于条纹等值线相关的单步相移新方法。实验结果表明,该方法具有良好的结果和发展前景。     

数字微镜器件的相位调制性质

为了提高数字微镜器件(DMD)的空间光调制性能,发挥其在光信息处理中的作用,研究了的数字微镜器件相位调制性质。通过分析数字微镜器件的微观物理结构,考察了数字微镜器件的光栅特性;从计算的角度研究了其对相干光波的相位调制,并给出数学描述和实验结果。重点研究了数字微镜器件的衍射光栅特性,分析了其工作原理及微镜偏转导致的镜片空间相对位置的改变,利用闪耀光栅理论计算了偏转微镜间的相位差,得出了数字微镜器件光栅的闪耀规律,实现了闪耀状态。提出了利用不同方向的微镜列状态研究数字微镜器件相位调制性质的方法,推导和模拟了关于数字微镜器件的微结构和工作原理,在数字微镜器件光调制研究方面提供了一些结果,对数字微镜器件在信息光学中的更广泛应用有一定意义。     

Visualized measurement of the acoustic levitation field based on digital holography with phase multiplication

By using digital holographic interferometory with phase multiplication, the visualized measurement of the acoustic levitation field (ALF) with single axis is carried out. The digital holograms of the ALF under different conditions are recorded by use of CCD. The corresponding digital holographic interferograms reflecting the sound pressure distribution and the interference phase distribution are obtained by numerical reconstruction and phase subtraction, which are consistent with the theoretical results. It indicates that the proposed digital holographic interferometory with phase multiplication can successfully double the fringe number of the interference phase patterns of the ALF and improve the measurement precision. Compared with the conventional optical holographic interferometory, digital holographic interferometory has the merits of quasi real-time, more exactitude and convenient operation, and it provides an effective way for studying the sound pressure distribution of the ALF.     

HIRFL数字化高频低电平控制系统研究

在HIRFL加速器系统中, 需要对射频加速电压的幅度和相位进行精确控制,以实现对重离子的精确俘获、 加速和引出。传统的幅度、相位稳定控制系统采用幅度和相位两个反馈闭合环路来分别稳定腔体电压的幅度和相位。 数字化高频低电平控制系统(LLRF) 基于可编程逻辑门阵列（FPGA）和数字信号处理（DSP）, 采用直接数字频率合成（DDS）与数字正交调制解调（I/Q）技术来实现对高频功率源的控制。 相位控制精度更高, 系统更加稳定。 目前控制系统在假负载上通过了长期稳定性的实验和高功率实验, 幅度偏差小于或等于±1％, 相位偏差小于或等于±0.5°。 In order to ensure that the beam quality is well enough, we need to precisely control the frequency, amplitude and phase of cavity electric field. Traditional control system consists of amplitude loop and phase loop. And these two loops control amplitude and phase stability respectively. The digital low level radio frequency (LLRF) system, which uses advanced digital control technology, needs only one feed back loop to control amplitude and phase stability. The phase control precision and stability of the system are higher than the traditional control system. The LLRF system is based on field programmable gate array (FPGA) and digital signal processing (DSP), and implemented by direct digital frequency synthesis (DDS) and digital orthogonal modulation and demodulation (I/Q) technology. The digital LLRF system has been tested in a long term stability and high power experiments. The amplitude deviation is lower than ±1%, and phase control accuracy is within ±1°.      

像面数字全息的重建相位误差分析和改善

像面数字全息是数字全息技术中常用的测量和成像方式,它通常采用离散傅里叶变换和频率滤波的方法进行物光波的重建.本文讨论了这些算法对重建相位的影响.首先分析了频谱泄露对于相位误差的影响,结果表明当采样周期为整数时,重建相位误差很小,因此具有极高的相位重建精度;而当不满足整周期采样时,相位重建误差有了明显的增加.为了改善频谱泄露所引起的相位误差,采用Hanning函数对数字全息图进行了预处理,结果表明Hanning窗的加入能够有效地提高重建相位的准确程度.     

条纹图象的数字化自动分析处理技术之二:相位分析法

相位分析法是目前光学条纹图象数字化自动分析处理中的最重要方法之一。本文较全面地介绍了相位分析技术,并对相位分析的关键技术--相位的滤波和解包络方法做了重点说明。文中给出了相位解包络的实例并讨论了图象数字化自动分析处理技术的实际应用状况。     

Digital phase stepping speckle interferometry

A variation of electronic speckle pattern interferometry (ESPI) is presented whereby phase fringes are produced in contrast to speckle correlation fringes. Digital phase stepping speckle interferometry uses a phase measurement technique developed for holographic interferometry, which involves phase shifting of the reference beam in a conventional speckle interferometer. Saw-tooth phase fringes are produced by subtracting the phases of the speckle fields before and after object deformation in a digital frame store. This enables the sign of the deformation to be distinguished. After application of a special low-pass digital filter, the phase fringes are of adequate quality to be counted automatically.     

超声波电源中数字鉴相器设计

超声波电源系统中电压电流相位差测量精度影响着换能器振幅稳定性以及系统工作效率。目前基于异或门原理,采用分立数字芯片实现鉴相的方案,存在信号调理电路复杂、线性范围小、精度低等问题。为提高电压电流鉴相精度,该文提出了一种数字鉴相器设计。该数字鉴相器采用正交解调原理鉴相,并使用坐标旋转数字算法在FPGA上实现了鉴相器的设计,简化了电路,减少了杂散信号的干扰。经过Modelsim仿真测试表明在30 dB信噪比条件下鉴相误差为0.21°,最后经过实验测试,数字鉴相器鉴相最大误差绝对值为0.256°,提高了测量精度。     

Characterisation of light emitting diodes (LEDs) for application in digital holographic microscopy for inspection of micro and nanostructured surfaces

Partial coherent light sources open up prospects for phase noise reduction in digital holographically reconstructed phase distributions by suppressing multiple reflections in the experimental setup. Thus, light emitting diodes (LEDs) are investigated for application in digital holographic microscopy. First, the spectral properties and the resulting coherence length of an LED are characterised. In addition, an analysis of dispersion effects and their influence on the hologram formation is carried out. The coherence length of LEDs in the range of a few micrometers restricts the maximum interference fringe number in off-axis holography for spatial phase shifting. Thus, the application of temporal phase-shifting-based digital holographic reconstruction techniques is compared to spatial phase-shifting-based methods. It is demonstrated that LEDs are applicable for digital holographic microscopy in connection with both spatial and temporal phase-shifting-based techniques for reduction of noise in comparison to a laser-light-based experimental setup.     

数字全息术测定涡旋光束拓扑电荷数

提出了一种基于数字全息技术测定涡旋光束拓扑电荷数的方法.该方法通过数字全息技术获取涡旋光束和参考光的全息图并重构出涡旋光束的波前相位,判定相位围绕相位奇点的周期性分布来测定涡旋光束的拓扑电荷数.在拓扑电荷数取值分别为整数和分数的情况下,通过对数值模拟和实验结果的比较,表明该方法能够较准确地测定出拓扑电荷数.