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.     

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.     

基于数学形态学的数字全息再现像融合方法

针对数字全息中不同再现距离获得的携带不同聚焦信息的再现像, 提出了一种基于数学形态学的多聚焦再现像融合方法, 以有效扩展成像景深。首先通过小波-Controulet变换获得源图像的高频和低频分量;然后, 针对数字全息中含散斑噪声的特点, 对高频分量采用基于数学形态学区域能量的方法进行融合, 对低频分量采用加权对比度法进行融合;最后, 将融合系数反变换得到融合图像。通过对算法的有效性分析和实验验证, 将本文提出的方法与不加入数学形态学的融合方法进行了对比研究。结果表明, 基于数学形态学的融合方法能充分抑制散斑噪声的影响, 保留更多细节信息, 有效扩展了成像景深范围达11.5 cm。其中, 对于表面粗糙且信息量较少的骰子, 基于数学形态学方法的空间梯度算子提高了11.8%, 熵值提高了2.7%;对于表面光滑且信息量较多的硬币, 其空间梯度算子提高了13.6%, 熵值提高了2.8%。     

相移同轴无透镜傅里叶数字全息的分析与实验

应用菲涅耳衍射和全息理论，详细分析了无透镜傅里叶变换数字全息图的记录、再现方法和再现像的特点，分析了相移数字全息图的记录和再现方法，并进行了相应的实验验证。结果表明：直接对无透镜傅里叶数字全息图进行傅里叶逆变换可同时得到与物体完全相同的再现像及其共轭像；同轴无透镜傅里叶数字全息术能最大程度满足CCD对采样条件的要求，从而可以增大记录物体的尺寸，减小记录距离，明显提高再现像的清晰度和分辨率；相移数字全息术能有效地消除数字再现光场中的零级光场和共轭像，显著提高再现像的信噪比。条件许可时，相移同轴无透镜傅里叶数字全息术是目前解决数字全息术中再现像的分离与满足采样条件之间矛盾的最佳方法。     

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...     

数字全息光学实验探究及再现清晰度优化

基于数字全息光学平台的使用,进行数字全息记录、再现,以及光学全息记录的实验探究.利用HRO数字相减法,去除零级光光强,获得数字记录数字再现图像.通过设计光路获得光学记录数字再现图像,调节再现距离以及参照光光强大小增强再现图清晰度.同时,基于Matlab利用Sobel算法及Laplace算法对数字全息图进行图像优化,由此获得清晰的全息再现图.     

显微数字全息数值再现中的自动聚焦

自动聚焦是显微数字全息数值再现中的一项关键技术。基于菲涅耳变换重建算法, 采用实验验证的方法, 对显微数字全息成像中六种典型聚焦评价函数的性能进行了对比研究。提出了利用再现像部分区域进行调焦判断的方法。结果表明, 这些函数都具有较好的单峰性、一致的调焦范围和准确性, 但与梯度运算相关的调焦函数运算时间太长; 傅里叶频谱函数调焦速度最快, 是首选的聚焦评价函数。选取再现像部分区域作为调焦计算区域, 可大大缩短调焦时间。对于低信噪比全息图, 利用维纳自适应滤波进行预处理及对再现像进行后处理, 有利于提高自动调焦的准确性及再现像的质量。     

一种用于全息图自动重建的聚焦评价方法

自动聚焦是数字全息技术中实现自动重建的关键技术之一,而自动聚焦的关键是寻找性能可靠的聚焦评价函数。通过对现有聚焦评价函数的深入研究分析,及对图像清晰度相关理论的学习,面向海洋生物全息图提出了一种新的聚焦评价函数,该聚焦评价函数的依据是局部标准差分布能够反映图像细节信息的特性及标准差自身具有较高稳健性的特征,以标准差作为离散程度度量,将全息图重建像细节的离散程度作为其清晰度指标,并将清晰度最大值对应的重建距离作为最佳重建距离,以此完成自动聚焦。实验结果表明:与其他聚焦评价函数相比,该方法具有较好的单峰性、较高的灵敏度和信噪比(SNR)及较好的无偏性等性能,且对于海洋生物全息图具有较强的实用性和通用性。因此,该方法可以满足海洋生物全息图自动重建的需求。     

远心同-离轴混合数字全息高分辨率重建方法

现存的同-离轴混合数字全息技术可同时解决同轴全息共轭像消除困难和离轴全息分辨率受限的问题,但需预测衍射距离,不仅复杂耗时,且精度有限;而远心成像技术可获得非衍射图像,无需预测衍射距离,并具有可消除球面像差和散焦像差等特性.因此,本文将远心成像技术引入同-离轴混合数字全息技术中,提出一种远心同-离轴混合数字全息高分辨率重建方法.该方法利用远心同-离轴混合数字全息系统,分别采集聚焦的离轴全息图和同轴全息图;进而将离轴全息图获得的低分辨率相位信息与同轴全息图获得的振幅信息相复合,作为迭代恢复过程的物光复振幅初始值,并分别在空域和频域进行约束迭代,实现高分辨率重建.实验结果表明,该方法无需衍射距离等先验信息,便可很好地消除共轭像和系统畸变的干扰,并可充分利用图像传感器的空间带宽积,实现物体的高分辨率重建.     

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.     

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。     

Continuous-wave terahertz in-line digital holography

A terahertz (THz) in-line digital holography project has been proposed based on a CO₂ pumped 2.52?THz continuous-wave laser and a pyroelectric-array camera used as the detector. The THz Gabor in-line digital holograms have been obtained and then the high resolution reconstruction of THz in-line digital holography was realized. The resolution of an in-line digital holography system has been tested by the use of a series of objects. High-quality and high-resolution reconstructed images have been obtained, and the real lateral resolution is higher than 0.2?mm. It can be inferred from the results that the THz Gabor in-line digital holography system has the abilities of real-time and high-resolution imaging.     

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。     

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。     

基于同态信号处理的数字全息广义线性重建算法研究

为了提高数字全息图的重建速度和精度,本文提出了一种基于同态信号处理的数字全息广义线性重建算法. 首先利用预放大数字全息显微系统并结合同态信号处理原理进行了理论分析,得到了广义线性重建算法的实现条件及重建步骤,并对该算法的优点进行了分析;然后利用计算机模拟和实验相结合的方法对理论分析进行了验证. 结果表明：数字全息广义线性重建算法不仅可以有效的消除全息图频谱中零级项的干扰,实现高精度再现,而且由于采用一个完整象限的固定区域滤波,避免了常规线性算法的手动滤波操作,极大地提高了重建速度,同时最大限度地保留了原始像中的高频成分,实现全息图的高分辨重建. 关键词： 数字全息显微术 同态信号处理 傅里叶变换 分辨率     

Optical-path-length-shifting color digital holography

We propose an in-line color digital holography that can suppress a 0th-order diffraction image and a conjugate image. This technique reconstructs the image of an object from two holograms that are formed at two different distances from the object for each primary color. We numerically simulated the proposed technique and confirmed that it enabled the reconstruction of higher-quality images of an object than the Fresnel transform alone, which is the simplest reconstruction algorithm in digital holography. The effectiveness of the proposed technique was also quantitatively shown by evaluating the reconstructed images using root-mean-square errors. Thus, it was confirmed that the proposed technique was capable of recording and reconstructing both three-dimensional information and color information of an object.     

Study on the simplified phase-shifting digital holographic microscopy

In this paper, a new simplified technique for effectively eliminating the zero order and the conjugate virtual image in digital holographic microcopy, which makes use of two-step phase-shifting method of just recording two holograms and an intensity image of object wave, is proposed. Meanwhile, combined with the principle of making full use of spatial bandwidth of the CCD sensor by in-line lens-less Fourier holographic recording geometry, the theory and experimental methods to increase the resolution of the reconstructed image in digital holography by using phase-shifting technique are detailedly analyzed. At end, the validity and availability of this technique has been demonstrated through the off-axis and in-line Fourier transform recording geometry. The study provides some theoretical and experimental guidance for the design and operation of a digital holographic microscopy system.