基于数字全息的模糊图像复原技术研究

采用数字全息方法研究物体经散射介质(毛玻璃)成像复原机理。首先,在菲涅尔离轴数字全息原理的基础上,建立了数字全息记录与再现的数学模型。然后,设计和搭建了全息散射成像系统,建立了毛玻璃的数学模型,并提出一种消除毛玻璃散斑噪声的算法,利用菲涅耳再现算法对实验得到的数字全息图进行再现。最后,用频谱滤波法对全息图再处理后进行再现。实验结果验证了理论算法和实验方法的正确性,为今后物体经过复杂介质的图像复原的深入研究提供了帮助。

合成孔径数字全息的分析模拟及多参考光合成孔径数字全息

分析了合成孔径数字全息的理论和实现方法,提出了多参考光合成孔径数字全息方法及其应用前景,以双狭缝为例,模拟了单幅及单参考光、多参考光两种合成孔径数字全息术的记录和再现方法。

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率进行了定量分析,同时对有机材料和生物样品两种相位型样品进行成像,实验验证了该相衬成像方法的有效性。在太赫兹波段引入像面成像,有利于提高太赫兹成像分辨率及成像质量,在生物医学成像、无损检测等领域具有广泛的应用前景。

像前与像后预放大与数字全息显微成像比较

随着数字全息显微技术在医学影像信息处理领域的广泛应用,本文对其影像信息系统进行了研究。基于菲涅耳衍射公式和线性系统理论,对像前及像后预放大数字全息显微成像过程进行了理论分析,推导了系统的点扩散函数,分析了系统成像的横向分辨率,并对这两种系统的成像性能进行了比较,最后利用分辨率测试板进行了实验验证。

处理双曝光数字全息的一种新方法

在分析传统双曝光全息术和常用数字全息干涉术不足的基础上,利用数字全息术在全息记录与数字处理方面的灵活性,提出了一种处理双曝光数字全息记录结果的新方法——差值数字全息法。该方法首先将记录物体变形前后物光波与参考光波干涉场的2个数字全息相减,形成差值数字全息;然后对差值数字全息直接进行模拟衍射再现,就可以得到物体变形前后2个物光波的高质量干涉条纹。与通常的双曝光数字全息干涉技术及叠加数字全息法相比较,差值数字全息法的优点在于,既不需要事先专门消除数字全息中的零级强度项,只需要一次再现过程,并且所得干涉条纹的质量较高。在给出处理双曝光数字全息干涉技术记录结果的叠加数字全息法和差值数字全息法原理之后,通过实验及对实验结果的对比证明了差值数字全息法的可行性与优越性。

面向微光学元件表面形貌测量的涡旋相移数字全息技术

非接触、无损害的相移数字全息技术对微光学元件检测具有独特优势。因传统的相移数字全息技术需要对相移器进行精细控制和繁琐校准,同时其光路易受到机械振动干扰,导致全息再现像的质量降低。本文借助涡旋光特殊的相位分布,提出了一种基于涡旋相移数字全息的微光学元件表面形貌测量方法。该方法利用螺旋相位板调制涡旋相位,引入高精度相移。基于构建的涡旋相移数字全息显微实验装置,采用干涉极值法确定了相移干涉图之间的真实相移量,并对螺旋相位板的旋转角度与相移量的关系进行标定,实验验证了涡旋相移的可行性;对微透镜阵列进行了重复测量实验,将测试结果与ZYGO白光干涉仪的测试结果进行比较。结果表明:测量得到单个微透镜的平均纵向矢高为12.897μm,平均相对误差为0.155%。所提方法可以实现对被测微光学元件表面形貌的高精度测量,具有易操作、稳定可靠、准确性高等优点。

数字全息显微中相位像差校正技术综述

数字全息显微技术是数字全息技术与显微技术的结合,兼备两种技术的优点,为微纳领域的定量三维测量提供了一种无损、无标记、准确和近实时的测量手段。然而,由于元件缺陷和失调以及环境扰动等原因,会在数字全息显微测量结果中额外引入相位像差。为了获得准确的定量相位测量结果,必须对像差成因和主要成分进行分析,然后补偿和校正像差。这篇综述介绍了数字全息显微成像测量中主要的像差来源和影响,基于实现的方式对现有的像差校正方法进行了综述,并展望了未来像差校正领域的发展方向,为从事数字全息检测研究的研究者提供参考。

数字全息显微信号项频谱定位及干扰项抑制

在离轴数字全息显微和非相干光成像研究中,空间频域滤波是重建目标物体的振幅和相位信息的关键步骤。信号项频谱选取及中心定位对滤波后重建相位的质量有着极大影响,即使像素级的微小差异也会导致重建相位的严重失真。为了解决这个问题,文章提出了一种数字全息显微信号项频谱定位及干扰项抑制的方法。方法根据全息图频谱的直方图分布特性,自适应确定滤波形状和大小,同时,采用质心法来快速准确的确定信号项频谱的中心,并在频域中运用形态学处理来消除信号项频谱周围的干扰项。实现了信号项频谱自适应滤波,从而提高了相位重建的质量。文章使用二维山形图模拟相位进行了仿真验证,并搭建光路拍摄USAF1951标定板上的数字区域和洋葱表皮细胞进行了实验验证。仿真和实验结果表明,算法可以实现高质量的相位重建,并对干扰项进行抑制,提高了离轴数字全息显微系统的成像质量。

并行相移同轴数字全息偏振成像方法

为了研究并行相移同轴数字全息系统中偏振态传输的问题,提出考虑偏振的并行相移同轴数字全息系统的修正模型,并依据此模型提出偏振成像方法。首先,介绍了理想情况下并行相移同轴数字全息的原理,然后,介绍了考虑偏振的并行相移同轴数字全息修正模型,最后,基于此模型提出了实现偏振成像的方法。实验结果验证了模型的可行性,通过这种方法可以得到外表信息,成像分辨率可达到14μm。该方法扩充了数字全息系统的功能,通过该系统可以对物体的偏振态进行成像。

基于无透镜傅里叶变换数字全息的结构形貌测量

为了精确测量物体的形貌信息,提出了一种基于无透镜傅里叶变换数字全息的成像系统。首先,分析了无透镜傅里叶变换数字全息的成像原理,引入了倾斜平面校正方法;然后,搭建了成像系统平台,通过实验验证系统的成像性能。实验结果表明:系统的实际分辨率为57.02 lp/mm。测量结果的相对误差仅为3.95%,充分验证了该系统卓越的成像性能。

数字全息与定量相位成像:进展与展望(特邀)

全息术的提出为光波场的定量分析提供了一个开创性的技术方案。经过70余年的发展,基于全息术的计算成像已成为光场定量测量的重要工具,它的出现为物理学、生物学和材料科学领域提供了新的观测维度,搭建了光学成像和光散射领域的桥梁,突破了传统光学成像系统与图像采集设备的物理限制,在疾病的病理研究和材料的表征中起着至关重要的作用。本文从信号分析的角度出发,将全息的记录与重建过程看作是复数域与实数域之间的转换,讨论全息重建的数学原理与物理实现过程,并以生物医学领域为应用导引,总结了全息成像的新挑战和机遇。

基于改进的非局部均值滤波对数字全息散斑的抑制

为了降低数字全息术领域中散斑噪声对重建相质量的影响,提出了一种改进的非局部均值滤波对数字全息散斑抑制的方法。方法使用统计学中的皮尔逊相关系数来改进非局部均值滤波中子块相似度的度量,并根据相似度系数的大小分为两个不同强度域,对其赋予不同的值,使灰度图去噪的对比成度更加强烈。方法不仅能更进一步的滤除散斑,还能更好的保持图像的边缘信息,可以解决传统非局部均值滤波中出现的图像过度滤波问题。实验结果表明,改进后的非局部均值滤波能够有效地降低数字全息图像中的散斑噪声,提高图像的质量和清晰度,与多数传统的数字图像处理方法相比性能更好。

基于多视角数字全息的微尺度液滴表面结构三维测量研究

数字全息技术在发动机燃烧、喷雾、排放中产生的微尺度液滴的三维结构测量中有着广泛的应用,但是过去的数字全息技术仅能获得椭球形假设下的液滴大致形状,难以获得完整的三维表面形状信息。针对毫米级液滴的三维表面形状开展测量,开发了一种新型的多角度共轴全息系统,使用7台相机从不同方向上同步拍摄毫米级液滴的全息图,通过将不同方向上获得的全息图耦合,获得较为完整的物体表面点云阵列,从而得到较精确的物体表面形状。该系统可以较为准确地测量毫米级物体的三维表面形状,在发动机内部过程诊断工作中有一定应用潜力。

离轴数字全息的正一级像自动重建方法

针对离轴数字全息中零级像和共轭像模糊重建像的问题,提出了一种基于峰值信噪比的自动提取正一级频谱并重建其图像的方法。理论上推演并分析了该方法的合理性和可行性,获知了频谱振幅的三个冲激函数点对应于正负一级和零级频谱中心。通过频谱图中的振幅极大值点可确定这三个中心点,然后利用圆形滤波窗提取正一级频谱,并以峰值信噪比为客观评价依据来确定最佳滤波窗半径和重建距离。实验结果表明,所提出的方法可以自动重建离焦全息图像的正一级像,与不滤波重建结果相比,其峰值信噪比提高了32.2%,且比全局阈值分步迭代法提高了7.6%。该方法不依赖于其他先验信息,为离轴全息频谱滤波算法提供了一种新的可行方案。

基于数字全息的光场动态显微定量探测系统

该文提出一种新型检测显微样本光学参数的方法,将显微数字全息术与相位解包裹的方法相结合,搭建实验光路并编写相关算法,从而由数字全息图像获得光场物体振幅及相位信息,利用折射率计算可以得到微米级样本的真实形状与厚度。该文采用光纤的纤芯验证试验系统的准确性,将洋葱鳞片表皮细胞作为实验对象,结果证实该实验方法的有效性以及可行性。

显微数字全息中物光波前重建方法研究和比较

根据全息理论和线性系统理论,采用离轴无透镜傅里叶变换全息记录光路,对利用菲涅耳近似法、基于瑞利—索末菲衍射积分的卷积法以及角谱理论方法数值重建全息图进行了比较研究,并做了计算机模拟验证.结果表明:菲涅耳近似法和角谱方法重建像质比较好,且菲涅耳方法重建速度快;在记录距离极小的情况下,尽管记录距离不满足通常的菲涅耳近似条件,菲涅耳近似公式仍然成立;自由空间脉冲响应的快速傅里叶变换的性质与距离有关,由卷积方法得到的再现像只在某一特定距离下比较理想;对于极小物场、大孔径显微数字全息来说,菲涅耳近似重建方法是较为有效的方法.

基于数字全息三维检测的沥青路面车辙预防养护辅助设计方法及应用

车辙作为沥青路面常见病害之一,其对路面使用寿命和交通安全具有重要的影响。当沥青路面出现中轻度车辙时,在预防养护过程中,车辙形变会导致养护材料用量增加。因此,在养护设计中能否准确计算填补车辙材料用量,对于保证养护质量和养护效率意义重大。该文基于实体养护工程需求,分析传统车辙检测方法和数据在养护设计中存在的问题,提出一种采用数字全息三维检测技术的沥青路面车辙预防养护辅助设计方法。该方法通过数字全息三维检测技术,能够全面获取路面连续高精度三维数据并建立三维模型,通过仿真模拟精准计算填补车辙养护材料用量,有效提高了预防养护的精准性。通过实体工程验证,结果表明:基于数字全息三维检测的沥青路面车辙预防养护辅助设计方法,能够将车辙预防养护材料用量负偏差控制在5%以内,与基于传统检测方法和数据的养护设计相比(材料用量负偏差超过50%),效果显著。

基于数字全息干涉术的液相扩散过程可视化（英文）

提出了利用数字全息干涉术可视化观测液相扩散过程.实验中,采用马赫-曾德干涉仪光路记录乙醇与水之间两相扩散过程的多幅数字全息图;再通过数值再现不同扩散状态的波前相位分布,获得液体中的摩尔浓度分布;最后,根据菲克定律获得两相流扩散系数.结果表明:利用数字全息干涉术可实现对液相扩散传质过程的快速、实时及高精度测量;该方法还具有可实现远程监控、拥有大量微观数据的优点;此外,采用文中全息干涉光路结合波分与角分复用技术可实现多相流扩散系数的测量,为获得溶液中非线性变化特征参量提供了有效技术手段.

数字全息技术在外语教学中的应用

情景教学法是将教学内容寓于具体直观形象的场景之中,通过创设虚拟的学习环境,激发学生学习兴趣,调动学生积极性,达成教学目标的方法,是外语教学经常利用的方法。利用数字全息技术进行虚拟情境模拟较之传统的情境素材平面展现技术具有三维立体成像、身临其境的画面感、同步交流等特点,提升了学习者对所学内容的认知获取输出度。此外,还可以丰富外语教学资源,提高教学质量,促进学生自主学习,辅助教师教学设计和评估,促进教师职业角色转变。

数字全息变焦系统的研究及应用

从4f系统及照像机变焦镜头的设计思想出发,提出并设计了一个由三面透镜组成的数字全息变焦系统.该系统具有4f系统的性能,且可以方便地改变横向放大率,适应实际检测物体尺寸及形状的变化.用几何光学表述了变焦系统的工作原理,基于矩阵光学理论介绍了变焦系统的设计方法,利用衍射的角谱理论对像空间波面重构计算方法进行了介绍.并且,给出了实验证明及应用实例.