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。

微透镜阵列成像串扰现象分析

针对微透镜阵列成像时单元图像间存在的串扰问题,文中基于矩阵光学理论,分析了经微透镜阵列成像像面与物面的空间关系,模拟计算2×2的微透镜阵列成像,设计了焦距为7 mm的1×2阵列进行实验研究。研究结果表明:单元图像间距随微透镜焦距和物面尺寸的增大而减小,随微透镜间距和物距的增加而线性的增大。对于焦距为7 mm的微透镜,物距为40 mm,当物面尺寸为55 mm×55 mm时,获得了单元图像恰好分离的临界值,实验结果与模拟计算的理论值一致,该结果对设计微透镜阵列的成像系统具有一定的参考价值。

基于频率调制与分振幅解调的广义光谱椭偏技术

提出了一种基于频率调制与分振幅解调的广义光谱椭仪方案,与现有时间调制型与时频混合调制型广义光谱椭偏技术相比,其不含运动部件与电控元件,可实现被测样品全部16个Mueller矩阵元素光谱的实时测量。与现有频率调制型广义光谱椭偏技术相比,其测量结果的光谱分辨率更高且降低了通道串扰产生的概率。

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。

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。

使用多核CPU-GPU异构系统快速生成计算全息图

为了充分利用计算机的计算性能提高基于点源模型的计算全息图(CGH)的生成速度,设计了基于多核中央处理单元(CPU)和图形处理单元(GPU)的计算全息图快速生成系统,并对该系统进行了优化。首先采用统一架构平台设计并实现了基于点源模型的计算全息图生成系统,提出了计算的优化策略;然后根据优化的计算公式来减少计算量;最后对任务调试等进行优化,构建CPU的并行计算系统,其中一个核心负责启动函数和传输数据,其余核心承担一部分计算任务,进一步提高计算速度。结果表明,设计的系统能让CPU和GPU的性能均得到充分利用,在同等配置的计算硬件条件下,生成计算全息图的加速比较GPU系统计算全息图的加速比提高了4~4.75倍,可以有效提高计算全息图的生成速度。该研究对快速生成3维场景全息图是有帮助的。

基于小波变换的全息图压缩编码比较研究

在全息三维显示及全息视频应用中,减少全息图的信息量、满足通信带宽的要求是一项重要的研究工作。使用小波阈值和量化的方法有损压缩全息图,对比分析使用不同小波基阈值对全息图再现像质量和全息图压缩比的影响。研究结果表明,对离轴数字全息图小波阈值有损压缩后,Haar和db5小波基得到的再现像质量最高,其峰值信噪比(PSNR)达到了26.38 dB,使用sym2和db2小波得到的压缩比最高,达到了6.68。相息图小波阈值有损压缩后,Haar和Daubechies小波得到的再现像质量最高,其PSNR达到了32.32 dB,使用Biorthogonal小波得到的压缩比最高,达到了4.47。研究结果可为如何有效使用小波变换实现全息图的压缩提供参考。

三维空间轨道角动量全息

光的轨道角动量自由度已被作为一种新的信息载体用于光全息信息处理技术之中.然而,目前关于轨道角动量全息技术的研究主要集中在二维轨道角动量全息,即重构的二维全息图像位于三维空间中的某一个平面内.如何进一步实现三维空间轨道角动量全息技术并将其用于增加全息通信的信息容量仍然是一个空白.本文基于轨道角动量自由度和重构的二维图像在三维空间中的位置自由度,实现了三维空间轨道角动量全息技术.换言之,在我们实现的三维空间轨道角动量全息中,目标物体图像的获得不仅要求使用正确的解码轨道角动量态,还要求在正确的空间位置来探测物体的图像.此外,还进一步研究了三维空间轨道角动量全息复用技术,并指出该复用技术可用于信息加密.与传统的二维轨道角动量全息技术相比,三维空间轨道角动量全息技术使用了额外的自由度,即成像的空间位置.因此,基于三维空间轨道角动量全息技术的加密方案可以进一步提高信息的安全等级.我们的理论模拟结果和实验结果验证了三维空间轨道角动量全息技术以及三维空间轨道角动量全息加密技术的可行性.

线性剪切空间调制快拍成像偏振仪动态定标数据处理技术

基于动态定标的线性剪切空间调制快拍成像测偏技术能够在动态环境(如温度变化)下对目标偏振信息进行更精确的实时测量,但实验噪声会引起反演图像的条状畸变。针对这一问题,系统分析了快拍成像偏振仪动态定标技术原理和目标相位的定量求解过程,提出了结合相位差分与双线性插值算法的噪声识别与相位修正方法。实验和计算结果表明,经过相位求解和修正计算,条带状失真得到去除,反演成像质量提升。为高相位变化和低信噪比环境下空间调制快拍成像测偏技术的实时应用提供支持,推动其在动态环境下的工程实际应用进程。

透过散射介质的散斑统计特性研究

复杂散射介质的衍射通常会形成散斑图像,该特性使得其在激光技术、电子和光电子等领域具有重要的应用价值.搭建了透过散射介质衍射形成的散斑测量系统,研究了CCD曝光时间、衍射距离和散射面直径对散斑统计特性的影响.实验结果表明:改变光学系统参量,透过散射片的散斑特性也会随之改变;选择合适的曝光时间能够获取对比度和光强分布适中的散斑图像,其空间衍射特性可用散斑平均尺寸表征,但对于散斑特性的微小变化,则可利用相关系数和数字图像相关结果进行辅助分析.

富勒烯掺杂的光致聚合物的全息存储特性研究

研究了富勒烯对六官能团脂肪族聚氨酯丙烯酸酯/环氧树脂(RJ423/EPIKOTE 828)体系光致聚合物的全息性能的影响,分析了富勒烯(C_(60))材料以及曝光光强对光致聚合物衍射效率的影响。通过吸收光谱结合X射线衍射图谱分析,掺杂的富勒烯既没有和聚合物中的其他成分发生化学反应,也不影响材料本身的结构和结晶性能。实验结果表明,富勒烯掺杂提高了单体聚合反应的速率,并且参与活性单体分子之间的扩散。在光强20 mW/cm^(2)、时间40~50 s、厚度200µm时,光致聚合物的衍射效率提升到86%,感光灵敏度达到1.32 cm^(2)/J,收缩率降低了约80%。由于C_(60)促进聚合,抑制体积收缩,从而增强全息存储的稳定性,经过全息图像存储实验对比,证明该光致聚合物掺杂富勒烯之后具有优秀的全息存储性能,同时也表明富勒烯掺杂的光致聚合物在全息储存领域具有较大的应用前景。

基于光学衍射神经网络的拉盖尔-高斯光束识别

拉盖尔–高斯(Laguerre-Gaussian,LG)光束除了轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)维度外,还拥有径向量子数p,因此LG光束可以为光通信和光计算等应用提供更多的物理自由度。但目前常见的干涉、衍射机制的LG光束模式探测方法在受到大气湍流的干扰时,识别准确率会明显下降,从而限制了其实际应用。提出了一种基于衍射神经网络(diffractive neural network,DNN)的LG光束识别方式,实现了p在1~3范围内的识别。即使在强湍流强度,衍射距离为5 m的情况下,该识别方式的识别准确率依然能达到95%以上。该DNN方法能够为准确识别LG光束模式提供有效途径,在大容量OAM通信、高维量子信息处理等方面均具有潜在应用价值。

Bessel–Gaussian beam-based orbital angular momentum holography

Orbital angular momentum(OAM), as a new degree of freedom, has recently been applied in holography technology.Due to the infinite helical mode index of OAM mode, a large number of holographic images can be reconstructed from an OAM-multiplexing hologram. However, the traditional design of an OAM hologram is constrained by the helical mode index of the selected OAM mode, for a larger helical mode index OAM mode has a bigger sampling distance, and the crosstalk is produced for different sampling distances for different OAM modes. In this paper, we present the design of the OAM hologram based on a Bessel–Gaussian beam, which is non-diffractive and has a self-healing property during its propagation. The Fourier transform of the Bessel–Gaussian beam is the perfect vortex mode that has the fixed ring radius for different OAM modes. The results of simulation and experiment have demonstrated the feasibility of the generation of the OAM hologram with the Bessel–Gaussian beam. The quality of the reconstructed holographic image is increased, and the security is enhanced. Additionally, the anti-interference property is improved owing to its self-healing property of the Bessel-OAM holography.

Dynamic interactive bitwise meta-holography with ultra-high computational and display frame rates

Interactive holography offers unmatched levels of immersion and user engagement in the field of future display.Despite of the substantial progress has been made in dynamic meta-holography,the realization of real-time,highly smooth interactive holography remains a significant challenge due to the computational and display frame rate limitations.In this study,we introduced a dynamic interactive bitwise meta-holography with ultra-high computational and display frame rates.To our knowledge,this is the first reported practical dynamic interactive metasurface holographic system.We spa-tially divided the metasurface device into multiple distinct channels,each projecting a reconstructed sub-pattern.The switching states of these channels were mapped to bitwise operations on a set of bit values,which avoids complex holo-gram computations,enabling an ultra-high computational frame rate.Our approach achieves a computational frame rate of 800 kHz and a display frame rate of 23 kHz on a low-power Raspberry Pi computational platform.According to this methodology,we demonstrated an interactive dynamic holographic Tetris game system that allows interactive gameplay,color display,and on-the-fly hologram creation.Our technology presents an inspiration for advanced dynamic meta-holography,which is promising for a broad range of applications including advanced human-computer interaction,real-time 3D visualization,and next-generation virtual and augmented reality systems.

Multi-dimensional multiplexing optical secret sharing framework with cascaded liquid crystal holograms

Secret sharing is a promising technology for information encryption by splitting the secret information into different shares.However,the traditional scheme suffers from information leakage in decryption process since the amount of available information channels is limited.Herein,we propose and demonstrate an optical secret sharing framework based on the multi-dimensional multiplexing liquid crystal(LC)holograms.The LC holograms are used as spatially separated shares to carry secret images.The polarization of the incident light and the distance between different shares are served as secret keys,which can significantly improve the information security and capacity.Besides,the decryption condition is also restricted by the applied external voltage due to the variant diffraction efficiency,which further increases the information security.In implementation,an artificial neural network(ANN)model is developed to carefully design the phase distribution of each LC hologram.With the advantage of high security,high capacity and simple configuration,our optical secret sharing framework has great potentials in optical encryption and dynamic holographic display.

Accelerated generation of holograms with ultra-low memory symmetrically high-compressed look-up table

Computer-generated holography technology has been widely applied,and as research in this field deepens,the demand for memory and computational power in small AR and VR devices continues to increase.This paper presents a hologram generation method,i.e.,a symmetrically high-compressed look-up table method,which can reduce memory usage by50%.In offline computing,half of the basic horizontal and vertical modulation factors are stored,halving the memory requirements without affecting inline speed.Currently,its potential extends to various holographic applications,including the production of optical diffraction elements.

Advancing computer-generated holographic display thanks to diffraction model-driven deep nets

Advancements are reported in computer-generated holography proofing RGB 4K display through a new strategy based on diffraction model-driven deep networks. In the new 4K-DMDNet, the network is not a “black box” anymore. Rather, the input-output relation must obey to the physics of wavefront propagation, which is embedded here as a constraint. Thus, a labelled dataset is not required, and the model shows superior generalization capabilities with respect to data-driven approaches. The method is promising for the new generation of RGB 4K holographic display, as well as augmented and virtual reality systems.

物体经过毛玻璃成像复原机理研究

采用数字全息方法对物体经毛玻璃成像复原机理进行研究。首先,在建立毛玻璃数学模型的基础上,提出了消除毛玻璃干扰的理论算法。然后,利用数字全息再现原理建立了数学模型,并搭建了实验光路,将经毛玻璃后的物体信息通过消除毛玻璃干扰算法后进行再现,并将消除毛玻璃干扰前后的全息图进行了对比分析。最后,通过仿真与实验验证了理论算法和实验方法的正确性,对于物体透过复杂介质成像研究有着极其重要的参考价值。

室温全息光谱烧孔:实现路径与研究展望

光谱烧孔型全息存储因高密度、抗干扰、低能耗的特点而具备了海量“冷数据”存储潜力。本文结合作者的科研经历,首先简要回顾了光谱烧孔的发展历程和存在瓶颈;随后基于等离激元光谱烧孔的基本原理,阐述了过渡金属氧化物/贵金属功能基元室温全息光谱烧孔的新思想;继而展示了作者在大面积全息盘片研制和小型化全息存储器开发方面的最新成果;最后对未来利用功能基元空间序构实现高密度频域全息光谱烧孔进行了展望。作者所在团队的系列工作开辟了高密度光存储的新方向,同时为发展过渡金属氧化物基高集成光电器件提供了有益的思路。

基于相移轮廓术的双采样运动物体三维重构

相移轮廓术因其高精度和高鲁棒性广泛应用于三维重构。由于需投射多幅条纹图到物体表面,相移轮廓术要求物体在重构过程中保持静止,导致运动物体的三维重构精度较低。文中提出了一种基于相移轮廓术的双采样运动物体三维重构方法。首先调整相机和投影仪时序,使投影仪投射一幅条纹图的同时,相机完成两次采集。然后分析物体运动对双采样条纹图的影响,并建立条纹描述方程。结合物体的运动信息,提取混合相移条纹图中的相位信息。最终对拍摄条纹图进行复用,提高运动物体的三维重构帧率。实验结果表明,该方法不仅可以精确重构运动物体,减少运动误差,还在投影速度受限的前提下提高了运动物体的三维重构帧率。