数字同轴和数字离轴全息系统分析

利用最高空间频率分析法,通过逐点分析记录在 CCD 上的空间频率信息,研究了物体可允许记录的最大横向尺寸、最小记录距离、全息图的信息量、空间分辨力、再现像的横向分辨力、轴向分辨力及散斑大小,并得到了数学表达式。理论分析和实验结果表明,数字同轴全息系统放宽了对 CCD 分辨力的要求,有较高的分辨力,较低的散斑噪声、灵活、简单的系统结构及较高的 CCD 空间带宽利用率,在增强系统性能方面要优于数字离轴全息系统。这一研究为数字全息系统的设计和操作提供了一定的理论和实验指导。

用于海洋原位浮游生物探测的同轴数字全息显微技术研究（英文）

本文将数字全息与显微成像技术相结合,设计搭建了一套数字全息显微系统,用于对浮游生物进行光场获取。基于该系统获取的光场信息,通过在不同景深对图像进行再现,既可以获到单一浮游生物的清晰图像,也可以获得一定水体内浮游生物微粒在海水中的三维分布情况。通过实验测得系统分辨率可以达到7.8微米,景深可以达到10毫米,优于一般光学显微镜的技术指标。研究结果表明优势明显的数字全息显微系统是一种适合海洋原位探测的浮游生物研究的有效方法。基于数字同轴显微系统的水下仪器开发将是下一步工作的努力方向。

基于Gabor模式的多光谱数字全息显微成像系统

为了同时对目标样本的三维空间结构及光谱信息进行分析,提出了基于Gabor模式的多光谱数字全息显微成像系统。即在Gabor同轴数字全息成像系统中引入可调谐多波段LED照明光源,获得目标样本在不同波长下的全息图像,通过采用角谱自聚焦和孪生像抑制算法获得目标样本在不同波长下的重建图像,估计样本透射光谱,实现像素级图像配准。使用美国空军(USAF)分辨率板对系统成像性能进行测试,选取不同生物组织样本及不同属性液体进行多光谱实验探究。结果表明,该系统成像分辨率可达7.81μm,不仅实现了彩色全息显微成像,具有良好的色彩再现像,还可以定性区分不同属性液体,在无标记生物样品的成像和检测领域中具有潜在的应用前景。

基于压缩感知的相移数字全息图的压缩实验研究

由于数字全息图的数据量庞大,其传输、存储占用大量的通信带宽和存储空间。为实现数字全息图有效的传输、存储,需要对其进行信息压缩。压缩感知理论突破了奈奎斯特采样定理的极限,能够以随机采样的方式,用远低于奈奎斯特采样定理所需要的最小数量,来精确地恢复原始信号。本文主要在同轴数字全息成像系统的基础上,引入压缩感知理论,深入研究了三种重构算法在物体全息图压缩中的影响。并分析比较出了适合数字全息图压缩重构的算法。经实验验证,适用于普通图像压缩重构的TVAL3算法,在数字全息图压缩重构中,其效果并不如Tw IST算法。

透射式数字全息显微镜

数字全息显微镜是将光学全息技术、数字图像处理和显微成像相结合的测量方案。设计了基于透射全息干涉原理的光学系统,研制了透射式数字全息显微测试系统样机。整个系统包括光学系统、光机系统和软件系统,主要解决了数字全息显微技术误差抑制技术、再现距离和再现参考波矢量的调整、数字全息显微技术的标定技术及相位快速重建等关键技术。系统可实现微观形貌的纳米级测量、并可延伸至动态测试。

透射式数字全息显微镜

数字全息显微镜是将光学全息技术、数字图像处理和显微成像相结合的测量方案。设计了基于透射全息干涉原理的光学系统,研制了透射式数字全息显微测试系统样机。整个系统包括光学系统、光机系统和软件系统,主要解决了数字全息显微技术误差抑制技术、再现距离和再现参考波矢量的调整、数字全息显微技术的标定技术及相位快速重建等关键技术。系统可实现微观形貌的纳米级测量、并可延伸至动态测试。

透射式数字全息显微镜

数字全息显微镜是将光学全息技术、数字图像处理和显微成像相结合的测量方案。设计了基于透射全息干涉原理的光学系统,研制了透射式数字全息显微测试系统样机。整个系统包括光学系统、光机系统和软件系统,主要解决了数字全息显微技术误差抑制技术、再现距离和再现参考波矢量的调整、数字全息显微技术的标定技术及相位快速重建等关键技术。系统可实现微观形貌的纳米级测量、并可延伸至动态测试。

透射式数字全息显微镜

数字全息显微镜是将光学全息技术、数字图像处理和显微成像相结合的测量方案。设计了基于透射全息干涉原理的光学系统,研制了透射式数字全息显微测试系统样机。整个系统包括光学系统、光机系统和软件系统,主要解决了数字全息显微技术误差抑制技术、再现距离和再现参考波矢量的调整、数字全息显微技术的标定技术及相位快速重建等关键技术。系统可实现微观形貌的纳米级测量、并可延伸至动态测试。

透射式数字全息显微镜

数字全息显微镜是将光学全息技术、数字图像处理和显微成像相结合的测量方案。设计了基于透射全息干涉原理的光学系统,研制了透射式数字全息显微测试系统样机。整个系统包括光学系统、光机系统和软件系统,主要解决了数字全息显微技术误差抑制技术、再现距离和再现参考波矢量的调整、数字全息显微技术的标定技术及相位快速重建等关键技术。系统可实现微观形貌的纳米级测量、并可延伸至动态测试。

透射式数字全息显微镜

数字全息显微镜是将光学全息技术、数字图像处理和显微成像相结合的测量方案。设计了基于透射全息干涉原理的光学系统,研制了透射式数字全息显微测试系统样机。整个系统包括光学系统、光机系统和软件系统,主要解决了数字全息显微技术误差抑制技术、再现距离和再现参考波矢量的调整、数字全息显微技术的标定技术及相位快速重建等关键技术。系统可实现微观形貌的纳米级测量、并可延伸至动态测试。

深度学习用于连续太赫兹同轴数字全息重建

由于太赫兹面阵探测器像元数少,且目标像素数较少,全息图的衍射效应明显,因此其重建较可见光全息图重建困难。研究两种将深度学习用于二维连续太赫兹同轴数字全息振幅重建的方法,并与传统的角谱法(ASM)和带切趾的振幅约束相位恢复算法(APRA)进行对比。第一种是端对端的U-net网络重建方法(H-UnetM),即网络输入图像为全息图;第二种是角谱法加U-net网络重建方法(AS-UnetM)。仿真研究表明,对于记录距离15~20 mm、分辨率0.3~0.5 mm目标的2.52 THz全息图,AS-UnetM重建优于APRA,而H-UnetM仅优于ASM但不如APRA。最后通过真实实验加以验证,结果表明H-UnetM能够重建目标,但部分背景噪声也被突出,而采用ASUnetM在目标附近的重建效果最佳。

基于相位恢复法的连续太赫兹同轴数字全息成像仿真研究

太赫兹同轴数字全息具有较低的光子能量和对非金属与非极性物质较高的穿透能力,越来越受到人们的重视。但由于零级衍射光和共轭像的影响,会导致重建像细节模糊,造成图像质量下降。通过仿真对比分析了相位恢复法在可见光和太赫兹数字全息中的应用,并通过研究重建像的均方差随记录距离和记录间隔的变化情况,验证了在太赫兹波段可以将两次全息图记录缩减成一次的成像方法。讨论了噪声对简化成像的影响,结果表明当全息图和背景都带有噪声时,相位无法恢复到预定值,随着噪声的增大,重建像会越来越模糊,直至完全被噪声掩盖。

基于4f系统的Gabor同轴相移数字全息

传统Gabor同轴全息中的直透参考光波与衍射物光波空间重叠,因而无法实现相移干涉。针对这一问题,提出了一种在Gabor同轴全息中引入相移的数字全息方法。根据空间频谱域中不同频率分量空间分离的特点,通过在4f系统的频谱面上采用纯相位空间光调制器对空间频谱的零频分量(直透参考光波)单独进行相位调制实现相移干涉,然后利用相移干涉算法得到再现像。理论分析和实验结果表明,基于4f系统的Gabor同轴相移数字全息方法可以在保留Gabor同轴全息光路简单、受环境振动和空气扰动影响小、对光源相干性和记录器件空间分辨率要求较低等优点的基础上,消除直流项和共轭像的影响,提高了再现像质量。

非相干同轴数字全息望远系统的研究

基于菲涅耳非相干相关全息光路的望远系统,可以在较远距离下,得到目标物体的数字全息图。基于菲涅耳衍射理论,计算了成像过程的点扩展函数(PSF),理论上分析了菲涅耳非相干数字全息望远系统的成像原理、系统的横向放大率以及再现过程中的重建距离;搭建了基于菲涅耳非相干相关同轴光路的数字全息望远系统,在白光照明的条件下,利用探测器(CCD)记录物体的全息图,使用相移法消除了同轴光路下的零级像和共轭像,通过角谱算法得到清晰的重建像。孔径光阑的引入,解决了照明不均匀的问题,提高了成像质量。从实验上验证了系统的分辨率、景深以及三维成像特性。结果表明,当望远系统角放大率为2.0倍、望远距离为900mm时,分辨率可达到16.00lp/mm。

基于压缩感知算法的无透镜数字全息成像研究

无透镜数字全息计算成像可以实现大视场高分辨率三维成像,但面临成像分辨率低和信噪比差的问题。为此,构建了基于衍射传输的无透镜压缩数字全息成像模型,开发了基于全变分正则化约束和两步迭代收缩阈值的优化算法,抑制了全息重建的二阶项噪声与孪生像噪声,并在重建模型中引入滤波层,提高了三维图像的重建信噪比。同时,提出了基于有效抗混叠区域的压缩全息分块并行重建算法,提升了压缩数字全息重建效率。建立了基于双角度照明的压缩数字全息成像模型,提高了三维成像的轴向分辨能力。基于上述算法,在多层掩模版和粒子流场上实现了大视场无透镜显微成像。

基于系统标定的相衬显微数字全息方法

提出一种基于系统标定的相衬显微数字全息方法。对相衬显微数字全息原理进行了理论分析,表明用两个分别位于记录面和像面的数字相位掩模,在不影响重建像放大倍率的情况下,可以消除由显微物镜引入的相位弯曲。给出了相位掩模的数学模型,并提出通过系统标定来构建所需相位掩模的方法。其基本思路是,通过预先拍摄成像物镜加入前后的两幅参考数字全息图,结合滤波还原和最小二乘拟合等数字处理方法,提取全息记录系统的参数,用于构建数字相位掩模。利用该技术对最大宽度不超过0.09 mm的小水珠进行了不同放大倍率的相衬显微成像实验,验证了该技术的有效性和方便性。

2.52THz离轴数字全息成像和焦平面成像特性比较

利用已搭建的2.52THz焦平面成像装置和离轴数字全息装置,通过分辨率测量和水印及铅笔字成像,研究了焦平面成像和离轴数字全息成像这两种面阵成像的性能。实验证明,常规的焦平面成像由于太赫兹波长较长,很难获得较高的成像分辨率,且成像效果受放置位置的影响严重;太赫兹离轴数字全息成像可以提高成像分辨率,但成像物体大小受系统分辨率制约;焦平面成像较离轴面阵数字全息成像更适于大目标低分辨率成像。

太赫兹伽栢同轴数字全息自动聚焦研究

太赫兹数字全息是太赫兹成像技术的重要研究方向。由于太赫兹波长相对较长，使得太赫兹同轴数字全息的记录距离一般都比较近，因此系统记录距离的准确测量意义重大。对真实2．52THz伽柜同轴数字全息图应用5种自动聚焦判别函数，通过截取再现像目标提高了判别精度。实验结果表明归一化方差判据函数最好，证明了5种自动聚焦判别函数应用于太赫兹同轴数字全息的可行性。

太赫兹Gabor同轴数字全息记录距离实验研究

太赫兹Gabor同轴数字全息系统具有分辨率高和结构紧凑等特点,有潜在的应用前景。由于其系统横向分辨率与记录距离有关,因此研究实际成像系统中记录距离对成像结果的影响具有重要的应用价值。利用自制的分辨率分别为0.4mm和0.6mm的目标,进行了不同记录距离的2.52THz Gabor同轴全息成像实验,并通过角谱法实现数字再现。对再现像进行了对比分析,实验结果接近横向分辨率随记录距离变化的理论计算结果。

数字全息散射成像中目标复原的仿真分析

透射散射成像中目标复原在生物医学、遥感和安防等领域备受关注。对在数字全息散射成像理论基础上构建的目标复原模型进行模拟仿真。针对模型中影响目标复原的关键因素,如激光光源的中心波长、目标尺寸、观测距离、散射介质特性和探测器的分辨率等进行系统仿真与分析。结果表明:激光光源的中心波长为635.5 nm,探测器的观测距离为50 cm、空间分辨率为512 pixel×512 pixel,散射片的均方根粗糙度为333μm,均方根粗糙度接近的条件下选择高斯随机分布模型的散射片更利于目标物的复原。该研究为应用于透射散射成像中图像复原系统的快速准确搭建提供了依据。