数字全息粒子图像测速技术应用于旋转流场测量的研究

将数字全息粒子图像测速(DHPIV)技术应用于旋转流场的三维空间速度测量当中。提出了一种新的焦平面定位方法,即综合灰度梯度法,对数字全息中粒子的焦平面进行精确定位,获得了粒子的空间坐标。针对数字全息粒子图像测速技术中的粒子匹配问题,采取三维互相关算法对流场中的示踪粒子进行空间匹配。将基于综合灰度梯度法和三维互相关算法的数字粒子图像测速技术运用到旋转流场全息图中,获得了局部的三维可视化速度场,与理论模型吻合很好。结果表明,该技术能够很好地应用于旋转流场的测量研究当中。     

基于数字全息层析的温度场三维检测方法

提出一种结合数字全息干涉测量原理和计算层析迭代原理的温度场三维检测方法。首先,基于光纤传导的离轴数字全息光路,通过旋转记录多角度的数字全息图。然后,对全息图进行数值重构,获得多角度上的定量相位分布,以此作为计算层析迭代的投影数据,并采用层析迭代算法重建三维折射率场分布。最后,基于折射率与温度之间的关系,反演得到三维温度场分布。基于上述方法搭建了实验系统并开展实验验证,实验测量结果与温度场预测分布基本一致,证明了该方法在对温度场三维检测的可行性。     

数字化全息及其在三维显示和检测中的应用

从三维显示和检测的角度回顾了数字化全息研究的发展与现状.首先简要介绍了在三维显示的应用中计算全息的编码原理,以及全息图数字化再现的几种算法.给出了计算全息一般的制作方法,对典型的光电全息记录光路进行了分析,然后对数字化全息在三维显示和全息影视中的应用研究进行了讨论.分析了几种数字化全息显示装置,包括数字全息打印机,声光调制型的全息影视系统和空间光调制器型的全息影视系统.最后对数字全息三维显示技术的未来进行了展望.     

基于立体匹配技术的数字全息三维形貌重构

针对数字全息对物体三维形貌的重构与测量,提出了一种将数字全息术与立体匹配术相结合的三维测量方法。首先利用离轴菲涅耳数字全息系统,采集三维物体的单幅离轴菲涅耳全息图;然后将获取的数字全息图分为两个部分,分别进行数值再现,可以得到两个再现像,两个再现像存在视差。最后利用立体匹配算法获取两幅视图再现像的视差,根据几何关系获取物体的深度信息,重构物体的三维形貌。实验中,分别对不连续物体和连续物体进行三维形貌的重构,得到了准确的三维物体深度信息。数值模拟和初步实验结果表明该方法有效可行。     

单颗粒煤粉声悬浮全息测量实验研究

运用数字全息测量技术对声悬浮场中煤粉颗粒的冷态、热态现象进行了实验研究。通过电荷耦合器件(CCD)记录煤粉颗粒的冷热态全息图,应用小波变换对图像进行重建,获得同一煤粉颗粒在不同投影面下的粒径以及空间位置。重点分析了煤粉在CO2激光器照射下,挥发分析出及颗粒破碎现象,挥发分只在竖直方向析出,且主要集中在尖角处。破碎形成的颗粒大小不一,位置比较随机,z轴方向距离较大。通过分析热态时颗粒粒径随时间的变化,获得了颗粒的燃烧速度,同时给出了颗粒z轴位置随时间的变化。实验结果表明数字全息技术可以应用于声悬浮场中煤粉颗粒燃烧时的测量,是研究煤粉燃烧的有力工具。     

计算全息三维显示的信息量及其简化

全息信息简化是基于波前再现的全息三维显示技术重要的课题。对全息三维显示的信息量与再现像的视差角与视场角的关系进行了分析,指出全息三维显示的巨大信息量是为了提供足够的视差和视场,以达到人眼立体视觉效果。在牺牲垂直视差并保证足够的水平视差角和视场角的条件下,利用光栅对全息图进行取样,计算了光栅取样全息图对信息压缩的极限,分析了简化后全息图再现像的特点和存在的问题,对于信息压缩后的光栅取样全息图的再现进行了设计。     

基于数字全息技术的材料表面特性测量研究

数字全息应用于对透明材料表面特性测量研究。在本文中,建立了一个测量透明材料表面特性的数字全息图记录系统,可以获得高质量的透明物体的数字全息图。经过对全息图进行后处理和最小二乘法解包裹算法获得透明物体的相位重建图。可以测定材料的表面特性,并对其进行三维可视化显示。利用NanoMap500Ls作为验证试验,验证试验的结果表明数字全息在测量透明材料方面是一个可行的测量工具。     

微颗粒场同轴全息的离焦处理方法

一、引言 全息法自首次应用于微颗粒场的分析以来,得到了不断发展,初期工作主要对技术本身及其机理进行探讨。实验表明,全息法是测量三维微颗粒场的有效手段,具有景深大、不干扰粒子群,且能记录粒子的大小、位置及速度等优点,并得到了广泛应用。 全息法将微颗粒场的数据信息寓于图像之中,所以必须对微颗粒场的再现图像进行处理,以“读出”粒子群的几何信息(尺寸、分布等)。以往的工作大部分都是处理粒子的聚焦像,而对球形的微颗粒,也可由粒子的离焦像求取粒子的大小和分布。 本文将此法应用于微颗粒场的处理,用一套半自动的图像处理系统,用所设计的程序,对微颗粒场的同轴全息图再现的离焦像进行处理,得到粒子的几何信息。     

元宇宙中的动态全息三维显示:发展与挑战（特邀）

相比二维显示,三维显示可以提供更接近真实世界的图像内容,是5G、大数据、元宇宙和物联网领域的关键性技术。计算全息三维显示可以提供所有种类的深度线索,被认为是三维显示的终极实现方式,在智能制造、远程教育、异地办公和娱乐社交等领域都具有广阔的应用前景。文中首先介绍了计算全息技术的发展历史和重要技术节点,分析了高质量全息动态三维显示面临的挑战,主要包括计算全息图重建质量不足、波前调制器件和全息显示系统性能受限以及三维内容源匮乏等,进一步介绍了已有的解决方案,比较了各类方案的优势与不足,进而分析了高质量全息动态三维显示的主要研究方向,包括低噪声全息图的获取、像质优化和畸变校正技术的开发以及三维内容源的构建。实现高质量、低噪声、无畸变、高刷新、真三维的动态全息三维显示,是计算全息显示发展的必由之路,也是元宇宙等典型应用对全息三维显示提出的必然要求。     

水下气泡场探测全息图的数字再现技术

针对水下环境,探讨了数字全息术和图像处理技术在水下气泡场全息图的再现、识别和提取中的应用。首先完成数字全息记录及重现程序的编写并拍摄水下气泡场全息图,对全息图进行去噪处理,然后对处理过的全息图进行再现,利用边缘检测技术识别气泡并计算气泡大小,用邻域再现法统计出全息图中的气泡数目,实验证明这一方案切实可行。     

三维物体计算全息的方法研究

为了探索提高三维物体计算全息图的生成速度的方法,比较了两种不同的方法。根据全息理论,对三维物体计算全息图的生成方法和原理进行了简单介绍。采用离轴全息进行的点源法和同轴全息进行的层析法分别对简单三维物体的全息图进行计算,同时对两种方法的特点和局限性进行了简单的比较,点源法方法简单,但运算速度较慢;层析法则需要在保证纵向分辨率的同时尽可能少的减少分层数量。最后,讨论了提高三维物体计算全息图生成效率的有效途径。     

数字全息显微中自动调焦技术及其应用 （封面文章） （特邀）

数字全息显微技术(Digital Holographic Microscopy, DHM)将光学干涉和光学显微技术相结合,为微观物体的三维形貌、透明物体的厚度/折射率分布提供了一种快速、无损测量手段。数字全息显微可以通过计算机模拟物光波的衍射传播以实现对被测样品的数字调焦。然而,这一过程需要事先知道全息图到物体像面的距离(文中称为离焦距离)。如何自动获得离焦距离一直是数字全息显微技术中的研究热点。为此,文中着重介绍了基于锐度度量、能量集中度、振幅模量分析、稀疏度测量以及不同照明调制的离焦量获取方法。利用该离焦量可以实现对运动样品或动态过程的自动调焦,为运动物体或动态过程的跟踪观测和实时干预提供了有力手段。此外,文中还介绍了数字全息显微自动调焦技术在细胞、三维粒子场上成像、识别和追踪以及生物组织三维成像等方面的应用。     

数字像面全息显微技术的降噪方法

数字像面全息显微技术中,记录过程引入的噪声限制了轴向测量的精度和可靠性。目前对于抑噪方法的研究,主要针对高频噪声。因此提出了一种针对数字像面全息显微技术的降噪方法,不仅抑制高频噪声,对噪声的低频部分也有抑制作用,提高重构相位的信噪比。这种降噪方法对数字像面全息显微图进行优化,实现途径为利用二维经验模态分解中,第一层本征模态函数与全息图干涉条纹灰度信息契合的特点,提取第一层本征模态函数实现优化。应用优化后的像面全息图,实现重构,求解相位,测量样本表面形貌。应用优化方法对标准纳米台阶的表面形貌进行测量,对比并分析优化前后全息图的频谱以及测量的高度图,证明优化方法在保证对微结构表面形貌实现可靠测量的基础上,降低了数字像面全息显微技术的重构相位噪声。     

基于计算全息的全视差合成全息研究

文中进行了一种新型三维全息图的制作方法研究,该方法基于计算全息原理,与合成全息相结合,实现激光三维全息图的直写打印制作。首先进行了菲涅耳计算全息图的实验,表明计算全息与合成全息结合的可行性与合理性。然后根据合成全息原理与计算全息原理对三维模型进行采样和图像变换处理,再计算出相应的菲涅耳计算全息图,借助数字全息激光打印系统完成三维全息图的拍摄,在激光下进行光学再现,最后对再现结果进行了分析与讨论。     

基于数字化全息的虚实混合场景动态三维显示

提出了一种数字全息图(DH)与计算机制全息图(CGH)结合的虚实混合场景全息三维显示方法.首先采用无透镜傅里叶变换数字全息图记录真实场景三维信息.接着根据空间光调制器像素间距对DH进行采样频率变换.然后在频域对变换后的DH进行高通滤波及场景的缩放、面内旋转、平移等操作.最后采用双极强度法计算虚拟场景的CGH.计算中,将...     

基于二级并行架构的颗粒全息图快速重建方法

为了加快颗粒全息图的重建速度,提出了一种基于多线程编译框架(OpenMP)和统一计算设备架构(CUDA)并行技术的二级并行架构颗粒全息图快速重建方法。第1级并行针对重建截面,第2级并行针对像素,同时在这两个维度进行并行重建,利用OpenMP实现图片级并行,利用CUDA实现像素级并行。以煤粉颗粒全息图为测试对象,同时采用单线程重建程序和二级并行重建程序进行全息重建,比较了两种计算方式的重建结果和计算耗时。结果表明,二级并行重建结果与单线程重建结果是一致的,且可大大缩短重建耗时; 对于分辨率为5000×5000的全息图,在重建截面数为40时,可实现48.3倍的加速比。此计算架构在数字全息的颗粒场实时在线诊断中具有很好的应用前景。     

非相干全息术成像特性及研究进展

非相干光照明的物体或者自发光物体可以认为是由无数多个点源构成,任意两点发出的光波之间不具有相干性,但同一物点发出的光被分束后是空间自相干的。非相干全息术通过某种光学技术将来源于非相干物体上同一点的光波分为两束,由于这两束光是空间自相干的,因而两束光可以干涉实现点源全息图的记录,所有点源全息图的非相干叠加构成物体的全息图。对全息图进行光学或数值重建可以恢复原始物体的三维信息。近年来,非相干全息术已经在非扫描荧光显微成像、非相干彩色全息显示和自适应光学领域展示了其应用的潜力。阐明了非相干全息术记录和再现的基本原理,介绍了记录非相干数字全息图的系统与方法,重点分析和讨论了基于自参考光的同轴数字全息成像系统的成像特性、应用的优势和局限,并介绍了这些方面的研究进展。     

计算全息三维显示的数据压缩编码技术

全息三维显示能够重建真实场景的光场,提供全部的深度感,成为真三维显示的最佳解决方案之一。计算全息三维显示只需要知道物光波的数学描述,可以灵活地控制波前,显示出虚拟的三维物体。但是,巨大的数据量和计算量阻碍了计算全息三维显示的实用化。文中提出了计算全息三维显示中多个环节的数据压缩编码技术,包括三维物体的稀疏采样、全息三维视频压缩编码的优选和参数优化、全息图分形压缩算法,有效地压缩了数据量,并利用GPU的并行运算能力实现了全息图的快速计算。     

数字全息波前准确重建的实验研究

为了得到数字全息图波前的准确重建场,采用常见的波前重建算法进行实验研究和理论分析,得到了物光波通过非单一介质传播时的等效距离,并利用该等效距离修改常用波面重建公式中的相关参量,与柯林斯公式对数字全息图进行重建的结果进行比较分析,发现当物光波通过非单一介质时,采用等效距离修正的重建公式或者柯林斯公式均能得到准确的数字全息再现像。结果表明,采用等效距离对数字全息图进行波前重建的结果与采用柯林斯公式重建的结果一致,此方法能够简化光波通过非单一介质时对数字全息图的波前准确重建。该研究结果可为显微数字全息及数字全息检测应用提供有益的参考。     

基于灰度相关的数字全息孔径合成方法

为了研究数字全息中孔径合成问题,采用理论分析与实验验证的方法,通过介绍合成孔径数字全息记录和再现的基本原理,指出在合成孔径数字全息系统中,准确拼接合成子全息图是系统获得高分辨率的重要因素。提出了一种基于图像灰度分布相关的算法用以解决子全息图的准确拼接以实现孔径合成,介绍了该算法的原理,分析了该算法精度并进行了相应的实验验证,得到了预期成果。结果表明,该算法能较好地解决子全息图的拼接合成问题,在合成孔径数字全息系统中具有较好的适用性。