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。     

预放大相移无透镜傅里叶变换显微数字全息术的研究

利用菲涅耳衍射和全息理论 ,对预放大相移无透镜傅里叶变换显微数字全息术的记录和再现进行详细的理论分析和实验研究。其结果表明 :相移技术可以有效地解决数字全息再现像分离问题 ;预放大方法用透镜可以方便进行显微物体的放大 ;无透镜傅里叶变换全息术不仅可以降低数字全息采样条件的要求 ,而且在相同条件下可以记录物体更多的高频信息 ,上述三种技术的结合将是在目前CCD性能限制的条件下 ,提高显微数字全息再现像分辨率的有效途径。同时 ,也为高质量显微数字全息再现像的获得提供重要参考     

多参考光合成孔径DMIPH术的细胞相位重构

为了克服传统光学显微术无法直接提取相位信息的不足而能更准确记录物体高频和低频信息的合成,采用多参考光合成孔径数字显微像面全息系统,并结合角谱算法和最小二乘解包裹算法实现了细胞的相位重构。选取活体细胞组织等相位型生物进行作为实验样本,对其进行定量观察和有效测量。结果表明,多参考光合成孔径数字显微像面全息系统可以有效地应用于3维物体显微结构的振幅和相位重构,能显著地提高记录系统的高频和低频信息在全息图上的合成度,并实现超出系统的衍射极限12.8lp/mm的分辨率。该系统可以有效地实现数字全息系统的超分辨率成像,从而获得细胞显微结构的3维形貌信息和准确的相位分布。     

数字全息显微再现像横纵向尺寸与放大倍数的关系

数字全息显微再现像是物体经过显微物镜之后放 大像的再现,因此,再现像和放大像 的纵向尺寸易被混淆,认为再现像与放大像的纵向尺寸相等。为了辨识再现像的纵向尺寸, 本文分析了数字全息显微再现像的横纵向尺寸与放大倍数的关系。首先根据光学衍射理论, 对再现像的横向尺寸与放大倍数的关系和纵向尺寸与放大倍数的关系进行了理论分析,得到 了数字全息显微再现像的横向尺寸与放大像相同,都被放大Mβ倍,而再现 像的纵向尺寸未 被放大。其次,以测量石英玻璃上刻蚀的圆孔为样本,调整样本与显微物镜的距离,以M β1= 20.29 ,Mβ2= 17.51 和Mβ3= 15.3 三种横向放大倍数进行了数字全息显微实验。 实验结果表明,三个再现像的纵向尺寸近似为570nm, 与被测物纵向尺寸相等,未受放大倍数的影 响。并且相应再现像和放大像的横向尺寸近似相等,最大差值约为0.58 μm。因此,本文从 理论和实验两方面证明了再现像的横向尺寸被放大了Mβ,而再现像的纵向 尺寸等于被测物 的纵向尺寸,不受放大倍数的影响,且可由被测物引入的光程差计算得到。本文的分析对比 为准确计算数字全息显微再现像的横纵向尺寸提供技术 支撑。     

自适应宽场高分辨率显微成像技术的研究进展北大核心CSCD

光学显微成像技术可以用来观察微小物体的结构细节,但在生物样品的显微成像领域中,像差的存在使得任何显微成像技术的成像质量都无法达到理论预期。为了解决这一问题,自适应光学技术被应用于不同类型的显微成像系统中进行像差的探测和校正。着重总结了自适应宽场高分辨率显微成像技术的研究动态,阐明了数字全息自适应光学技术和非相干数字全息自适应光学技术的特点、优势以及存在的问题。     

预放大离轴菲涅耳数字全息显微技术

预放大离轴全息方法引入了高数值孔径显微物镜,放大了物体的精细结构,使得全息图的信息量更容易与CCD的抽样能力相匹配,与同轴全息显微技术相比,只需拍摄一张全息图,操作简单,具有良好的应用价值.依据全息理论和菲涅耳衍射理论,推导出预放大离轴菲涅耳全息显微系统中CCD记录面的二维光波信息.设计了采用平面光波作为参考光的透射式数字全息显微系统,并对系统分辨率进行了分析.利用该系统对新鲜的洋葱细胞样本和百合的茎细胞样本进行了实验研究,得到了其高分辨率的再现像.     

基于像面数字全息术的中药饮片细胞定量成像技术研究

细胞三维定量成像为中药饮片显微鉴别提供了新方法。为了提高数字全息显微成像质量,采用理论分析与实验验证相结合的方法,对球面参考光像面数字全息显微术的记录和再现过程进行了研究,提出了利用标准分辨率测试板对系统放大倍数、物距等参数进行标定的方法;并利用实验结果对两种常见的相位解包裹方法进行了对比。结果表明:球面参考光像面数字全息图不仅具有较高的信息容量,而且再现过程非常简单,还可以在记录过程中实时观察被记录样品的情况,并选择恰当的被记录区域。利用美国空军分辨率测试板的强度再现像就可以对全息成像系统的放大倍数等参数进行精确标定;利用基于横向剪切的最小二乘解包裹方法可以得到具有较大纵深细胞的准确相位;采取边缘识别技术,可以提高细胞再现像显示效果。     

改善数字全息显微术分辨率的几种方法

从理论和实验上研究了数字全息显微术的分辨率问题。通过分析几种不同数字全息记录光路对记录介质空间分辨率的要求表明,无透镜傅里叶变换全息光路对CCD的空间分辨率要求最低,最能充分利用CCD的带宽;再现像面的空间分辨率在不同方向上的不一致,会导致再现像在空间分辨率高的方向上相对展宽,而在空间分辨率低的方向上相对压缩;再现像的横向分辨率主要由CCD所能记录的物体的最高空间频率决定,它随CCD的尺寸和空间分辨率的提高及记录距离D的减小而提高。给出了消除再现像畸变的方法及实验结果,并提出了3种改善横向分辨率的方法。     

像面数字全息显微系统的成像分辨率及成像特点

为了实现高质量成像,通过对实际的像面数字全息显微系统(IPDHMS)点扩散函数的推导,分析了系统的成像分辨率决定因素及成像特点,给出了相应的实验结果。结果表明,IPDHMS的成像分辨率取决于显微物镜(MO)的成像分辨率和记录器件的像元大小,而与记录器件的光敏面尺寸无关;无论物体被照亮区域有多大,对全息图的记录和再现都没有影响;IPDHMS对成像区域中各点发出的通过MO的各种频率成分均能完整记录与再现,是一种优化的全息成像系统,利用该系统可以实现高质量成像与测量。实验结果证明了理论分析的正确性。     

离轴数字全息记录条件的研究

用振幅全息和菲涅耳衍射理论,分析离轴数字全息记录系统结构参数对数字全息再现的影响,并进行相应的实验验证。理论分析和实验研究结果都表明,如果记录物体和CCD的尺寸固定,记录物体和CCD之间的记录距离将直接影响数字全息再现像的分离状况和系统的分辨率,在保证再现像分离的前提下,缩短物体和CCD之间的距离将有利于数字全息再现像分辨率的提高。     

Robust three, dimensional surface contouring method with digital holography

Nowadays digital holography (DH) is applied to thethree di mensional surface contouring,duetoits non-con-tact advantage[1-5].Moreover ,when a lensless Fouriertransform arrangement with the short-coherence lightsourceis employed in a DHrecording system,not…     

数字全息显微中的准直光再现

为了准确重建微小物体三维物场,采用理论分析与计算机模拟相结合的方法,研究了如何用准直光重建大数值孔径数字全息图,分析了用球面参考光波再现失效的原因,得到了位相重建的表达式;分析了由于记录距离和参考点源偏置的测量误差而导致位相重建像的畸变,作了计算机模拟验证。结果表明,对于强度重建,只要能够记录高质量的全息图,就可以得到准确的再现结果;而对于三维物场重建,只有准确测量记录距离和参考点源的偏置,才能得到准确的再现结果;由于距离的测量误差,导致再现光波场的位相分布出现了二次函数调制畸变,因此,实验过程中精确测量这两个参量是至关重要的。     

基于小波变换的彩色图像数字水印新算法

提出了一种将灰度图像嵌入到原始彩色图像中的新数字水印算法.对RGB色彩空间彩色图像的绿色分量和蓝色分量进行haar小波变换.低频系数经过量化,将经过Arnold置乱后的灰度水印图像的位平面嵌入到低频子带.水印提取不需要原始载体图像.实验结果表明,该彩色图像数字水印算法不仅具有较好的透明性,而且对诸如叠加噪声、JPEG压缩、平滑滤波、几何剪切、图像增强和马赛克效果等攻击均具有较好的鲁棒性.     

彩色数字全息系统中透镜色差影响的研究

在物光通过透镜系统到达CCD平面的彩色数字全息研究中,将每一色光的像视为像空间中的物体。基于全息图补零的一次傅里叶变换(1-FFT)重建方法,导出既能较好地统一不同色光重建物体的物理尺寸,又能考虑透镜色差影响的彩色数字全息图像重建方法。对该方法的研究结果表明,透镜色差的影响等效于让物体的重建像偏离了理想的重建像平面。然而,数字全息重建图像具有一定的焦深,在多数情况下,可以忽略透镜色差的影响,利用厂家给定的焦距标称值获得满足实际需要的彩色重建图像。     

离轴菲涅尔全息图的数字再现

分析了离轴菲涅尔全息网的数字再现过程中照明光的角度参数对再现像质量的影响,提出了通过分析全息图的空间频谱结构自动提取最佳照明光方向参数的方法,进而应用MATLAB实现了数字离轴菲涅尔全息图的自动再现,其中参考光的角度参数是通过分析全息图的空间频谱结构自动提取的,数字再现像面的精确定位则可以通过自动聚焦算法来实现,并利用数字全息记录和再现过程中得到的物距参数准确标定了图像传感器的像素尺寸,给出了有关理论分析及实验结果。     

数字全息再现像的细节显示和视觉畸变矫正

在分析数字全息系统的最小分辨距离和再现像平面上的采样间隔的基础上，提出了一种在用菲涅耳变换法再现数字全息图时，能清楚显示再现像细节的简单方法，这种方法能有效地提高再现场的显示分辨率。通过给由CCD记录的数字全息图补零，可使再现像平面上采样间隔减小，使再现像具有更多的像素，得到保留了更多记录信息的高质量再现像。用同样的方法，也可以矫正由于CCD靶面尺寸在水平和竖直方向上的不一致造成再现像的视觉畸变。实验结果表明此方法有很好的效果。     

飞机红外图像高速识别系统

提出了一种用于导弹的飞机红外图像高速识别系统 .系统基于邻域并行的原理 ,采用多处理单元并行的处理结构 ,集图像并行输入、并行处理、并行存储于一体 .对于远距离图像 ,使用适于帧间处理的邻域图像处理机 ,实现弹目交会状态和目标识别 ;对于近距离图像 ,采用探测元与处理电路一一对应的大规模并行数字电路 ,实现目标部位识别 .该系统能够满足弹目高速交会时实时识别的要求 .     

Self Embedding Watermarking Using Halftoning Technique

This paper proposes a self-embedding watermarking scheme for digital images. It exploits a digital halftoning technique to transform the host image to a halftone image, in which the content features of the host image are well preserved. This halftone image is utilized as an approximate or compressed version of the host image and further adopted as a watermark. Unlike most available self-embedding watermarking techniques, in which watermark embedding, tamper detection and image recovery are block-wise-based, our scheme is a pixel-wise and block-wise composite scheme. That is, the watermark is pixel-wise permuted and embedded in the least-significant-bit plane of the host image, while in tamper detection and image recovery, a block-wise strategy is employed. This pixel-wise and block-wise complementary mechanism can overcome a common disadvantage of previous block-wise-based self-embedding watermarking techniques. Our scheme can be used for tamper detection and alteration location. Moreover, the tampered area can be approximately recovered using the extracted watermark. Experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed scheme.     

基于数字光栅投影的浮法玻璃缺陷检测方法研究

提出了一种基于数字光栅投影的浮法玻璃缺陷检测方法。由数字投影仪投射的光栅条纹经过玻璃带在背景平面上成像,用位于玻璃带上方的高速相机采集受到玻璃带表面调制的图像,再由计算机对采集到的缺陷图像进行相位提取和重建,得到受玻璃缺陷调制的离面位移分布图,并计算求出玻璃带表面的屈光度。以检测难度较大的光畸变缺陷为例,验证了本文方法的可行性。实验结果表明,本文方法能检测光学变形较小的缺陷,检测精度可以达到0.1mm。     

可用于数码相机的新型滤色器实验研究

目前的数码相机获取彩色大多是由棋盘格状Ｂａｙｅｒ型滤色器与ＣＣＤ构成彩色成像器件获得。本文则提出了一种新型格式的滤色器,其不仅具有三原色空间周期采样的特点,同时又具有三色光栅编码的特点,即编码数字图像的频谱面上红、绿和蓝信号相互分离。本文的分析表明这种滤色器和Ｂａｙｅｒ型相比具有解码步骤较为简单的优点。本文特殊设计的模拟实验验证了其用于数码摄影的实际效果。