水下全息探测与测量：当前研究评述

引言水下全息测绘是一项涉及水下全息图记录的技术,之后在实验室环境内再现全息实像,以获得精确的位置和尺寸信息。全息图的高分辨率和三维特性,包括图内的视差与透视,使我们可以在实验室光学系统中重新建立水下景像。实像处于底片前的空间内,这意味着该实像可以用屏...     

数字全息技术研究进展及应用

本文对数字全息技术的历史和发展做了简要回顾,分析了数字全息技术在现阶段存在的问题,介绍了数字全息技术在消除零级衍射像干扰、提高再现像分辨率等方面的研究进展,对数字全息在各方面的应用研究状况作了简要介绍。     

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.     

基于多次滤波技术的单次曝光三维物体数字全息

为了改善数字全息重构像质量以达到可实际利用的目的,首先采用以马赫-曾德尔干涉仪为基础的三维物体全息实验光路,运用单次曝光的方法,记录了真实三维物体的数字全息图。由于对该全息图直接计算得到的重构像,受零级衍射光斑和散斑噪声的影响较大,使得重构像质量难以令人满意。为此采用了一套独特的多重滤波数字图像处理方法,即综合运用小波分析与收缩加权平均滤波对实验获得的数字全息图及其数字重构像进行滤波处理,成功地消除了数字重构像中的零级衍射光斑、减小了散斑噪声的影响,得到逼真的三维物体重构像。实验结果表明,该方法简便、实用,可显著提高三维物体重构像的质量。由于采用单次曝光,无需记录多幅图像,此方法便于在实时图像分析处理等领域中应用。     

太赫兹数字全息成像的研究进展

随着太赫兹成像技术的发展,人们对太赫兹成像系统的成像性能如分辨率、成像速率、成像维度等均提出了越来越高的要求。为了消除衍射对太赫兹成像的影响,提高太赫兹成像系统所能达到的性能指标,许多学者已针对太赫兹数字全息技术进行了研究。首先对太赫兹数字全息的基本原理进行了概述,阐述并分析了目前国内外有关太赫兹数字全息成像的研究进展,这些研究显示太赫兹数字全息技术在提高成像分辨率、扩展成像维度等方面具有很大的发展潜力,且具备实时成像的能力,具有十分广阔的应用及发展前景。     

双曝光数字全息三维变形测试

全息三维变形测试在军事、工业测试中有重要意义,而传统的全息术由于记录、显影、定影、再现、复位等条件使其应用受到限制。文中应用CCD 实现了数字全息,不仅避免了传统全息显影、定影等过程,也避免了全息材料非线性记录等缺点,并基于双曝光全息干涉术和四步相移法原理,实现了数字相移,取代了传统的应用压电位移器等机械相移法,实现了物体的三维变形测试。由物体变形的二维等高线图和三维立体图,可判读物体变形的大小、变形的方向和变形的形状。大量的实验表明,该方法不仅简化了全息干涉测试的光学装置,而且具有操作简单,测试精度高,其精度容易达到1 /10 波长。     

数字全息显微中的自动聚焦

为实现快速、准确的自动聚焦,采用理论分析和实验验证相结合的方法,对显微数字全息自动聚焦所采用的数值重建算法、全息图零级谱滤除和聚焦评价函数等相关问题进行了研究。结果表明:菲涅耳变换重建算法完全可以用于数字全息自动聚焦中;全息图零级谱的滤除使得基于菲涅耳变换算法的自动聚焦过程无法实现;灰度方差函数、傅里叶频谱加权对数函数和标准偏差相关函数可以有效地用于显微数字全息数中的自动聚焦,其中傅里叶频谱对数函数计算时间最短,是首选的聚焦评价函数;利用再现像光场中部分区域作为聚焦判断依据,可以大大缩短自动聚焦时间。     

全息照片的显微结构

文章披露了全息光栅，散射物体的离轴全息和彩虹全息图片，在５０００倍扫描电子显微镜下的照片。并从理论上解决了它们的显微结构。指出它们是散射在体干版上的菲涅尔变换频谱与参考光相干淑的结果。旨出这种显微结构是散射物体全息照片衍射效率低于全息光栅的根本原因，并提出了改进拍摄办法，以增加衍射效率。     

基于压缩传感的相移同轴傅里叶变换数字全息

对于同轴傅里叶数字全息,传统重构算法应用快速傅里叶逆变换算法进行重构,但采样过程需要满足香农采样定理,导致海量采样数据,大大增加了存储和传输的代价。提出了一种基于压缩传感的相移同轴傅里叶数字全息重构方法,利用马赫-曾德尔干涉光路采集同轴全息图,对采集数据进行部分采样、测量;然后利用最小全变分法对采集的数据进行数值再现。数值仿真结果表明,基于压缩传感的傅里叶全息重构算法优于基于快速傅里叶逆变换的传统算法,它将全息数据的采集和压缩合为一步进行,不仅采样数据明显少于传统采样数据,而且利用约8%的数据仍然能精确地重构出原图像。     

非相干光自干涉数字全息成像技术研究

采用了一种基于Michelson干涉仪的非相干光自干涉数字全息成像系统,利用该系统记录了USAF1951分辨率板、洋葱表皮细胞、草本植物茎横切的全息图,采用三步广义相移法对所记录的全息图进行数值重建,消除零级像和共轭像后,获得了高分辨率的重建像。重建后的USAF1951分辨率板的第九组第三线对可以清晰地被看到,分辨率可达645 lp/mm。通过分析重建图像质量与衍射距离的关系,研究衍射距离对重建图像质量的影响。通过对头发全息图的重建,证明了该系统可以实现对三维物体全息图的记录和重建。     

数字全息显微定量相位成像的实验研究

建立了一套预放大式数字全息显微成像系统,通过对样品进行显微放大,实现了高分辨率的定量相位成像;并通过计算机控制相机自动曝光记录序列的数字全息图实现了动态相位成像。用标准样品验证了系统测量的准确性;以活体洋葱表皮细胞和血红细胞为样品,获得了清晰的定量相位像;以置于水环境的草履虫为样品,实现了动态成像。实验结果表明建立的系统可以实现高分辨率的动态定量相位成像,可以应用于生物活体样品的显微研究。     

基于小波变换的太赫兹数字全息成像自动聚焦算法

自动聚焦技术是实现数字全息成像快速、准确再现的关键技术之一。在分析聚焦和离焦过程中小波变换高频和低频系数变化特点的基础上,提出了一种基于小波变换的聚焦判据函数。采用无噪声和被噪声污染的模拟太赫兹(THz)数字全息图,比较分析了这种聚焦判据函数和五种经典的数字全息聚焦判据函数的性能,给出了综合评价。仿真结果表明：同五种经典聚焦判据函数相比,基于小波变换的聚焦评价函数具有更好的单峰性、更高的主峰锐度和极佳的抗噪性,是一种性能优越的THz数字全息成像自动聚焦判据函数。     

数字全息成像中基于导数的自动对焦算法

在数字全息成像自动对焦算法实现中引入适用的导数计算方法,形成了4种基于导数的对焦判据函数.通过分析在相移数字全息中记录全息图时引入的噪声在提取物光波复振幅过程中的传递,研究了噪声对基于导数的自动对焦算法的影响,给出了不同算法的综合评价.数值仿真和光学实验处理结果表明,Prewitt梯度判据函数(PRG),Tenebaum梯度判据函数(TEG)与角谱再现算法结合可以形成快速可靠的自动对焦算法.     

A Hardware Acceleration Platform for Digital Holographic Imaging

This paper presents a hardware acceleration platform for image reconstruction in digital holographic imaging. The hardware accelerator executes a computationally demanding reconstruction algorithm which transforms an interference pattern captured on a digital image sensor into visible images. Focus in this work is to maximize computational efficiency, and to minimize the external memory transfer overhead, as well as required internal buffering. The paper presents an efficient processing datapath with a fast transpose unit and an interleaved memory storage scheme. The proposed architecture results in a speedup with a factor 3 compared with the traditional column/row approach for calculating the two-dimensional FFT. Memory sharing between the computational units reduces the on-chip memory requirements with over 50%. The custom hardware accelerator, extended with a microprocessor and a memory controller, has been implemented on a custom designed FPGA platform and integrated in a holographic microscope to reconstruct images. The proposed architecture targeting a 0.13 µm CMOS standard cell library achieves real-time image reconstruction with 20 frames per second.     

压缩感知相移数字全息术

相移数字全息图用传统数字再现可以消除零级像与共轭像,但数字全息术记录的全息图及数字再现像的分辨率被CCD的分辨率所限制.将新兴的压缩感知算法用于数字全息图的稀疏重建,以实现由部分全息图数据得到高分辨率再现像.分析了压缩感知用于重建数字相移全息图的原理,并利用该算法对计算机模拟的相移全息图进行了重建.结果表明,压缩感知算法能够对数字全息图稀疏重建,利用50％的部分全息图数据重建出了较高质量的再现像,并消除了零级像和共轭像.当选用合适的观测器如数字微反射镜器件或随机位相片实现随机观测矩阵时,可以实现单像素成像,从而突破记录全息图CCD分辨率的限制.     

数字全息显微系统的成像分辨率分析

根据成像理论和全息系统的点扩散函数,研究了数字全息显微系统的成像分辨率,给出了无预放大和有预放大情况下成像分辨率的表达式,指出了只有当CCD的成像分辨率等于或高于显微物镜(MO)的成像分辨率时,预放大数字全息系统的成像分辨率才取决于显微物镜的数值孔径(NA);反之,系统的成像分辨率则取决于CCD的数值孔径。采用无透镜傅里叶变换全息记录光路,对美国空军分辨率测试板进行了实验研究,结果表明再现像在水平和垂直方向的极限分辨率分别为3.91μm和4.38μm,与理论分析相吻合。对条纹物体进行了全息图的模拟记录和再现,结果与理论分析相一致。     

彩色数字全息波前重建算法概论

基于单色CCD记录彩色数字全息图的光学系统及衍射的数值计算理论,综合评述彩色数字全息波前重建的常用算法。对一种只适用于静态物理量检测的波前重建算法做了重要改进,不但消除了频谱混叠对重建光波场的影响,而且让该重建算法适用于动态物理量的实时数字全息检测。并将研究工作推广于彩色CCD记录彩色数字全息图的光学系统,给出了三色光照明下重建物体彩色图像的实例。     

基于GPU的分布式全息孔径数字成像技术研究

分布式全息孔径数字成像技术是利用数字全息记录各子孔径的复振幅信息,通过孔径间相位拼接实现综合成像的一种主动成像技术。在远距离成像中,大气湍流引入的子孔径内高阶相位误差和子孔径间低阶相位误差,以及孔径间的位置失配误差,都会影响成像质量。随机并行梯度下降算法(SPGD)是一种无波前探测优化控制算法,具有可以并行、快速收敛、高效可靠等优点,可用于校正系统孔径内高阶和孔径间低价相位误差。但是SPGD算法需要多次迭代,运算量巨大,难以满足实时性要求。文章基于GPU平台,对高、低阶相位误差校正进行了并行加速处理,运算速度较CPU平台分别提升26.42倍和36.47倍。此外,采用AKZAE算法校正各子孔径间的位置失配误差,完成了各子孔径复振幅的拼接,最终实现了分布式四孔径的综合成像。     

数字成像时间平均全息振动分析

提出用时间平均数字全息与数字成像相结合的技术测量物体的振幅场,在时间平均数字全息光路中引入成像透镜,使时间平均数字全息技术适用于大尺寸物体的振动分析。阐述了该技术的基本理论,设计了测量光路,并用圆形压电陶瓷片作了实验验证。实验结果表明,在相同条件下,使用数字成像时间平均全息技术记录和再现的数字全息干涉图与使用传统的时间平均全息干涉计量技术记录和再现的全息干涉图相吻合,比较两者的振幅计算结果误差很小。