基于空间光调制器的非相干数字全息单次曝光研究

菲涅耳非相干相关全息术(Fresnel incoherent correlation holography,FINCH)利用在空间光调制器(spatial light modulator,SLM)上加载双透镜模式对同一物点光分束自相干,并通过改变加载的相位因子得到不同的相移全息图.本系统利用SLM可分区编码调制特性,将FINCH成像中SLM上分三次加载的0°,120°,240°相位双透镜掩模各提取1/3组成一幅复合相移模式加载,并研究了三种相位分布方式对FINCH成像质量的影响.结果表明:三个相位在SLM上分布间隔越大,再现像越清晰.在此基础上,提出了一种新的掩模加载方式,在SLM加载透镜阵列,每一个相位因子对应一个双透镜,具有一个光轴.实验表明,通过这种加载方式,通过SLM后形成的三个相移图能够一次在电荷耦合器上记录,并且三个相移图不重叠,然后通过MATLAB编程计算将不同相移角度的全息图分别提取出来,通过三步相移计算合成一幅包含有物光波的复值全息图,最后通过数值再现算法重建待测样品.此系统可用于对光源相干性较低的实时成像系统,也为微小形变测量、动态物体的观测提供了新方法,为非相干数字全息术的发展提供了新思路.     

图像传感器像素化效应对菲涅耳非相干关联全息分辨率的影响

作为复光场显微成像的一种新技术,菲涅耳非相干关联全息术(Fresnel incoherent correlation holography,FINCH)因其非相干光记录的特点在近年来受到关注.FINCH作为一种新型非相干全息系统,如何设计光路实现其最佳的分辨率是一个关键问题.然而,针对这个问题的讨论,目前已有文献存在不同的观点,有关FINCH最佳分辨率的成像条件仍有待研究.全息图有效孔径大小是决定全息成像系统分辨率的重要因素,在FINCH系统中,全息记录距离的变化则会引起全息图有效孔径发生变化,全息图的有效孔径大小不仅与光路各元件的孔径有关,还与相干光波相互干涉叠加区域的面积以及图像传感器的像素间距等因素有关.本文基于波动光学理论,结合FINCH全息图的波带结构特征,研究了FINCH全息图的有效孔径.研究发现数字全息记录相机的像素化特性是影响FINCH成像分辨率的决定性因素,并进一步通过数值模拟和光学实验验证了理论分析结果:全息图记录距离(Z_h)等于空间光调制器加载的衍射透镜焦距(f_d)时,FINCH系统的再现像将会达到最佳横向分辨率,且分辨率随成像距离|Z_h-f_d|的增大而降低.     

基于螺旋相位调制的非相干全息点扩散函数研究

分析了菲涅耳非相干相关全息(Fresnel incoherent correlation holography,FINCH)系统中纯相位空间光调制器(spatial light modulator,SLM)加载螺旋相位掩模时的点扩散函数.以氙灯为照明光源搭建了FINCH系统,电荷耦合器记录的点源全息图与点扩散函数模拟结果一致.采用该系统分别在SLM上加载双透镜掩模和螺旋相位调制双透镜掩模两种情况下对分辨率板和非染色洋葱细胞成像,给出了成像对比结果.结果表明:采用螺旋相位调制的FINCH系统可以在几乎不牺牲分辨率的情况下提高图像的边缘对比度;同样,对相位物体也可以实现图像的边缘提取和识别.该方法在实时监测活细胞的分裂、形变等方面具有重要应用前景.     

部分相干光被环形透镜聚焦而产生的焦移

 从理论上研究部分相干光被一环形透镜聚焦,在焦点附近的轴上点的光强分布。研究结果表明,当部分相干光被一环形透镜聚焦时,最大聚焦光强不在几何焦点,而是位于透镜与几何焦点之间,出现焦移现象。并且,焦移量不仅依赖于透镜外半径的菲涅耳数,还依赖于部分相干光的空间相干度和中心拦截比。透镜的菲涅耳数越小,焦移越大;部分相干光的空间相干度越低,焦移越大。当菲涅耳数一定时,环形透镜的中心拦截比越大,焦移越大;当空间相干度很小时,情况就变得比较复杂。     

菲涅尔数字全息的脉冲响应

数字全息是用CCD记录全息图并用计算机数值重建全息像的一种全息新方法.在数字全息中,通过对不同记录参数下记录的全息图的数值处理,可以消除零级光和共轭光,从而将数字全息系统看作是一个线性系统.本文依据全息理论和付里叶频谱分析,对菲涅尔数字全息系统的脉冲响应和分辨本领进行了理论分析.结果表明,在矩形等间隔抽样的情形下,菲涅尔数字全息的脉冲响应是由CCD有限大小的孔径衍射斑调制的矩形函数;菲涅尔数字全息的分辨率由CCD的孔径尺寸决定;由于CCD像素具有一定的大小,使得点光源的像发生弥散.     

部分相干光经柱面球差透镜聚焦所产生的焦移

利用Collins公式得出光强均匀部分相干光经柱面球差透镜聚焦后的轴上光强分布,并通过数值模拟的方法研究了入射光的菲涅耳数、相干度和透镜的球差对轴上点光强分布的影响.结果显示,当菲涅耳数较小、空间相干度较小的部分相干光经无球差透镜聚焦时,轴上点光强分布会产生焦移现象,而当部分相干光被球差透镜聚焦时,也会有焦移现象产生.     

菲涅耳数字全息成像系统的焦深

焦深是表征成像系统性能的重要参数.基于透镜相干成像的焦深判据,利用数值积分和计算机模拟的方法,分析和推导了菲涅耳数字全息成像系统的焦深,给出了相应的焦深表达式,并与利用理想成像四分之一波像差的判据得到的焦深进行了比较.结果表明:菲涅耳数字全息成像系统的焦深不同于透镜相干成像系统的焦深.在记录距离和CCD参数一定的条件下,离轴菲涅耳数字全息成像系统的焦深略大于同轴菲涅耳数字全息的焦深;离轴对称偏置情况下的焦深略大于非对称情况下的焦深.利用像强度判据得到的焦深,能够较好地表征数字全息成像系统的性能.     

等厚型平板菲涅尔透镜设计与研究

针对当前曲面菲涅尔透镜普遍存在的加工工艺复杂、面型精度难于控制、制作成本较高等问题,在研究非等厚型平板菲涅尔透镜设计方法的基础上,提出一种中心透镜为球面、外侧环带为倾斜面的等厚型平板菲涅尔透镜的设计方法,给出了具体的设计实例,并进行了建模和光学仿真,模拟结果表明:该菲涅尔透镜设计的光学效率达到90.7%。     

柱面球差透镜聚焦部分相干光束的焦移

通过定义聚焦光束的等效菲涅耳数,研究了部分相干光经柱面球差透镜聚焦后的轴上光强分布,得到了相对焦移的简单公式,即相对焦移反比于等效菲涅耳数的平方.结果表明,这种基于等效菲涅耳数的计算聚焦光学系统的焦移方法是计算部分相干光束经球差透镜聚焦相对焦移简单且有效方法.还讨论了一种特殊等效菲涅耳数为纯虚数情况.结果证明,在这种情况下,该相对焦移简单公式仍然有效.     

基于液晶空间光调制器的光束变换研究

搭建了基于液晶空间光调制器的光束变换光路系统,介绍了一种通过编写程序来实现特定的光束强度分布的方法。利用MATLAB编写了闪耀光栅、菲涅尔透镜、环聚焦透镜、柱面菲涅尔透镜、小孔以及衍射调制板的灰度光栅图,并将其加载于液晶空间光调制器上,成功实现了光束变换。     

基于位相变更的非相干数字全息自适应成像

菲涅耳非相干数字全息作为一种非扫描的三维成像技术具有其独特的优势,但其成像过程中会受到各种像差的影响,导致成像分辨率、再现像的质量降低.为了解决这一问题,可以结合适当的自适应光学技术对波前像差进行探测和校正.位相变更是一种基于两幅具有已知位相差的强度图像实现波前探测和像差校正的技术.本文发展了基于位相变更的非相干数字全息自适应成像技术,不需要引入引导星,利用全息记录过程中的两幅相移全息图,实现波前像差的探测.本文给出了所发展技术的数值仿真和实验结果,结合位相变更算法求解出系统像差的位相分布,将像差的共轭位相加载到光瞳面上,在全息图记录的同时校正像差,从而提高重建像的质量.     

Incoherent digital holographic spectral imaging with high accuracy of image pixel registration

Fresnel incoherent correlation holography(FINCH) is a unique three-dimensional(3 D) imaging technique which has the advantages of scanning-free,high resolution,and easy matching with existing mature optical systems.In this article,an incoherent digital holographic spectral imaging method with high accuracy of spectral reconstruction based on liquid crystal tunable filter(LCTF) and FINCH is proposed.Using the programmable characteristics of spatial light modulator(SLM),a series of phase masks,none of whose focal lengths changes with wavelength,is designed and made.For each wavelength of LCTF output,SLM calls three phase masks with different phase constants at the corresponding wavelength,and CCD records three holograms.The spectral images obtained by this method have a constant magnification,which can achieve pixel-level image registration,restrain image registration errors,and improve spectral reconstruction accuracy.The results show that this method can not only obtain the 3 D spatial information and spectral information of the object simultaneously,but also have high accuracy of spectral reconstruction and excellent color reproducibility.     

Review of Fresnel incoherent correlation holography with linear and non-linear correlations

Fresnel incoherent correlation holography(FINCH) is a well-established incoherent imaging technique. In FINCH, three selfinterference holograms are recorded with calculated phase differences between the two interfering, differently modulated object waves and projected into a complex hologram. The object is reconstructed without the twin image and bias terms by a numerical Fresnel back propagation of the complex hologram. A modified approach to implement FINCH by a single camera shot by pre-calibrating the system involving recording of the point spread function library and reconstruction by a nonlinear cross correlation has been introduced recently. The expression of the imaging characteristics from the modulation functions in original FINCH and the modified approach by pre-calibration in spatial and polarization multiplexing schemes are reviewed. The study reveals that a reconstructing function completely independent of the function of the phase mask is required for the faithful expression of the characteristics of the modulating function in image reconstruction. In the polarization multiplexing method by non-linear cross correlation, a partial expression was observed, while in the spatial multiplexing method by non-linear cross correlation, the imaging characteristics converged towards a uniform behavior.     

Elimination of zero-order diffraction in digital off-axis holography

A simple experimental method of eliminating zero-order diffraction in the reconstructed image of off-axis digital holography is presented. Holographic diffraction grating acting as a beam splitter, an off-axis holography system is formed. The holograms of object with different recording parameters are obtained by adjusting the reflecting mirror in the recording optical system to vary the incidence orientation of the object beam in CCD to introduce a phase shift. The zero-order image can be eliminated by numerically processing the holograms of object with different recording parameters. The theoretical analyses have been done in detail and the experimental results are also given. The zero-order image eliminated, the area of reconstructed image increases remarkably, the image quality can then be significantly improved and the better resolution obtained. The experimental results show that the method presented in this paper is feasible, simple in optical system and easy in operation and data processing.     

利用小尺寸电荷耦合器件实现数字全息高分辨成像

为了在降低数字全息显微成像系统成本的同时实现高分辨成像,对像面数字全息显微术的记录与再现过程进行了理论分析,结合系统的点扩散函数,对该系统的横向分辨率进行了分析. 得到了如下结论：像面数字全息显微系统的横向分辨率对电荷耦合器件（CCD）光敏面尺寸变化不敏感;对于常见的CCD 器件,其像元尺寸的变化对该系统的横向分辨率影响甚微. 此外,对像面数字全息显微系统的成像特点进行了分析,结果表明：利用像面数字全息系统可以实现物体信息的完整记录与再现,其成像分辨率及像质优于预放大数字全息系统. 利用搭建的数字全息实验记录系统,从强度及位相两方面对理论分析结果进行了验证,实验结果表明了理论分析的正确性. 关键词： 像面数字全息术 横向分辨率 点扩散函数 小尺寸电荷耦合器件     

一种消除数字离轴全息零级像的实验方法

提出一种消除数字离轴全息零级像的实验方法.这种方法是将全息衍射光栅作为分光元件,形成数字离轴全息记录系统,通过调节记录光路系统中平面镜,改变物光波到达CCD的入射方向而引入相移,从而得到不同记录参数的全息图.再通过对不同记录参数全息图的数字处理,即可达到零级像消除的目的,并对这种方法进行了理论分析和实验验证.给出了利用这种方法获得的实验结果.实验结果证明了该方案的可行性,并且具有光路系统简单、操作和处理容易等特点.     

球面参考光预放大数字全息成像系统分辨力

为了提高数字全息成像系统的成像分辨力,对以球面波作为参考光波的预放大数字全息成像系统的记录和再现过程进行了理论推导,得出了该系统的脉冲响应表达式,并由此分析了决定该系统成像分辨力的因素。在CCD成像分辨力高于显微物镜分辨力的情况下,通过对分辨力测试板进行实验,讨论了系统分辨力与记录距离的关系。结果表明:再现像的分辨力对记录距离不敏感;但在记录距离为零,即像面数字全息系统下,再现像具有更高的分辨力。实验结果与理论分析一致。