高平山[1]2003年在《用计算机实现数字全息的方法研究》文中认为数字全息是当前光学全息术研究的一个热点。它是通过计算机用数字重现的方法代替光学再现重现物光波。与传统的光学全息相比，数字全息可消除像差、噪声以及记录过程中底片非线性等因素的影响，整个过程简单，有利于进行定量分析和测量。并且也便于图像的数字化存储和处理，有利于全息术的更广泛的应用。 文章中介绍了数字重现的理论基础和方法实现。数字重现技术以标量衍射理论为其理论基础，与传统的光学全息一样，数字重现也分两个步骤：记录和再现。记录过程也是利用干涉原理记录物光波，所不同的是记录介质。数字重现技术使用CCD代替干版直接记录下菲涅尔全息图，通过数字计算的方法再现物体的像。文章中还讨论了数字重现技术在二次曝光过程中的应用。 作者针对全息图记录中低的CCD分辨率，合理地分析了实验条件，完成了应用CCD直接记录菲涅尔全息图的实验设计。本文的重点在于数字重现的程序实现。该程序以Visual C++为开发工具。C++语言在指针和数组方面的强大功能，以及面向对象技术，极大地方便了程序的编写。程序中，对位图的属性和处理方法进行封装，以便于实现对位图类进行各种操作和处理。Fresnel变换是该程序的核心，Fresnel变换中可以应用逆Fourier变换，计算中可以利用快速傅立叶算法(FFT)提高程序的执行效率。 作者使用自己设计的程序成功地再现了物体的像，并应用该程序验证了全息图的不可撕毁性。 目前，CCD低的分辨率是数字重现技术的最大的制约因素。CCD低的分辨率限制了物光和参考光之间地夹角，使得实验精度要求很高。随着CCD技术的发展，分辨率的提高，数字全息技术必将得到广泛使用。
黎南[2]2007年在《数字全息理论及应用研究》文中研究表明数字全息是随着现代计算机和CCD技术发展而产生的一种新的全息成像技术，是当前干涉计量领域的一个研究热点。它是通过CCD记录全息图，用计算机模拟数字重现的方法代替传统光学再现物光波。实现了全息的记录、存储和重现全过程的数字化。在力学测量、形貌和变形测量、透明场测量、细胞培养观测、微电路检测、粒度分析等方面，数字全息能够充分发挥其特点和优势，有着广泛的应用前景。本文尽可能总结国内外迄今发展的数字全息技术的成果，主要介绍数字全息技术的基本原理、记录机理以及记录条件，数字全息重建中的主要方法、特点以及数字全息技术以其独特的优点在各个领域中的应用。并针对几种主要的重建方法进行计算机模拟，分析这些方法的特点、异同及其适用的范围。在数字全息的应用部分，主要介绍数字全息在叁维形貌测量及粒子场测试的基本理论和实现方法。衍射是研究数字全息的基础，因此掌握标量衍射理论显得尤为重要。在学习和掌握衍射理论的过程中，本文研究了一维周期振幅型光栅在不同照明条件下的光波场分布，理论上获得了平面波和球面波照明条件下的菲涅耳衍射场的分布特征，并给出实验证明。根据研究结果，提出一种测量光栅常数的方法，并将该方法与用分光计测量的结果进行比较。通过实验证实了所提出方法的可行性。
沙贝[3]2016年在《基于数字全息的快速和高分辨波前测量和衍射成像方法研究》文中指出数字全息的快速和高分辨成像是数字全息领域里两个基本的研究问题。数字全息根据参考光和物光的夹角,可分为同轴数字全息和离轴数字全息。同轴数字全息和离轴数字全息各有优缺点。理论上,同轴数字全息图的频带宽度是物波带宽的两倍,而能够使物波频谱和零级像频谱分开的离轴全息图的带宽一般要大于等于物波带宽的四倍,因此离轴数字全息对图像传感器的带宽要求比同轴数字全息更高,即对图像传感器的空间分辨率要求更高;但是离轴数字全息有其优点,即物波的频谱和零级项以及共轭项的频谱是分开的,可以通过空间滤波的方法直接提取出物波项,因此它具有再现算法简单、易于实现快速成像的优点。从另一个角度说,采用同样的图像传感器,同轴数字全息可以实现更高横向分辨率的再现像,但是同轴数字全息的物波像、共轭像和零级像迭加在一起,提取物波像,需要通过算法(如相移法)来消除共轭像和零级噪声的影响,而相移算法一般至少需要相移前后的两幅全息图,这使得快速成像受到限制。离轴数字全息,还可以再划分出微离轴数字全息,它兼具有同轴数字全息和离轴数字全息的特点,可以实现快速和高分辨成像。本论文重点研究了离轴数字全息的快速成像算法、同轴数字全息的高分辨成像方法以及微离轴数字全息的的快速和高分辨成像方法。论文主要研究内容包括:1.研究了数字全息成像的特点。推导了数字全息成像系统的点扩展函数,并据其得出再现像的横向分辨率表达式,研究了图像传感器所有像素的积分效应对分辨率的影响。推导了数字全息图的记录距离要求,根据此要求得出了采用菲涅尔变换方法得出的再现像的横向分辨率一般低于图像传感器的分辨率。2.提出了一种基于数字空分复用的离轴数字全息图快速成像算法——空分复用(SM)算法。本算法主要基于离轴全息图的带宽通常都大于或等于物波带宽的四倍的特性,首先将四幅离轴全息图进行与参考波倾斜方向垂直的方向的平移,然后相加,形成一个数字空分复用全息图。这四幅全息图分别平移不同的角度,使其频谱在数字空分复用全息图的频谱中彼此分开。接下来,对这个数字空分复用全息图进行1.25维的傅里叶变换(1.25D-FT),则可以得到四幅分离的物波的频谱。最后,再分别对这四幅分离的物波频谱进行逆傅里叶变换就可以得到所要恢复的四个物体的波前信息。SM算法,通过一次1.25维傅里叶变换,获得了四幅全息图的频谱信息,大大减少了计算量,从而加快了全息图的重建速度。3.提出了一种基于复数编码和空分复用的离轴数字全息图快速成像算法——复空分复用(CSM)算法。该算法是SM算法的进一步发展,可以实现通过一次2D-FT,获得八幅物波的频谱信息。该算法采用复数编码方法,将每两幅全息图一个做实部,一个做虚部构建成一个复全息图,再用空分复用编码的方法,将构建的四个复全息图编码成一个复空分复用全息图。对这个复空分复用全息图做2D-FT,首先可以得到四个复全息图的频谱信息,再通过解析关系式得到八个全息图的频谱信息,对这八个频谱做逆傅里叶变换,就可以恢复出原始记录的八个物体的波前信息。这个方法,用一次傅里叶变换,同时进行了八幅全息图的傅里叶变换,所以这个算法比空分复用算法更进一步减少了计算量,提高重建速度,并且没有降低再现像分辨率。4.提出了一种基于相位差分的微离轴数字全息图波前重建算法——相位差分(PD)算法。该算法是根据离轴数字全息(包括微离轴的情况),其全息图记录的物波的相对相位对空间的一阶导数总是小于等于零的特性,推出了物波相对相位的绝对值对空间的一阶导数的符号与物波相对相位的符号之间的关系。根据这个关系,对限制在[0p]之间的物波相位进行校正,恢复出其在[-pp]或[0 2p]之间相位信息。本方法采用相位对空间求导或相位差分的方法,只涉及到局域运算,不涉及积分或迭代,特别适用于大尺寸微离轴数字全息图的重现。5.提出了一种同轴数字全息的波前重建算法——零差(ZD)算法。零差算法是通过相移前后的两幅全息图光强不变的点,求出实验记录时未知的相移量,并根据相移量计算出物波波前的振幅和相对相位信息。这个算法,采用盲相移记录两幅全息图,避免了精确的相移的要求,使得相移算法的适应性更广。对以上这四种算法的可行性和准确性都给出了具体的理论分析和实验验证。
贾昉[4]2008年在《数字全息原理及应用的研究》文中研究说明数字全息是一种全新的获取光学信息的方法,它是传统的全息术和数字技术相结合的产物。随着计算机技术和高分辨率图像传感器的飞速发展,数字全息技术的优势正在越来越明显地显示出来,其应用范围已涉及叁维形貌测量、形变测量、粒子场测试、显微和防伪等许多领域。本文的研究目的是深入探讨数字全息记录和再现的原理,改进和完善数字全息再现算法,扩展数字全息技术的应用领域,为数字全息的实用化提供理论指导和实践经验。本文的主要研究内容和成果为:对数字全息图的记录过程建立了数学模型,以此数学模型为基础,对离轴数字全息和同轴相移数字全息的采样条件进行了探讨。对两种常用的离轴全息光路——菲涅耳离轴数字全息和离轴无透镜傅里叶变换数字全息进行了深入的理论研究,在菲涅耳近似的前提下,导出了它们的频谱分离条件、采样条件、最小记录距离、离轴参考光对再现像的影响和系统的空间带宽积。研究了数字再现的核心问题——衍射计算。以衍射理论和离散时间信号理论为工具,设计出两种新的采样参数可以灵活设定的再现算法——任意采样的菲涅耳变换法和离散线性卷积法,这两种算法是传统的菲涅耳变换算法和卷积法的改进和完善。用理论推导和计算机模拟两种方法深入地研究了数字全息的点扩散函数。通过点扩散函数分析了不同再现算法在各种情况下的表现,定量地得到了CCD采样和积分效应对再现像的影响。为数字全息系统的设计提供了依据。对数字全息在叁维形貌测量和显微领域的应用进行了实验研究。提出了两种新的扩大数字全息视场的方法——预成像法和基于精密旋转的图像拼接法,并将它们用于大尺寸物体的叁维形貌测量,利用离轴菲涅耳数字全息成功地测量了一块香皂和一个人嘴石膏模型的叁维形貌,使数字全息叁维形貌测量可用于几十厘米的大尺寸物体。利用预放大数字全息显微检测了一个微透镜阵列的面型缺陷。用Matlab6.5的图形用户界面开发工具(GUIDE)开发了一套数字全息软件,可用于数字全息显微、叁维形貌测量、位移和形变测量的数据处理和结果显示。
王洪涛[5]2008年在《基于CCD/EALCD的数字全息记录与再现的研究》文中进行了进一步梳理通常所说的数字全息大多都是基于用CCD记录全息图,用计算机模拟实现数字全息的再现。本文提出一种新的数字全息方法,将电荷耦合器件CCD(charge-coupleddevice)与电寻址液晶EALCD(Electrically addressed Liquid Crystal Display)相结合的数字全息技术,CCD作为记录元件,用于全息图和全息再现像的记录,EALCD则代替传统光学全息中的记录介质,用于数字全息图的再现。这种方法不仅避免了传统的全息记录材料显影、定影等过程,也避免了全息材料非线性记录等缺点,并可以实现普通的数字全息较难实现的基于位相移法的叁维测试。为了验证该方法的实用性,在实验中对反射式被测物体和透射式被测物体进行了傅里叶变换全息图的记录与再现,同时也对计算机生成的傅里叶变换全息图的再现进行了实验研究。实验结果表明,CCD与EALCD相结合,不但可以实现数字全息图的光学再现,而且可以实现数字全息图的实时记录与再现,可应用于数字全息干涉测试。
张志会[6]2012年在《数字全息显微术中的位相解包裹算法研究》文中研究表明数字全息术是一种可用于叁维微结构非接触、准实时、高灵敏、高精度、高分辨且全场可视化测量与表征的新型全息方法。位相解包裹是实现数字全息叁维重构中的一个重要环节,它的准确性直接影响到数字全息测量的精确性。然而,在实际应用中,由于噪声、阴影及欠采样等因素的影响,高精度位相解包裹成为一个非常困难的问题。30多年来,虽然国内外学者提出了很多算法,但还没有一种算法能够完全解决位相解包裹中的所有问题,因此有必要对位相解包裹算法进行深入的研究,找到适合于数字全息显微术中不同情况下的最优位相解包裹算法。本论文通过理论分析、计算机模拟和实验验证,对位相解包裹算法在数字全息显微术中的应用进行了系统的研究,取得了一些有意义的结果,主要内容如下：1.通过对目前主流的位相解包裹算法进行归纳,按照比较科学的、实用的方法将位相解包裹算法进行详细的划分,将其分为五类,并且详细地阐述了各类算法的基本思想、优缺点及适用范围；对于各类中的经典算法的基本原理及优缺点也进行了比较详细的分析和比较。2.主要阐述了最小范数法和基于傅里叶变换的位相解包裹算法的基本原理和步骤,比较了这两类算法中有代表性的几种算法的优缺点,并用计算机模拟和实验进行了验证。3.对综合性的算法进行了比较深入的研究,阐述了综合性算法的主要分类以及各自的优缺点；针对干涉特征不同的干涉图像的位相解包裹问题,提出了一种改进的基于图像分割与合并的位相解包裹算法,计算机模拟和实验验证了改进算法的有效性。4.通过软件Matlab7.0编程实现了十二种比较经典的位相解包裹算法,并且将其应用于洋葱和中药饮片海金沙细胞的数字全息位相重建中。通过比较这十二种位相解包裹算法的性能,找到了适合于数字全息显微术中不同情况下的最优位相解包裹算法。5.将数字全息显微术用于中药饮片细胞形貌表征中,获得了细胞大小及其形态特征,为中药饮片显微鉴别提供了新途径。
梁柳娟[7]2005年在《数字全息技术的初步研究》文中研究说明数字全息是当前全息术研究的一个热点。它用电荷耦合器件CCD代替普通全息记录材料来记录全息图,用计算机数字处理和显示技术取代光学衍射来完成物体的重现,实现了全息图的记录、存储和重现过程的数字化。与传统的光学全息相比,数字全息可以消除噪声以及记录过程中底片非线性等因素的影响,整个过程简单,有利于进行定量分析和测量;并且便于图像的数字化储存和实时处理,有利于全息术更广泛的应用。 本论文从理论分析、计算机仿真和实验叁个方面对数字全息技术进行了初步的研究,主要完成了以下工作: 首先,介绍了传统的光学全息术和数字全息技术的基本原理,以离轴菲涅耳全息为例对数字全息的记录条件、数值重现算法、以及相关的数字图像处理方法进行了详尽的理论分析。 其次,完成了数字全息记录及重现程序的编写。对平面物体和理想叁维物体的全息图记录和重现过程进行计算机仿真,制作了离轴全息图,并对全息图进行了数值重现。为了消除重现像中的零级亮斑以及共轭像,采用数字相减法和频谱滤波法对全息图进行了处理。 最后,本文从光学全息实验入手,针对作为全息图记录介质的CCD分辨率(目前远赶不上全息干板),合理地分析了实验条件,完成了应用CCD记录离轴菲涅耳数字全息图的实验设计。利用数值重现程序成功地重现出了物体的像,并用数字相减法和频谱滤波法对全息图进行处理,很大程度上降低了零级亮斑和共轭像对重现像的不良影响,改善了重现效果。本文还对实验结果进行了量化分析,测量结果验证了理论分析和实验方法的正确性。 本论文有机地结合了数字全息技术和光学全息技术,探讨了数字全息的记录条件和数值重现算法,完成了数字全息技术研究中的基础性工作。论文所做的理论分析、计算机仿真和实验为今后数字全息技术进一步的深入研究提供了有益的帮助和借鉴。
潘哲朗[8]2016年在《微小生物体的数字全息显微层析成像技术研究》文中提出在生物医学领域的研究中,成像分析测试设备是观测细胞与生物组织的结构形态和生命状态的重要工具,其中显微成像仪器是生命科学研究中最常用的成像工具。传统的光学显微镜只能获取物光波强度的二维分布图,并不能给出被测物体的叁维空间信息,难以满足日益发展的生物医学研究的要求。光学显微层析成像技术就是一种能实现样品内部叁维结构测量的技术手段。但是典型技术包括光学投影层析术和激光扫描共聚焦显微术等都是以测量光强度为基础,对于相位型生物样品和低散射样品的成像对比度低,而且是利用共聚焦技术逐点扫描,存在成像速度慢的制约。因此,发展新的光学显微层析成像技术,对细胞、微小生物组织等样品实现无扰、高分辨、定量的显微分析是目前生物医学研究迫切需求的。数字全息显微层析成像技术就是近几年发展起来的一种新型叁维成像技术,首先全息记录下待测物体在各个观测角下的数字全息图,数值再现出全角度下的复振幅数据,然后运用一定的重建算法重构出物体内部结构的叁维折射率分布。它具有成像速度快、宽光束照射且所需光功率低、无需荧光标记可实现无扰分析以及具有高空间分辨率的优点。作为一种高分辨率的安全无损的内部结构叁维成像技术,如果成功开发无疑能够为生命科学、临床医学、生物技术、新材料和制药等高新技术的发展提供先进和安全的检测技术和研究工具,因此数字全息显微层析成像技术的研究具有重要的科学意义和应用价值。本文首先针对影响层析重建像质量的关键问题,即数字全息显微再现像的像质优化问题展开了一系列的研究,具体内容包括:研究数字全息显微记录光路结构参数的优化设计,对叁种典型记录光路的系统成像分辨率进行理论分析和比较,并给出实验结果证明像面数字全息记录方式是一种最优化的全息记录和成像方式;对像面数字全息图数值再现波前的主要畸变进行了分析,提出适合数字全息显微层析成像应用要求的波前校正方法;针对层析成像实验中样品旋转时的轴向移动所导致的记录像的离焦问题,对数字全息显微成像数值再现中的最佳再现距离的自动判定进行研究,提出基于累积边缘检测的自动聚焦判定方法。给出实验结果证明上述各方法的正确性与可靠性。对数字全息显微层析成像系统进行整体设计和搭建,在Mach-Zenhder型透射式的像面离轴数字全息显微记录光路的基础上,对物光路中的样品环境进行设计和具体的配置,创造出满足层析重建算法的光路环境,设计样品定位标记并提出相应的校正样品移位误差的处理方法。在投影采集光路系统中加入基于单片机开发的样品角度自动转动装置,并基于Matlab语言开发出相关的交互式控制程序,实现对样品旋转与数字全息图采集的联动控制。结合傅里叶投影切片理论深入研究数字全息显微层析成像的理论模型,给出将数字全息显微投影数据用于执行层析重建算法重建出物体内部折射率分布的基本原理和计算机实现步骤。研究分析算法的重建准确度、计算效率、抗噪鲁棒性等性能并对算法进行优化,通过数值模拟验证了将数字全息显微术与层析成像术相结合重建物体内部折射率分布的可行性与可靠性。结合傅里叶衍射投影理论深入研究数字全息显微衍射层析重建的理论模型,推导出像面数字全息显微记录方式下的衍射层析重建公式,获取衍射层析重建所需的透射场数据。对基于傅里叶衍射投影定理的两种衍射层析重建算法进行研究,并分别给出具体的计算机实现步骤。通过数值模拟验证了在衍射不能忽略情况下将数字全息显微术与衍射层析成像术相结合重建出物体内部折射率分布的可行性与可靠性,并对两种算法的重建准确度、计算效率、抗噪鲁棒性等性能进行了对比分析。用单模光纤和保偏光纤分别模拟圆柱对称和非圆柱对称结构的显微生物组织,并以半透明线状结构的微虫作为实际生物样品,用本文的数字全息显微层析成像系统进行实验研究。根据样品圆柱对称的结构特点,提出只用单幅像面全息图获取的散射场数据执行层析重建算法,并针对相位畸变补偿的不彻底所导致的重建像畸变,提出了有效消除重建误差的处理方法。实验结果均表明,在衍射不能忽略情况下,傅里叶衍射层析重建算法比基于傅里叶投影切片定理的层析重建算法更适合用于对显微生物样品的叁维折射率分布的精确测量。本文最终实现了对截面40微米左右直径大小的微小生物体的层析重建,从而为微小生物样品内部结构的无损、定量测量提供了新的途径。
陈蔓丽[9]2007年在《彩色数字全息水印技术研究》文中进行了进一步梳理数字信息安全是目前人们关心的焦点，也是当今研究的热点和难点。其中，数字信息存储、传输的安全问题及其版权保护问题尤其引人关注。本文结合计算全息、数字全息与数字水印技术，研究彩色数字全息水印技术，并将其应用于以彩色图像为代表的多媒体信息安全领域。本论文主要的工作包括叁部分。1、在研究计算机制全息图(CGH)特点和数字再现的基础上，提出了一种傅里叶CGH数字再现混迭消除的编码方法。通过在空域扩展待编码图像的范围，实现了数字图像的博奇型傅里叶CGH的制作。该编码方法解决了傅里叶CGH再现过程中图像混迭的问题，从而，可以得到清晰的再现图像。2、研究了彩色数字全息技术。根据菲涅耳CGH和傅里叶CGH的不同特点，实现了数字图像的彩色CGH的编码制作和数字再现，为彩色数字全息水印技术的研究打下了基础。3、研究了彩色数字全息水印技术，将彩色CGH作为水印图像嵌入到彩色宿主图像中，大大提高了水印的信息量。提出了基于JPEG模型的彩色数字全息水印嵌入算法和基于小波变换的彩色数字全息水印嵌入算法。并实现了彩色CGH水印的提取。实验结果表明，这两种算法具有良好的安全性和抗攻击性。
朱杰[10]2007年在《数字全息中消除零级衍射光及背景噪声的研究》文中研究表明数字全息是光学全息与计算机技术相结合的一种新的光学技术。它除具有普通光学全息的优点外，还有其特殊的优越性。主要表现在省去干板的化学处理和能较为方便得到观察方向上的光场相位。数字全息是近年来信息光学前沿研究的一个热点，但是理论研究还不够系统和成熟。在进行数字全息重现时，尽管利用离轴参考光的方法已经将几种衍射像在成像平面上分离，但零级亮斑与共轭像造成的干扰，仍然会使重现像暗淡不清晰。因此，将零级亮斑和共轭像去除就显得尤为重要。本论文的主要工作是讨论了数字全息中消除零级衍射光及背景噪声的方法。本文以铝垫圈微小转动过程的数字实时全息检测为例，对散射光数字实时全息技术的特点进行了简要讨论，并且，在研究中对基于一幅及两幅全息图的消零级衍射光技术进行了比较。结果表明，在大于CCD响应时间的前提下，尽可能选择小的测量时间间隔是实现正确测量的关键。此外，消除零级衍射光技术可以显着提高测量结果的信号噪声比，但对于实时检测，应尽可能使用一幅干涉图的消零级光技术才能保证测量质量。
参考文献：
[1]. 用计算机实现数字全息的方法研究[D]. 高平山. 首都师范大学. 2003
[2]. 数字全息理论及应用研究[D]. 黎南. 昆明理工大学. 2007
[3]. 基于数字全息的快速和高分辨波前测量和衍射成像方法研究[D]. 沙贝. 山东师范大学. 2016
[4]. 数字全息原理及应用的研究[D]. 贾昉. 西北大学. 2008
[5]. 基于CCD/EALCD的数字全息记录与再现的研究[D]. 王洪涛. 长春理工大学. 2008
[6]. 数字全息显微术中的位相解包裹算法研究[D]. 张志会. 河北工程大学. 2012
[7]. 数字全息技术的初步研究[D]. 梁柳娟. 大连理工大学. 2005
[8]. 微小生物体的数字全息显微层析成像技术研究[D]. 潘哲朗. 暨南大学. 2016
[9]. 彩色数字全息水印技术研究[D]. 陈蔓丽. 暨南大学. 2007
[10]. 数字全息中消除零级衍射光及背景噪声的研究[D]. 朱杰. 昆明理工大学. 2007