无规则相位畸变条件下数字全息成像方法研究

论文摘要

数字全息成像是现代计算成像技术的一种,具有快速灵活、数字聚焦、能同时定量获取物体强度像和相位像等特点,是目前相位成像技术中研究最多应用最为广泛的一种,在生物医学、海洋生物学、微纳材料与光子学等众多学科有很好的应用前景。目前,数字全息成像研究主要集中在提高分辨率、消除共轭像、抑制散斑噪声等方面,很少考虑目标物体周围介质引起的无规则相位畸变的影响。而在实际应用中,特别是成像视场较大时,物体周围介质引起的相位畸变会对数字全息成像质量产生较大的影响,甚至可以使传统的数字全息成像方法失效。本文针对这一问题,研究大视场高分辨率的数字全息成像技术,发展数字全息成像方法,克服无规则相位畸变的影响,提高其在水面浮游生物检测等方面的实用性。本文系统研究了数字全息成像原理、种类算法、性能特点,通过理论分析和数值模拟研究了无规则相位畸变对数字全息成像的影响。结果表明,无规则相位畸变条件下,应尽量缩小成像系统的记录距离,且相位畸变对再现像的影响主要集中在共轭像中。与离轴数字全息相比,同轴数字全息可以采用更小的记录距离。因此,本文主要通过研究同轴数字全息共轭像的消除方法,从而达到克服无规则相位畸变影响的目的。首先,发展改进了基于双平面记录的同轴数全息共轭像消除方法。针对传统双平面数字全息只适合同轴数字全息光路的问题,结合数字参考光技术,提出了一种广义双平面数字全息再现算法。对提出的算法进行了大量的模拟和实验研究,结果表明:该算法能同时适用于同轴数字全息光路和小角度离轴数字全息光路,具有较好的消除共轭像的效果,系统分辨率与传统同轴数字全息分辨率相同。为适应无规则相位畸变条件下的成像,提出了一种随机双平面数字全息成像方法。在双平面数字全息的基础上,改用具有随机相位分布的光照明待测物体,使无规则相位畸变条件下物体强度像的成像质量得到了较大的改善。其次,结合基于约束最优化的离轴数字全息再现算法和基于相位恢复的同轴数字全息再现算法,提出了一种同轴-离轴复合数字全息成像方法。该方法需记录一幅离轴全息图和一幅同轴全息图;采用约束最优化算法从离轴全息图中得到记录平面内物光波的近似相位分布;将此相位信息与同轴全息图的强度信息合成记录面内物光波复振幅的初始值;再利用相位恢复迭代算法实现物体强度像和相位像的高分辨率重建。文中给出了两种实现同轴-离轴复合数字全息的记录光路和算法。一种是利用单波长光源,通过两次曝光分别记录同轴全息图和离轴全息图;另一种是利用两种不同颜色的激光器分别产生同轴全息图和离轴全息图,利用彩色数码相机同时记录同轴全息图和离轴全息图。数值模拟及实验结果表明:该方法兼具同轴数字全息和离轴数字全息的优点,能很好地重建物光场的低频相位信息,且具有较高的分辨率,其最小分辨距等于同轴数字全息图的采样间隔,成像视场等于图像传感器的面积。采用双波长记录光路时,可以实现对动态物体的大视场高分辨率数字全息成像。最后,将同轴-离轴复合数字全息用于无规则相位畸变条件下的大视场高分辨率数字全息成像。研究了无规则相位畸变的补偿方法,提出了一种基于主成分分析的相位畸变补偿方法,模拟及实验结果表明,利用本文提出的同轴-离轴复合数字全息成像方法结合主成分分析相位畸变补偿法,可以较好地实现对含无规则相位畸变物体的数字全息成像。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 数字全息的发展与分类
•   1.2 数字全息成像的国内外研究现状
•   1.3 数字全息成像中的相位畸变问题研究现状
•   1.4 数字全息成像的主要问题分析
•   1.5 本论文的主要研究内容
• 第2章 数字全息成像的基本原理
•   2.1 光的衍射传播
•     2.1.1 菲涅耳衍射积分
•     2.1.2 衍射的角谱传播
•   2.2 数字全息记录原理
•     2.2.1 全息图的产生
•     2.2.2 数字全息图的记录
•   2.3 数字全息的记录条件及成像分辨率
•   2.4 数字全息再现原理
•     2.4.1 原参考光方向照明离轴数字全息再现
•     2.4.2 垂直方向照明离轴数字全息再现
•     2.4.3 同轴数字全息再现
•     2.4.4 数字全息再现的强度像和相位像
•   2.5 无规则相位畸变对数字全息成像质量的影响
•     2.5.1 无规则相位畸变对光场分布的影响
•     2.5.2 无规则相位畸变对数字全息成像的影响
•     2.5.3 数字全息成像中相位畸变的允许范围
•   2.6 本章小结
• 第3章 基于双平面记录的数字全息成像方法
•   3.1 广义双平面数字全息成像方法
•     3.1.1 广义双平面数字全息原理
•     3.1.2 数字参考光的重构
•     3.1.3 广义双平面数字全息模拟研究
•     3.1.4 广义双平面数字全息成像的实验验证
•   3.2 基于随机双平面数字全息实现无规则相位畸变物体成像
•     3.2.1 无规则相位畸变条件下双平面数字全息成像模拟研究
•     3.2.2 无规则相位畸变条件下双平面数字全息成像实验验证
•     3.2.3 随机双平面数字全息的抗干扰性研究
•   3.3 本章小结
• 第4章 同轴-离轴复合数字全息成像方法
•   4.1 基于约束最优化的数字全息再现算法
•   4.2 单波长双曝光同轴-离轴复合数字全息成像
•     4.2.1 单波长双曝光同轴-离轴复合数字全息再现算法
•     4.2.2 单波长双曝光同轴-离轴复合数字全息模拟研究
•     4.2.3 单波长双曝光同轴-离轴复合数字全息实验验证
•   4.3 双波长单曝光同轴-离轴复合数字全息成像
•     4.3.1 双波长单曝光同轴-离轴复合数字全息成像方法
•     4.3.2 双波长单曝光同轴-离轴复合数字全息模拟研究
•     4.3.3 双波长单曝光同轴-离轴复合数字全息实验验证
•   4.4 本章小结
• 第5章 基于主成分分析的无规则相位畸变补偿方法
•   5.1 基于主成分分析的相位畸变补偿原理
•     5.1.1 主成分分析的奇异值分解实现方法
•     5.1.2 基于主成分分析的相位畸变补偿算法
•   5.2 基于主成分分析的相位畸变补偿的模拟研究
•     5.2.1 一次（倾斜）相位畸变的补偿
•     5.2.2 二次相位畸变的补偿
•     5.2.3 无规则相位畸变的补偿
•   5.3 含无规则相位畸变物体的数字全息成像
•     5.3.1 模拟研究
•     5.3.2 实验验证
•   5.4 本章小结
• 总结和展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王凤鹏

导师: 王大勇

关键词: 数字全息,无规则相位畸变,双平面,复合数字全息,主成分分析

来源: 北京工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,计算机软件及计算机应用

单位: 北京工业大学

分类号: TP391.41;O438.1

DOI: 10.26935/d.cnki.gbjgu.2019.000406

总页数: 134

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