基于螺旋相位调制的非相干数字全息图像边缘增强研究

摘要

基于空间光调制器(SLM，Spatial Light Modulator)的非相干数字全息因具有光路简单，成像过程无需相干光源，也不需时间和空间上的扫描而备受关注。相比于传统的光学全息术，非相干数字全息系统对实验环境的要求较低，具有更广阔的应用空间。本文在对非相干数字全息成像系统理论分析的基础上，主要研究系统在图像边缘增强方面的应用。以波动光学理论为基础，分别给出了位相/振幅同时调制SLM和纯相位调制SLM两种情况下非相干数字全息系统的螺旋点扩散函数，并对影响系统记录过程、再现过程和系统成像分辨率的因素分别进行了论述。采用MATLAB软件分别对系统的三维成像特性和螺旋点扩散函数进行了模拟，并通过实验验证，得到了与模拟结果一致的实验效果。搭建非相干数字全息系统，研究了系统在双透镜和螺旋相位调制的双透镜两种模式下系统对振幅物体和相位物体的成像特性。论文的主要内容包含以下四个方面:
　　(1)论文第一章主要介绍全息术概念、相干数字全息术的原理以及几种图像边缘增强技术及其发展;提出本文的研究重点和主要内容。
　　(2)以菲涅尔衍射理论为基础，推导出基于双透镜相位的非相干数字全息系统的点扩散函数，分别给出了系统全思图、横向放大率和再现距离的数学表达式。介绍了消除同轴全息图再现过程的零级像和共轭像的三步相移技术，介绍了全息再现的角谱衍射算法，并对影响系统成像分辨率的原因进行了分析。
　　(3)模拟空间光调制器加载双透镜相位掩模时非相干数字全息系统的三维成像特性，并在实验上进行了验证。搭建非相干光照明反射式数字全息系统，对分辨率板进行成像实验获得了高质量的再现像，后对振幅物体（钢尺、硬币）和相位物体（染色和非染色的洋葱表皮细胞）分别进行了全息拍摄，获得了高质量的全息再现像。
　　(4)从波动光学角度出发，推导出基于螺旋相位的非相干数字全息成像系统的点扩散函数，实验上验证了系统的脉冲响应，得到了与点扩散函数模拟结果一致的结论，证明了点扩散函数表达式的正确性。验证了空间光调制器加载螺旋相位掩模时，系统的三维成像特性。分别对振幅物体（钢尺、硬币）和相位物体（染色和非染色的洋葱表皮细胞）进行全息拍摄，获得了高质量的全息再现像，并且都在一定程度上实现了边缘对比度的增强。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 全息术概述

1．1．1 数字全息术

1．1．2 非相干数字全息术的提出

1．1．3 非相干数字全息术研究现状

1．2 边缘增强成像与进展

1．3 本文研究的主要内容和结构安排

2 数字全息术的基本原理

2．1 标量衍射理论与菲涅尔衍射公式

2．2 非相干数字全息图的记录

2．3 非相干数字全息图的再现

2．3．1 同轴全息中的三步相移法

2．3．2 衍射积分的角谱算法

2．4 系统成像分辨率

2．5 本章小结

3 基于空间光调制器的非相干数字全息系统

3．1 系统三维成像特性模拟

3．2 系统基本成像实验

3．2．1 分辨率板成像

3．2．2 三维成像特性

3．2．3 振幅物体的全息拍摄

3．2．4 相位物体的全息拍摄

3．3 本章小结

4 螺旋相位调制非相干数字全息图像边缘增强

4．1 基于螺旋相位的系统点扩散函数

4．1．1 相位加振幅司割制系统点扩散函数

4．1．2 纯相位调制系统点扩散函数

4．2 螺旋点扩散函数模拟与验证

4．3 基于螺旋相位的系统成像实验

4．3．1 螺旋相位调制分辨率板成像

4．3．2 螺旋相位调制三维成像特性

4．3．3 螺旋相位调制振幅物体全息拍摄

4．3．4 螺旋相位调制相位物体全息拍摄

4．4 本章小结

5 总结与展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢