基于迭代最小二乘的数字全息相位提取技术

摘要

数字全息在成像记录过程中可利用不同的光路结构得到不同类型的全息图，即同轴、离轴数字全息图。同轴数字全息不仅光路结构简单，还能充分利用相机的空间带宽。离轴数字全息光路结构较为复杂，在频谱空间内全息图的原物像和共轭像、零级像分离，利用该特点可实现单张全息图提取原物像相位并检测。同轴、离轴数字全息技术各具优点，广泛应用于精密仪器检测、生物显微测量、物体三维形貌和形变监测、温度场测量等研究领域。在数字全息技术的原物像再现阶段，零级像和共轭像的存在影响着原物像的再现质量。因此如何能够更好地抑制零级像和共轭像、尽可能地增强原物像的再现质量，具有重要的学术价值和应用意义。
　　本课题“基于迭代最小二乘的数字全息相位提取技术”，利用最小二乘迭代拟合的思想处理同轴、离轴数字全息图像。通过算法上的设计，有效地抑制了零级像和共轭像，进而更高质量地实现相位再现。本论文主要研究内容如下:
　　首先，系统阐述全息成像的基本理论。从全息成像所涉及到的光学知识入手，简单介绍菲涅尔衍射的基本理论知识，重点分析数字全息技术中的再现与记录原理和分类依据，分别介绍传统的同轴、离轴相位提取技术，并分析了这些技术存在的不足。
　　其次，针对同轴、离轴数字全息，展开研究基于迭代最小二乘的相位提取技术。研究的迭代最小二乘同轴数字全息相位提取技术在记录相移全息图时实现了相移随机化，再现相位时实现了算法自动化，相较于传统同轴数字全息相位提取的三步、四步相移法，该技术更具有一般性，应用范围更广。研究的迭代最小二乘离轴数字全息相位提取技术完全在空域进行，再利用无样品全息图去除载波分量，相较于传统离轴数字全息相位提取的频域变换法，该技术避免了在频域内的滤波、定位等繁琐操作，可高质量地完成相位再现。
　　再次，针对含有载波的轻微离轴、大离轴数字全息，展开研究可以抑制载波的相位提取技术。针对同轴图像采集设备因环境干扰或实验装置不稳定等因素，在记录过程中引入载波而生成的轻微离轴数字全息图，研究了基于迭代最小二乘的轻微离轴数字全息载波相位共提取技术，该技术能有效提取并抑制载波分量，高质量地完成相位再现。针对大离轴数字全息图，结合空间移位技术、相移展开技术，提出了基于迭代最小二乘的离轴数字全息载波相位共提取技术。相较于其他离轴相位提取技术，该技术仅仅利用单张离轴全息图即可精确求取载波（提取精度为10-5rad/pixel），并在相位提取的过程直接抑制载波分量，不需要无样品全息图，方便且高质量地完成相位再现。
　　最后，利用MATLAB对本课题算法的可行性、适用性和相位提取质量进行了模拟球状物、普通图片以及实物图的验证。本课题研究的相位提取技术是在空域迭代完成的，耗时较长。因此，通过利用OpenCV和GPU对提出的技术进行了加速，加速效果显著。为了满足实际工程的需求，进一步利用VS和MFC设计并实现了基于GPU的离轴数字全息载波相位共提取应用系统，方便了工程应用与用户使用。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究的背景及意义

1．2数字全息技术概念与发展

1．2．1传统全息术

1．2．2数字全息术

1．3国内外研究现状

1．3．1数字全息技术研究现状

1．3．2最小二乘数字全息相位提取技术研究现状

1．4课题主要研究内容及工作安排

第2章数字全息技术基本理论

2．1菲涅尔衍射

2．1．1菲涅尔衍射近似

2．1．2菲涅尔衍射的数值计算

2．2数字全息基本原理

2．2．1数字全息记录与再现

2．2．2数字全息的分类

2．3传统数字全息相位提取技术

2．3．1同轴数字全息相位提取技术

2．3．2离轴数字全息相位提取技术

2．4本章小结

第3章迭代最小二乘数字全息相位提取技术

3．1迭代最小二乘同轴数字全息相位提取技术

3．1．1迭代最小二乘同轴数字全息相位提取技术的原理

3．1．2迭代最小二乘同轴数字全息相位提取技术的仿真

3．1．3迭代最小二乘同轴数字全息相位提取技术的验证

3．2迭代最小二乘离轴数字全息相位提取技术

3．2．1迭代最小二乘离轴数字全息相位提取技术的原理

3．2．2迭代最小二乘离轴数字全息相位提取技术的仿真

3．2．3迭代最小二乘离轴数字全息相位提取技术的验证

3．3本章小结

第4章抑制载波的迭代最小二乘数字全息相位提取技术

4．1迭代最小二乘轻微离轴数字全息载波相位共提取技术

4．1．1迭代最小二乘轻微离轴数字全息载波相位共提取技术的原理

4．1．2迭代最小二乘轻微离轴数字全息载波相位共提取技术的仿真

4．1．3迭代最小二乘轻微离轴数字全息载波相位共提取技术的验证

4．2迭代最小二乘离轴数字全息载波相位共提取技术

4．2．1迭代最小二乘离轴数字全息载波相位共提取技术的原理

4．2．2迭代最小二乘离轴数字全息载波相位共提取技术的仿真

4．2．3迭代最小二乘离轴数字全息载波相位共提取技术的验证

4．3本章小结

第5章基于OpenCV和GPU的加速和光学图像处理系统设计与实现

5．1．1整体加速分析

5．1．2并行计算设计

5．1．3实验结果

5．2离轴数字全息载波相位共提取应用系统的设计

5．2．1开发环境的选择

5．2．2系统界面的设计

5．3离轴数字全息载波相位共提取系统的实现

5．3．1图像读取模块

5．3．2图像处理模块

5．3．3图像输出模块

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢