广义相移数字全息干涉术相移提取及波前再现算法的理论及实验研究

摘要

数字全息是近年来信息光学领域发展迅速的一个研究分支。它利用电荷耦合器件(Charge Coupled Devices，简称CCD)等光电记录器件以数字化的方式记录全息干涉图的强度信息并输入计算机，使用相应算法进行数据处理，获得原始物波信息。数字全息既拥有传统全息技术可以同时记录、再现物波振幅及相位信息的优点，又避免了传统全息的湿处理及难以精确复位等不便之处。同时结合了迅速发展的现代CCD技术及计算机图像处理技术，可以方便准确地实施数据及图像的量化记录、处理、存储、变换、加工、再现，实现光机算一体化。该技术已广泛应用于三维物体识别、振动分析、微小位移测量、形变检测、表面干涉检测、流体流速测量、粒子场测定、显微成像、生物医学诊断等方面。 使用离轴数字全息虽然可以将再现的物像与零级项和孪生像分开，但由于记录器件CCD分辨率比传统全息使用的干版低一到二个数量级，要求物光与参考光的夹角很小，此条件对数字全息的实际应用带来很大限制。将相移方法引入数字全息，利用相移干涉术(Phase-Shifting Interferometry，简称PSI)，可消除同轴数字全息的零级项和孪生像，很好地解决这一矛盾。在相移数字全息干涉术中，首先通过改变参考光(一般为轴向平面波)的相位对同一物波记录多幅全息图，然后利用对不同相移设计所发展的不同算法对全息图数据进行计算，可得到记录面上物光场的复振幅分布。该技术结合了相移干涉和数字全息的优点，具有测量精度高、易于操作、能够实现全场测量、数字处理能力强大方便等优点，大大推进了全息技术的发展和应用。 传统的相移干涉术采用定步长标准相移算法，即每步的相移量均为特定的特殊值(多为2π/K，K为正整数)。一些研究者将其推广到等步长相移算法，即相移量不一定取2π/K这种特殊值，但每步相移量仍需严格相等。这两种算法对相移器的要求都特别苛刻。实践中由于各种因素，相移器的实际相移量与其标称值或多或少都存在一定偏差，而且这种偏差往往是难以预测和控制的，它会对波前再现或测量结果带来误差。另外，传统PSI需要至少三幅干涉图，实际上基于减小误差等考虑，往往要用到多幅甚至10幅以上干涉图来满足算法的需要，使记录的数据量庞大，给随后的存储、传输及处理带来很大负担。针对以上问题，我们提出了可以应用任意未知相移的广义相移干涉术(Generalized Phase-Shifling Interferometry，简称GPSI)的概念。在GPSI中，每步相移量不仅可以是不等的和任意的，而且一般来说可以是未知的。利用我们发展的一套算法，可以从干涉图中盲取(blindly extract)相移量：然后根据这些相移量可依特定的GPSI计算公式恢复波场复振幅。这就取消了相等相移及精确相移这两个苛刻的限制，提高了这一技术的误差免疫能力以及普适性和方便性，减少了这一技术对相移器精度的依赖性，大大提高了测量精度。同时，由于GPSI可以相当精确地求得真实相移量，也使应用者不必再采用针对相移误差而设计的各种复杂的波前误差校正算法。最后，我们发展的GPSI可以应用于两幅及两幅以上的任何算法，最低只需两幅干涉图，这可以大大降低计算量和存储量，对某些应用具有重要意义。 由于真正意义上的广义相移干涉术提出较晚，国内外与此相关的报道甚少，该技术涉及的许多问题需要进一步研究探讨。概括地说它应包含以下几个方面。首先，在未知相移的提取方面，还需对已提出的几种算法进行改进和完善，并探索新的更为方便可靠的算法。其次，需建立物光波前误差评估体系，研究各种误差尤其是相移误差对最终再现物光波面振幅和相位(不仅仅是记录面恢复相位)误差的传递作用，并对最终再现的物光波面的复振幅误差与算法和相移的设计关系进行定量分析，这方面在国内外几乎还是空白。再次，如何针对实验中的各种实际问题，寻求压低各种实验误差从而提高最终测量精度的途径，也需要多方面的研究和反复验证。 本论文的主要目的是在对国内外数字全息及相移干涉术进行深入考察及分析的基础上，发展对相移器精度依赖较小甚至可使用未知相移量的广义相移数字全息干涉术，包括寻找可精确和方便地抽取未知相移量并进而恢复物波复波场的算法与技术，并从模拟和光学实验两方面探索减小误差、提高测量精度的方法和手段。为此论文中给出了利用迭代方法在三步以上GPSI中快速抽取未知相移量的精确算法和两步(或两步以上)GPSI的相移量抽取和物光恢复算法；随后发展了两步(或两步以上)GPSI中相移量提取的非迭代精确算法和快速简单算法；通过研究GPSI中三种相移量误差对物光恢复误差进行传递的关系找到了对相移误差源具有较强免疫性的相移量区间，其计算结果对实际工作中的相移量选择具有重要的理论指导意义；针对光源强度稳定性问题，提出了以衍射相位场统计特性为基础的光源强度误差校正方法。论文的主要内容如下，其中除第一点为综合评述外，其他各点都是我们的创新研究成果，已在多种国际著名学术刊物发表，并受到广泛关注： a.分别对相移数字全息干涉术的发展及应用和广义相移数字全息干涉术的产生及研究现状做了概貌性的介绍和总结，包括相移数字全息中记录和再现的基本理论；物光波前数字恢复的各种方法；相移技术的基本原理，相移的引入方法和实验装置，以及物波恢复公式的设计方法；已有的三步以上相移数字全息干涉术的定步长、等步长相移算法公式；任意已知相移量广义相移数字全息干涉术算法的物光波前恢复公式。以上描述和结论是进一步研究广义相移数字全息干涉术的基础，同时对实际工作具有理论指导意义和参考价值。 b.在对已有的任意步长广义相移算法进行分析比较的基础上，给出了一种基于切线法迭代原理的任意步长相移量精确快速抽取的新方法，再利用已有的适合于任意步长的三步和四步GPSI波前计算公式实现物光波前恢复。该方法对相移器的精度无严格要求，甚至无需标定，计算机模拟证明了这种方法的准确性和高效性。 c.将物光再现公式结合最小二乘迭代方法实现了使用两幅干涉图进行相移量抽取的算法设计。该算法可以仅用两幅干涉图实现相移量的盲寻；然后利用相应公式恢复物波波前并进而重建原始物像。此方法可应用于干涉图数K≥2的任意情况。利用计算机模拟验证了在光滑物面和漫射物面两种情况下相移抽取和原始物光重建的准确性和有效性。 d.由于未知相移盲取的迭代算法一般计算量较大，计算时间较长，我们进而提出了两种非迭代算法。其一是通过求解一元二次方程，推导出相邻两幅干涉图之间相移量的计算式，由相邻两幅干涉图和物光及参考光强度计算任意未知相移量。其二是利用物光衍射相位场的随机统计特性，导出一个公式，可在不需测量物光强度的情况下抽取出任意相移量。这两种算法将现有GPSI中需要的干涉图由三幅以上减少到最少的极限情况--只需一次相移，即两幅干涉图，而且该相移可以是(0，-π)区间内的任意值；它们也同样适用于更多幅干涉图的情况。它们可大大提高计算效率和测量精度，计算机模拟和光学实验结果已非常令人满意地证明了这一点。　e.分析了PSI和GPSI中波前再现误差的各种来源，特点和计算方法。在回顾已有的误差计算和校正方法的基础上，针对光源强度涨落造成的物光波前误差，以物光衍射相位场的统计特性为基础，通过分析光源不稳定造成物光恢复误差的机理提出了光源强度涨落引起的物光重建误差的校正算法。该算法可在不需要任何辅助测量的条件下，仅用得到的干涉图数据进行校正，将再现的物光波前振幅和相位误差都减小两个数量级以上。计算机模拟和实验结果都证明了其正确性与有效性。 f.系统定量地研究了三步广义相移全息术中相移设计和相移误差对波前恢复误差的影响。导出了一个在不同相移设置和不同相移误差情况下均方波前恢复误差的一般表达式，同时给出了对应三种重要的相移误差，即等值、线性及随机相移误差的均方波前恢复误差的具体表达式。作为实际应用中常用的特例，详细讨论了三步等值相移GPSI中的波前恢复误差，得到了一系列对实际应用有指导意义的结论，为GPSI的算法设计和最佳相移量选取提供了有用的依据。利用多达100,000套相移误差样本的计算机模拟实验结果证实了我们的理论分析。这里使用的分析方法也可以进一步应用到其他GPSI算法，如四步或五步相移算法设计，对一般的相移算法设计具有重要参考价值。 相移干涉术已提出多年，它对昂贵的精密相移器(一般用进口的压电微平移器PZT)的依赖已成为限制其普及应用及测量精度的一个瓶颈。我们提出的广义相移干涉术有望克服这一瓶颈，大大拓展其应用并改善其精度。以上研究成果不仅具有理论意义，也具有重要的实用价值。

目录

论文说明：符号说明

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第一章绪论

1.1相移数字全息干涉术简介

1.1.1数字全息简介

1.1.2相移数字全息术的产生和发展

1.1.3相移数字全息术的特点及应用

1.2广义相移数字全息干涉术的提出和发展

1.2.1广义相移数字全息术的基本概念

1.2.2广义相移数字全息术的发展及研究现状

1.2.3广义相移数字全息术的优点

1.3本文的研究目的和研究内容

第二章数字相移干涉术的基本原理及主要算法

2.1数字全息图记录和再现的基本原理

2.1.1数字全息图的记录

2.1.2数字全息图的再现

2.2实现相移的方法和实验装置

2.2.1时间序列参考光相移

2.2.2空间序列调制相移

2.2.3偏振相移

2.2.4光栅衍射实现相移

2.2.5声光调制相移

2.2.6空间涡旋调制相移

2.2.7实现相移干涉术的典型实验装置

2.2.8小结

2.3常用相移算法分类及原理简介

2.3.1定步长算法

2.3.2等步长算法

2.3.3 小结

2.4原始物像的重建

2.4.1记录平面物波信息的提取

2.4.2原始物面物波的波前再现

2.4.3数字全息记录中对最小记录距离的限制

2.5总结

第三章广义相移干涉术的物波重建算法

3.1基于最小二乘法的物波重建一般公式

3.2广义相移数字全息干涉术物波重建的具体公式

3.2.1两步广义相移数字全息干涉术

3.2.2三步广义相移数字全息干涉术

3.2.3四步广义相移数字全息干涉术

3.2.4 小结

3.3总结

第四章广义相移干涉术未知相移量抽取迭代算法

4.1已有的未知相移量抽取算法简介

4.1.1基于最小二乘法的迭代算法

4.1.2基于衍射相位场的统计特性的迭代算法

4.1.3改进的基于衍射相位场的统计特性的迭代算法

4.1.4小结

4.2广义相移干涉术未知相移量抽取迭代切线算法

4.2.1基本原理

4.2.2计算机模拟

4.2.3小结

4.3两步(以上)广义相移干涉术相移量盲寻和波前重建

4.3.1两步广义相移干涉术迭代原理和算法

4.3.2计算机模拟和光学实验

4.3.3小结

4.4总结

第五章广义相移干涉术相移量抽取非迭代算法

5.1相移干涉术非迭代算法

5.2广义相移干涉术相移抽取精确算法

5.2.1基本原理

5.2.2计算机模拟结果

5.2.3光学实验验证

5.2.4 小结

5.3广义相移干涉术相移抽取快速算法

5.3.1基本原理

5.3.2计算机模拟结果

5.3.3光学实验验证

5.3.4 小结

5.4总结

第六章相移数字全息再现误差分析及校正

6.1波前再现误差的来源和分类

6.2物光波前误差的表达与计算公式

6.2.1物光波前误差的表达形式

6.2.2常用定步长算法的波前误差的计算

6.3几种主要误差源造成的波前恢复误差的分析和校正

6.3.1相移误差引起的波前再现误差的计算和校正

6.3.2探测器二阶非线性引起的波前误差及校正

6.3.3 小结

6.4光源强度涨落误差的分析和校正

6.4.1光源强度误差对物光波重建的影响

6.4.2误差传递与校正方法原理

6.4.3计算机模拟验证

6.4.4光学实验验证

6.4.5 小结

6.5总结

第七章广义相移干涉术中相移设计对物波前再现的影响

7.1相移算法设计简介

7.2三步广义相移干涉术中相移量选取对波前恢复误差的影响

7.2.1波前误差公式

7.2.2均方波前误差的一般分布

7.2.3三种特殊相移误差引起的相对均方波前误差

7.2.4等步长三步广义相移干涉术中的相对均方波前误差

7.2.5计算机模拟实验

7.2.6小结

7.3总结

第八章全文总结

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文和获得的奖励

发表论文一

发表论文二