数字全息成像及其自动聚焦的理论与实验研究

摘要

数字全息用光电传感器件(如CCD)代替干板拍摄全息图,然后将全息图存入计算机,用计算机模拟光学衍射过程来实现被记录物体的全息再现和处理.数字全息与传统光学全息相比具有制作成本低,成像速度快,记录和再现灵活等优点.近年来,随着计算机特别是高分辨率CCD的发展,数字全息技术及其应用研究备受国内外研究者的关注,其应用范围涉及形貌测量、变形测量、粒子场测试、数字全息显微等领域.本论文通过理论分析、模拟计算和实验,对数字全息图再现过程中有关物理参数(如物距、参考光的方向、图像传感器的像素尺寸等有关记录条件)的确定、再现算法的选择和再现像面的精确定位等基本问题,进行了系统的研究,取得了如下创新性的研究成果:1、分析了离轴菲涅耳全息图的数字再现过程中照明光的角度参数对再现像质量的影响;提出了通过分析全息图的空间频谱结构自动提取最佳照明光方向参数的方法,此外还利用数字全息记录和再现过程中得到的物距参数准确标定了图像传感器的像素尺寸.2、比较了灰度方差法、灰度熵值法、傅利叶频谱函数法和离散小波变换法这四种数字成像过程中的自动聚焦算法,并将它们运用到数字全息图的再现过程中来判定再现像面的准确位置.结果表明离散小波变换法在灵敏度和准确度上优于其它三种方法.根据相位型物体离焦时像面强度分布的特点,提出用像面上强度的方差作为聚焦判据,成功地实现了再现像的自动聚焦.3、基于标量衍射理论和快速傅利叶变换,详细分析了菲涅耳衍射积分的三种计算机模拟算法,并将这三种算法运用到菲涅耳全息图的数字重现过程中.理论分析表明,在全息图的像素数、抽样间隔以及再现波长一定的情况下,按抽样对象的不同,菲涅耳衍射积分的计算机模拟算法可分为点扩展函数抽样法、角谱抽样法、直接傅利叶变换法.通过对相位函数局域空间频率的分析,给出了判定算法适用范围的特征再现距离,并分析得出,再现距离大于特征再现距离时,适合用点扩展函数抽样法;小于特征再现距离时,适合采用角谱抽样法;等于特征再现距离时三种方法都适用.4、基于离轴菲涅耳全息图数字再现过程的理论分析,利用MATLAB环境下的图形用户界面GUI设计了一套完整的数字再现程序.

目录

文摘

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第一章综述

1.1数字全息技术的基本特点和发展历史

1.2数字全息技术的应用

1.3本论文研究的主要内容及成果

第二章 离轴菲涅 耳数字全息记录和再现的原理

2.1 引言

2.2离轴菲涅耳数字全息记录过程

2.3 离轴菲涅耳全息数字再现过程

2.3.1参考光方向参数的确定

2.3.2图像传感器像素尺寸的标定

2.3 本章小结

第三章离轴菲涅耳全息数字成像的自动聚焦

3.1引言

3.2几种聚焦判据算法及比较

3.3纯相位型物体的自动聚焦

3.4本章小结

第四章菲涅耳全息图的数字再现方法比较

4.1引言

4.2菲涅耳全息图的三种数字再现算法

4.2.1点扩展函数抽样算法

4.2.2角谱抽样算法

4.2.3直接傅立叶变换法

4.3三种算法的适用范围

4.4计算机模拟

4.5本章小结

第五章离轴菲涅耳全息图的数字再现实验

5.1实验过程

5.2数字再现结果

第六章结论

6.1本论文的主要研究成果

6.2拟进一步开展的工作

参考文献

攻读硕士学位期间科研成果

致谢