大视角无噪声数字全息技术与理论

论文摘要

数字全息技术是利用光电成像元件如CCD代替传统的全息照相材料来记录干涉条纹获取数字全息图,并利用计算机模拟全息图的衍射成像过程,通过计算得到原始物光场的波前分布,以此实现全息记录及全息再现的数字化。数字全息技术是一种非接触、高精度、检测实时化,能定量分析物光波的振幅和相位信息的测量技术。正是由于这些独特的优势,数字全息技术目前已被广泛的运用在对微粒场的观测,MEMS/MOEMS动态分析,微观光学,半导体,纳米材料,生物学,生物芯片,生物传感器等诸多领域。针对目前影响数字全息测量精度的问题,本文首先对数字全息噪音的本质进行了详细的理论分析,根据分析结论,提出了基于低通滤波成像的无噪声漫射型低分辨率宏观物体的数字全息记录方法,并且利用该方法进行了相关的实验,得到满足分辨要求的再现结果。但是,通过低通滤波方法获取无噪音数字全息图是以损失再现像的分辨率和视角为代价的,本方法对于面形变化缓慢或分辨率不高的三维物体是有效的。对于高分辨和大视角测量,为了在消除噪音的同时,再现像的分辨率或视角不受损失,我们接着提出基于频谱拼接的大视角无噪声数字全息技术方案,利用光学傅立叶变换成像系统,通过滤波,依次记录不同空间频率的物光波信息频谱的像面数字全息图,再利用傅立叶变换相移性质,对各个全息图进行数字傅立叶变换,并拼接合成所有频谱,然后再次对拼合频谱进行数字傅立叶变换,即可得到大视角无噪声数字再现像,同时提高了再现像分辨率。利用本技术方案测试了大曲率的光滑物体面形(缝纫针面形、微透镜阵列面形),实验取得了令人满意的结果。本论文共分六部分,分别为：第一章绪论部分论述了数字全息技术的基本特点和国内外研究现状,分析了数字全息所面临的瓶颈问题,而后提出本文在无噪声记录数字全息图以及提高数字全息测量视角方面的工作思路和方向。第二章简要回顾了数字全息记录和再现的基本原理,并通过理论分析和MATLAB模拟比较了三种衍射积分算法。第三章首先从理论上分析了数字全息再现像中噪声的形成原因。如果物体的散射光波形成的全息图空间频率大于记录器件的最大空间频率的两倍,就会使得全息图的高频信息不能被有效记录,但这些光强分布仍然存在,被记录器件记录后将形成噪声,这将对于数字全息图的精确再现将产生严重的影响。而后我们通过利用MATLAB模拟了这一过程。模拟结果验证了理论的正确性。第四章我们提出通过合理设置光路结构来达到无噪声记录即基于低通滤波成像的无噪声漫射型宏观物体轮廓测量数字全息技术,并详细阐述了该光路的实现原理和实现过程,实验结果验证了该光路在检测宏观物体轮廓方面的优点。第五章我们提出基于频谱拼接技术的大视角无噪声数字全息技术方案。利用该方案,既可以有效地消除噪音,而且可以保证再现像的分辨率和视角,进一步增加了再现像的信息量。我们对具有大曲率的光滑表面(缝纫针面形和微透镜阵列面形)进行了实验。实验结果证明了该方案对于增加再现像的视角和分辨率的的有效性。第六章是对全论文的总结及进一步需要解决的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1. 数字全息术的发展及基本特点
• 1.2. 数字全息显微术国内外研究现状
• 1.3 数字全息显微术主要问题
• 1.4 本论文创新点与具体工作
• 第二章 数字全息的基本原理
• 2.1 数字全息图的记录与再现
• 2.2 数字全息的衍射积分算法
• 2.2.1 菲涅耳衍射积分算法
• 2.2.2 卷积算法
• 2.3 小结
• 第三章 数字全息噪声源分析
• 3.1 数字全息噪声源分析
• 3.2 物体面形分布函数与其光波空间频率
• 3.3 小结
• 第四章 基于低通滤波成像的无噪声漫射型低分辨率宏观物体数字全息技术
• 4.1 记录光路分析
• 4.2 实验结果与分析
• 4.3 小结
• 第五章 基于频谱拼接的大视角无噪声数字全息技术原理
• 5.1 记录光路分析
• 5.2 实验结果与分析
• 5.2.1 基于频谱拼接技术的一维频谱拼接
• 5.2.2 基于频谱拼接技术的二维频谱拼接
• 5.2.3 基于频谱拼接的大视角无噪声数字全息技术的软件系统开发
• 5.3 小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢