数字相移干涉术中图像处理和波前再现误差的分析及校正算法的研究

论文题目: 数字相移干涉术中图像处理和波前再现误差的分析及校正算法的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 光学工程

作者: 刘青

导师: 蔡履中

关键词: 数字全息,相移干涉术,图像处理,波前再现,误差分析,误差校正,等高线测量

文献来源: 山东大学

发表年度: 2005

论文摘要: 相移数字全息是将相移干涉技术同数字全息技术相结合的一种光学测量方法.它通过相移干涉的方法记录多幅干涉图,然后利用一定的再现算法计算得到全息图平面上物场的复振幅分布,进而进行实际待测物场的测量.该方法巧妙地消除了全息术中孪生像的干扰,尤其适合数字全息中的同轴记录方式.由于相移数字全息同时具有数字全息的再现过程简单、灵活,便于定性和定量分析的特点及相移干涉的测量精度高,能够实现全场测量的优点,因此受到了广泛地关注和研究. 本文的目的是从理论和实验两方面对该技术进行系统的分析和研究,并在此基础上对存在的一系列问题提出新的算法和新的方法.具体工作如下: 作为实际工作的理论指导,在第二章和第四章中,分别对数字全息和相移干涉技术的基本知识和研究现状进行介绍和评述,包括数字全息中记录和再现的基本理论:全息图再现的各种方法;相移技术的基本原理:相移干涉的实验装置和实现方法,以及不同相移量选取下再现公式的设计方法和已有的各种算法. 相移数字全息中所要处理的对象是由电荷耦合器件(Charge.Coupled Device,CCD)记录的干涉图,而干涉图的图像质量会影响数据分析的准确性.因此第三章介绍了对非均匀、低衬比度的干涉图像进行预处理和条纹信息提取时所用到的图像增强和条纹骨骼化的各种典型方法.并在此基础上,详细介绍了我们提出的一种能够同时实现以上两种功能的新的图像处理方法. 相移数字全息技术的核心是各种相移再现公式,包括:定步长算法、等步长算法、以及依据不同理论提出的任意步长的广义相移干涉术算法.而后者是相移算法研究的一个趋势.第五章中,在对已有的任意步长算法进行总结的基础上.提出了一种基于相位场统计特性进行任意步长相移量求解的新方法和改进方法,并导出了适合任意相移量的三步和四步相移波前再现公式.计算机模拟证明了此方法的正确性. 作为一种精密测量手段.相移技术的最大缺陷是它对各种误差源的敏感性.因此自该技术诞生起,分析各种误差对相移测量结果的影响,利用各种方法对不同误差源引起的波前再现误差进行校正一直是相移技术研究领域的研究重点之一.我们发现以往的工作都只停留在对全息图记录面上再现的相位场的测量误差进行分析.

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中文摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 数字全息术的介绍

1.1.1 数字全息的概念

1.1.2 数字全息的特点

1.1.3 数字全息的应用领域

1.2 相移数字全息术的介绍

1.2.1 相移数字全息的提出

1.2.2 相移干涉技术的研究现状

1.3 本论文的研究目的及内容

第二章 数字全息的基本理论

2.1 数字全息图的记录和再现

2.1.1 全息图数字记录的数学描述

2.1.2 全息图数字记录的物理模型

2.1.3 全息图数字再现的数学描述

2.1.4 全息图数字再现的方法

2.1.4.1 菲涅尔变换法

2.1.4.2 卷积法

2.1.5 相移数字全息的再现

2.2 数字全息图的记录过程中的最小记录距离

2.2.1 数字全息的记录过程

2.2.1.1 同轴记录中的最小记录距离

2.2.1.2 离轴记录中的最小记录距离

2.2.2 离轴与同轴数字全息记录的比较

2.3 小结

第三章 干涉图预处理技术的研究

3.1 干涉图预处理系统的介绍

3.2 图像增强

3.2.1 灰度变换

3.2.2 直方图修正

3.3 干涉条纹骨架抽取技术

3.3.1 Hilditch细化算法

3.3.2 Yatagai 5×5邻域法

3.3.3 中心细化法

3.4 同时实现对比度增强和条纹骨架抽取的新方法

3.4.1 原理及模拟证明

3.4.2 对有噪声的模拟图像和实验图像的处理

3.5 小结

第四章 相移干涉术的原理和常用算法

4.1 相移全息干涉术的介绍

4.2 相移干涉术的基本原理

4.2.1 步进式相移干涉原理

4.2.2 积分式相移干涉原理

4.3 实现相移的方法

4.3.1 倾斜玻璃板法

4.3.2 移动光栅法

4.3.3 偏振相移法

4.3.4 压电陶瓷相移法

4.4 实现相移干涉的实验装置

4.5 相移算法的设计方法

4.5.1 最小二乘法

4.5.2 同步探测法

4.5.3 位相平均法及推广

4.5.4 Fourier分析法

4.5.5 待定系数法

4.5.6 特征多项式法

4.5.7 李沙育图法

4.5.8 递归法

4.6 常用相移算法举例

4.6.1 定步长相移算法

4.6.2 等步长相移算法

4.7 小结

第五章 可应用任意未知非规则相移的广义相移干涉术的研究

5.1 几种已有的广义变步长相移算法的介绍

5.1.1 实验方法的改进

5.1.2 求解超定方程法

5.1.3 干涉图极值法

5.1.4 其它方法

5.2 基于相位场统计特性的广义相移干涉术

5.2.1 基本原理

5.2.2 计算机模拟证明

5.3 改进的广义相移干涉术

5.3.1 基本原理

5.3.2 计算机模拟证明

5.4 小结

第六章 相移干涉术中波前再现误差的分析

6.1 相移干涉系统中的误差源

6.1.1 相移误差

6.1.2 探测器非线性

6.1.3 光源的不稳定性

6.1.4 振动误差

6.1.5 量化噪声

6.2 相移干涉中波前再现的误差分析

6.2.1 波前误差的一般表达

6.2.2 相位误差与相对振幅误差的关系

6.2.3 对常用相移算法的相位误差和相对振幅误差的分析

6.2.4 对常用相移算法的相位误差和相对振幅误差的统计分析

6.2.5 计算机模拟结果

6.2.6 总结

6.3 小结

第七章 相移干涉术中波前再现误差的校正算法及验证

7.1 对相移误差引起的波前误差的校正

7.1.1 基本原理

7.1.2 计算机模拟验证

7.1.3 总结

7.2 任意相移误差引起的波前误差校正方法对广义相移干涉术的推广

7.2.1 广义PSI算法相移误差校正公式的理论推导

7.2.2 对广义PSI算法相移误差校正方法的计算机模拟

7.2.3 总结

7.3 探测器二阶非线性引起的波前误差的校正

7.3.1 探测器二阶非线性误差校正方法的理论推导

7.3.2 探测器二阶非线性误差校正方法的计算机模拟

7.3.3 总结

7.4 相移误差引起的波前误差校正方法的模拟和实验研究

7.4.1 相移误差引起的波前误差校正方法的计算机模拟

7.4.2 相移误差引起的波前误差校正方法的实验研究

7.4.3 总结

7.5 小结

第八章 数字全息的新应用及相移实现的新方法

8.1 基于虚拟干涉的灵敏度可调的等高线形成术

8.1.1 引入虚拟参考波的数字全息等高线测量原理

8.1.2 引入虚拟参考波的数字全息等高线测量术的计算机模拟

8.2 利用空间光调制器实现相移的新方法

8.2.1 利用振幅型空间光调制器实现相移的原理

8.2.2 实验装置及实验结果

8.3 小结

全文总结

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表论文及获得的奖励

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发布时间: 2005-10-17

参考文献

• [1].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[D]. 徐先锋.山东大学2008

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