数字全息再现像质的改善
数字全息3D图像再现的方法论述
数字全息3D图像再现的方法论述本文以数字全息技术原理及相关理论作为出发点，分析了数字图象处理技术，并从相移数字全息原理和相移数字全息计算方法等方面探讨了基于相移数字全息技术的图像再现，以期为能够真实再现原物信息的全息显示技术提供一些参考和意见。
标签：数字全息；3D图象；相移数字全息数字全息技术相较于普通光学技术而言，具有成本低、灵活运用、速度快、储存空间大、实时处理等优势。
因此数字全息技术可以广泛运用于医疗美容、特征辨别、外貌检测和全息防伪等各种领域，对人们的生活和工作提供了极大的便利。
随着现代信息技术和网络技术在光学领域的普及与发展，许多学者就如何提高光能利用率和真色彩显示问题展开了相关讨论，并结合实际提出了最优方案策划，以达到实现图象质量的目的。
1 数字全息术相关技术理论（1）全息图的分类。
全息图根据不同的分类方法分为同轴全息图和离轴全息图两种类型。
就同轴全息图而言，如题1所示，一方面，同轴全息图具有光源低、稳定性高、光路简单、色差趋向小、记录介质分辨率高等优势。
另一方面，同轴全息图具有衬比度低、质量整体性不高、孪生全息像分辨率低、透明度效果差等劣势。
但是随着科学技术的发展以及网络信息化脚步的加快，同轴全息图的缺点利用科学技术平台得到大大改善。
通过科研人员线性记录可以得出同轴全息图振幅透过率为：假设AC表示全息图的再现光泼，在现光泼得出垂直照明全息图，如图2所示：衍射之后的光场表达公式为：由衍射之后的光场表达公式可以得出，公式的第一项表示为同轴全息图的零级衍射泼，公式的第二项也为同轴全息图的零级衍射泼，公式的第三项表示为同轴全息图的虚拟图象或者原始图形，公式的第四项表示为同轴全息图的实像，实像与虚拟图象构成孪生像。
（2）数字全息原理。
相较于传统全息技术而言，数字全息技术在介质上与传统全息技术有着本质的不同。
数字全息技术是数字化技术发展的产物，在一定程度上推动了数字化时代的进步。
另外，数字全息处理技术可以在光影平面内部实现数值模拟全息图像，并利用计算机作为有效载体实现全息图的再现。
增强数字全息再现像的数字方法及实验研究
处理方法 ， 并通过实验结果进行分析探讨。
关 键 司： 数字全息； 再现像； 数字图 像处理
中图分 类号 ： ０ ４ ３ ８ ． １
文 献标 识码 ： Ａ
文章编 号 ： １ ０ ０ ８ ９ ６ ５ ９ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ — ０ ０ ７ — ０ ４
数 字全息 技 术 于 １ ９ ６ ７年 由顾 德 门 （ Ｊ ．Ｗ．Ｇｏ ｏ ｄ ｍａ ｎ ） 提 出。它 的 记 录光 路 和 光学 全 息 基 本 相 同 ， 不 同 的是 它用光 敏 电子元 件 例如 Ｃ Ｃ Ｄ来代 替传 统 照相 干板来 记 录全 息 图 ， 并把 所 记录 的数字 全息 图输 入计 算
Ｖｏ １ ． ３ ２ ， Ｎｏ ． ２ Ｊ ｕ ｎ ． ２ ０ １ ３
２ ０ １ ３ 年 ６ 月
增强 数字全 息再现像的数字方法及实验研究
王先 明 ， 沈丽娜 ， 张泽 霞
（ 新疆师范大学 物理与电子工程学院， 新疆 乌 鲁 木 齐 ８ ３ ０ ０ ５ ４ ）
摘 要 ： 数字全息再现干扰像的 去除是影响其广泛应用的关键， 文章介绍了数字全息的 基本 原理和 增强其 再现像的数字
［ 收稿 Ｅ ｔ 期 ］２ ０ １ ２ —１ ２ —１ ５
［ 基金项 目］新疆师范大学优秀青年教师科研 启动基 金资助 （ ＸＪ ＮＵ０ ９ ２ １ ） ； 新疆 师范大 学新型发 光材料 与纳米微结 构重点 实验室基金 资
助。
［ 作 者 简 介 ］王 先 明 （ １ ９ ５ ８ 一） ， 男， 湖南 衡 山人 ， 教授， 主 要从 事 光 电信 息处 理 教 学 与研 究 。
息 面 上物 光和 参考 光叠 加后 的复 振 幅分 布为 ：
211181392_调频加网对于全息再现图像的影响
包装工程第44卷第9期·282·PACKAGING ENGINEERING2023年5月调频加网对于全息再现图像的影响解文博，王庆（齐鲁工业大学，济南250353）摘要：目的对全息图进行加网处理，实现计算全息图的二值化，将计算全息图应用于印刷领域。
方法本文设计计算全息图进行调频加网的整体方案，讨论不同的加网算法对计算全息再现图像的质量影响。
首先，对3幅不同类型的灰度图片进行计算全息编码得到全息图；然后利用误差扩散算法和抖动算法对全息图进行调频加网获得二值化全息图；之后通过光场重建得到全息再现图像。
结果对全息再现图像进行峰值信噪比和结构相似性数据比较发现，误差扩散算法更适用于计算全息二值化处理，抖动加网使计算全息图产生周期性图案，导致再现全息图产生混频现象，全息再现图像的质量下降。
结论加网导致全息图再现质量下降，误差扩散算法可以得到较好的再现像，适用于全息图的二值化处理；与此同时，抖动算法会产生混频现象，因此抖动算法并不适用于全息图二值化处理。
关键词：计算全息；相位恢复算法；数字加网；误差扩散算法；抖动算法中图分类号：TS801.8 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)09-0282-07DOI：10.19554/ki.1001-3563.2023.09.034Effect of Frequency Modulation Screening on Quality ofHolographic Reproduction ImageXIE Wen-bo, WANG Qing(Qilu University of Technology, Jinan 250353, China)ABSTRACT: The work aims to screen the hologram to realize the binarization of the computational hologram and apply the computational hologram to the printing field. An overall scheme of frequency modulation screening for computational hologram was designed and the effects of different screening algorithms on the quality of holographic reproduction image were discussed. Firstly, three types of grayscale images were holographically encoded to obtain holograms and then these holograms were subject to frequency modulation screening to gain binarized holograms by the error diffusion and dither-ing algorithms. Finally, the binarized holograms were transformed holographic reproduction images by means of light field. According to the comparison between the peak signal-to-noise ratio (PSNR) and the structure similarity index measure (SSIM) data of holographic reproduction images, the error diffusion algorithm was more suitable for computing holographic binarization and the dithering screening caused periodic patterns on the holograms, which resulted in fre-quency mixing phenomena on the holographic reproduction images, so the quality of the holographic reproduction images was reduced. Screening degrades the quality of holographic reproduction images. The error diffusion algorithm has better reproduction images and is suitable for hologram binarization. Furthermore, the dithering algorithm produces frequency mixing, so it is not suitable for hologram binarization.KEY WORDS: computational holography; phase recovery algorithm; digital screening; error diffusion algorithm; dither-ing algorithm收稿日期：2022−06−03作者简介：解文博（1998—），女，硕士生，主攻轻工技术与工程。
粒子场数字全息诊断中的再现算法研究
粒 子 场 数 字全 息诊 断 中的再 现算 法 研 究
徐 青 ， 曹 娜 ，黑 东炜 ， 曹 亮 ，马继 ，张 占宏 ，韩 长材 ，雷 岚 明
（ 北 核 技 术 研 究 所 ，陕 西 西 安 ７０ ２ ） 西 １ ０ ４
摘
要 ： 子场 的数 字全 息诊 断 中， 粒 良好 的 再现 算法 能够在较 短 的时 间 内给 出高质 量 的再现像 。 利
ｃ ｌｕｌｔｏ ｓ ｅ ａ ｔ ａ ｉｉｙ ｆ ｒ ｃ ｓ ｒ ｃ ｉ ｌ ｒ ｓｚ ｈｏ ｏ ａ ａｃ ａ ｉ ｎ ｐｅ ｄ ｎｄ ｈｅ ｂ ｌｔ ｏ ｅ ｏｎ ｔ ｕ ｔｎｇ ａ ｇｅ ｉｅ ｌ ｇｒ ｍｓ， Ｓ ｉ ｓ ｕ ｔ ｂ ｅ ｏ Ｏ ｔ ｓ ｉａ ｌ ｔ ｉ
用标 准 粒 子 板 模 拟 单 层 面 的 粒 子 场 ， 用 大 面 阵Ｃ Ｄ 实 现 同 轴 数 字 全 息 记 录 ， 到 了大 尺 寸 的 数 使 Ｃ 得
字全 息 图。针 对 ４种数 字全 息再 现算 法 ，本 文从 再现 图像 的质量 、再 现全 息 图的大 小和计 算速度
３个 主要 方 面进行 了比较研 究 ， 结果表 明角谱 算法 （ Ｆ — ）具有再 现 图像 背景均 匀， Ｆ Ｔ ＡＳ 再现 结 果 中无 物理 图像 压 缩 ，可以再现 大尺 寸 的全息 图且具有 较 快计算 速度 的优 点 ， 适合 于粒 子场ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ同轴数
第３ 卷 第 ６ １ 期
２１ ０ ０年 １ １月
应 用 光 学
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＡｐ ｌ ｄＯｐｉｓ ｏ ｒ ａ ｐｉ ｔｃ ｏ ｅ
Ｖｏ ． １ Ｎｏ ６ １３ ．
ＮＯＶ． ２０１ ０
文章 编 号 ： ０ ２ ２ ８ （ ０ ０ ０ — ９ ９ ０ １０ —０ ２ ２ １ ）６０ ６— ５
实验25 数字全息及实时光学再现实验
离轴无透镜傅里叶变换全息：
② 再现：会聚球面波照明再现光路
实共轭像
实原始像
图2 无透镜傅里叶变换全息图再现示意图
离轴无透镜傅里叶变换全息：
jk 2 C ( x, y) exp ( x y 2 ) 2 z0 像光场复振幅分布
基于菲涅耳衍射
再现参考光
jk 2 2 U ( xi , yi ) exp ( xi yi ) F h( x, y) U0 ( xi , yi ) U1 ( xi , yi ) U1 ( xi , yi ) 2 z 0
2、可视数字全息（数字记录，光学再现） 可视数字全息分为两个过程，一是将一副图片通过计算软件得到其全息图，二是 将得到的全息图加载到空间光调制器上，在光路中将物信息再现出来。 1）仍以图 “大恒”为例讲述本实验过程，图片为1024*1024，打开操作软件， 在软件中加载此图片：
2）参考实验1中获得全息图的方法，可得到下面得到“大恒”的计算全息图，如 下图，将图像存储到指定文件夹中，图片大小为1024*1024，格式为bmp，记录 距离为100mm，物体大小20mm条件下的全息图。
( z0 )2 R0o( xr xi , yr yi ) exp
jk 2 ( xi yi2 2 xi xr 2 yi yr ) 2 z0
离轴无透镜傅里叶变换全息：
实共轭像复振幅
基于菲涅耳衍射
jk 2 J 1 ( xi , yi ) O ( f x , f y ) R0 exp ( xr yr2 ) 2 z0
探究数字全息在测量方面的应用
实验原理
1.全息图记录：
h ( x , y ) u ( x , y ) r ( x , y ) uu R ur u r
基于数字全息图像质改善的dmd再现技术研究
第28卷第2期2012年4月苏州大学学报(自然科学版)J O U R N A L0F SO O C H O W U N I V E R SI TY(N A T uR A L Sc IE N C E ED I T l0N)V01．28N o．2A pr2012基于数字全息图像质改善的D M D再现技术研究李晨，周皓，顾济华，徐静梅，李慧妹，张庆(苏州大学物理科学与技术学院，江苏苏州215006)摘要：在运用数字伞息技术记录三维物体肘，由于物光是漫反射场，所记录的全息图像中噪声比较大，再现图像的质量会受到很大影响，在数字微镜器件(D M D)显示系统中这种影响尤为严重．本文首先对ccD记录的全息图衍射效率进行分析，然后采用多种图像滤波算子对全息图进行滤波处理，以提高衍射效率；在对数字全息图进行二值化提高条纹对比度之后，最终在D M D上显示了较高质量的三维物体再现像．关键词：数字全息；数字微镜器件(D M D)；衍射效率中图分类号：0438．1文献标识码：A文章编号：1000一2073(2012)02一0016—05D M D r eco璐t r uct i明t echnol ogy r es e ar ch bas e d on i m a ge quaU t y i m pr oV e m entof di gi t a l hol ogr aphyt，Li C hen，z hou H ao，G u Ji hua，xu J i ng m ei，Li H ui shu，zha ng Q i ng(s ch0010f Phy s i cal s ci ence and Tech nol ogy，S洲!how univ．，Suzh ou215006，C hi n a)A bst r a ct：W he n t hr ee—di m ensi onal obj ect s r ecor ded by usi ng ho l ographi c t echnol o gy，as obj ect l i ghti s di f f us e r ene ct i on fi e l d，t he r ecor d ed h010伊aphi c i m age noi s e i s r el at i ve l y l a蜡e；r eco ns t m ct i onqual i t y is af kct ed es peci aU y i n di gi t al m i cr om iⅡo r deV i ce(D M D)di spl ay s yst em．I n t hi s pa pe r，f i r s tt he di ffr act i on ef6ci en cy of t he hol ogr am w hi ch r ecor ded by C C D i s anal yz ed．A V a r i et y of6l t e r i ngm et hods ar e us ed t o pm ces s t he i m ages i n order t o i m pm ve t he di f fhct i on em ei ency．A f t er di chot om i—zi ng l he hol ogr am f or ge t t j ng hi曲c ont r ast“t he岱nges，r econst m ct ed i m age of l he t hree-d i m en s i on alobj eet w i l h qui t e good qual i t y is s ho w n on D M D f inall y．K ey w ords：di gi tal hol ogr am；di git al m i cr om i玎o r devi ce(D M D)；di f f r act i on ef f i ci e nc yO引言近年来，三维物体的成像和显示已经成为热门研究课题，其中全息技术是实现三维显示的关键技术之一f1J．传统光学全息使用的光致色和光折变材料因其没有足够的敏感性和快速的响应时间，从而在全息的实时显示方面难以适用．随着计算机技术以及光电成像装置的快速发展，计算全息和数字全息弥补了传统全息的不足．其中，利用计算全息技术只需要构建虚拟物体的函数即可再现三维物体嵋1．然而对于现实世界的三维物体，利用计算全息却很难精确构建物体的三维函数，并且计算量较大口。
无透镜傅里叶变换数字全息图再现像质的影响因素分析
第35卷，增刊红外与激光工程2006年10月ed and Las er E ngi ne e ri ng0c t．2(1【)6、b1．35Su ppl em e n t蛐盯无透镜傅里叶变换数字全息图再现像质的影响因素分析吴友朋，王红霞，周战荣(笫二炮兵工程学院物理教研室，陕西西安710025)擅耍：依据相干成像理论，从分析数字全息系统点扩散函数入手，研究无透镜傅里叶变换数字全息系统中影响再现像像质的因素。
主要分析了对一给定的C cD和记录波长，记录距离对系统点扩散函数的影响，进而分析了对再现像像质的影响，得出了在满足抽样定理的条件下，应尽量使记录物体靠近cC D，并给出了最小允许的记录距离数学表达式。
计算机模拟结果证明了理论分析的正确性。
关键词：数字全息；无透镜傅里叶变换；点扩散函数；传递函数中圈分类号l T B877文献标识码：A文章编号：1007—2276(2006)增D-0538—05A na l ys i s of t he i nnuence f act0玛of t he r ec onst r uct ed i m age qual i t yi n l ens l ess f10ur i er ansfb di gi t al hol ogr aphyl n l enSl eSS10U ner t r anSIO珊nl毋协I nol ogr a pnyW U Y ou—p即g，W A N G H ong—xi a，Z H oU劢a11一r ongseoond觚mery脚eefing col l egc，Ⅺl柚710025，跚na)∞印ar衄ent ofPhysics，A bs t他ct：B as ed o n m e coherent i m a ge m cory’st枷ng w i nl t11e aI l al ysi s of poi nt s pread f unct i on of l e ns l es s Fouri er n-ansf o肋di gi tal hol ogr印hy'tl l e i n nuen ce fa c t or of t he r econs t nl ct ed i Ina ge qual i锣i I l di gi t al hol ogr aphy isst udi ed．ne m a i nal l al ys i s i s t11at，f or a cenai n C C D aI l d t he r ecor di ng w a ve l e ngt|l，t l l e poi nt s pread f un ct i on is i nf l u enced by t he r ecordi ng di st a I l c e，aI l d t ll e r ec onst r t l ct ed i m a ge qual i哆i s al s o i nV est i gat e d．I t c om es t o a concl us i on m at t11e obj ect s houl d be pl aced as c l ose as po s s i bl e t o t ll e C C D t a r ge t i n m e di gi t a l r ecor di ng of hol og咖w蛐e m e s am phng m eor哪i s f u l f i l l ed．T11e m础em at i cal des嘶?t i on of m e m i ni m um al l ow abl e r ecor(陆g di s t a nce i n l ensl es s Fouri er t r ansf o咖di酉t al hol ogr ap hy i s gi ven．T he V ahdi哆of m eor et i cal a na l ys i s is V er i舶d by m e si I I l ul at i ng re sul t s w i t I l com put e LK ey w or t l s：D i gi t al hol ogr aphy；L e皿s l es s fbu衙廿加sf om；Poi nt s pr ead f unct i on；Tr觚sf酹f unct i onO引言数字全剧11记录光路和普通平面全息相同，只是用ccD等光敏元件代替全息干板，将物光光场分布直接以数字方式记录在C C D上，再以数字方式再现，得到原始物光光场的波前分布。
全息技术——数字全息术发展现状及趋势
① 直射光 （ 再现光 ） ~~~ A ep[ic ( x, y )]
② 原始像 （ 虚 像 ）
~ ③ 第三项 （实、或虚）~~~ C exp[ io ( x, y)]
~~~ B exp[ io ( x, y )]
膺像：凸、凹 正好相反 ！
五、全息图的实际应用：
1、全息图像显示：
* *
I A [ R( x, y ) O( x, y )][ R ( x, y ) O ( x, y )] I R I o 2 I R I o cos[ R ( x, y ) o ( x, y )]
I R I o 2 I R I o cos ( x, y)
光栅； 透镜； 波带片等。
5、光学信息处理技术：
图像识别； 图像的消模糊和边缘增强； 图像的假彩色编码。
六、全息技术的发展方向和趋势：
1、全息元件：
一些特殊作用的全息元件研制等。
2、全息加密技术：
如何进一步提高全息图的技术含量。
3、全息计量技术：（非线性曝光；增加光程差）
如何进一步提高测量的精度 ； 干涉条纹
。。。。（1）
等式（1）又可化为：
I ( I 0 , ) I 0 [1 V cos ( x, y)]
这里，（2）式中的
。。。（2）
I 0 I R I o 表示物光和参考光的强度
2 I R Io 之和， V 表示干涉条纹的反衬度。 I R Io
另外，根据光路结构参数，通过求解 ( x, y ) ， 可以得到干涉条纹的空间频率：
全息图片
全息图片
全息图片
四、全息过程的基本理论：
实验现象 1、基本理论
（1）记录过程：光波的干涉
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第26卷第3期苏州大学学报(自然科学版)Vo l126No.3 2010年7月J O URNAL OF S UZ HOU UNI VERSI TY(NAT URAL S CIENC E ED I T I ON)J u.l2010数字全息再现像质的改善朱余良,周皓,顾济华(苏州大学物理科学与技术学院,江苏苏州215006)摘要:基于数字全息基本理论,设计并建立了离轴反射式数字全息记录光路,对不透明骰子进行了记录,并采用菲涅耳近似法数值再现.从数字全息图的记录、零级衍射的消除、再现像的图像增强三个方面展开实验.实验结果表明,数字全息再现像的质量可以得到有效的改善.关键词:数字全息;零级像;再现像质中图分类号:O438.1文献标识码:A文章编号:1000-2073(2010)03-0051-05I m p rove m en t of reconstructed i m age of d igita l hologramZ hu Yu liang,Zhou H ao,Gu Jihua(Sc h ool of Phys ical Science and T echnology,Su z hou Un i v.,Su z hou215006,Ch i na)Abstract:Based on the theory of digita l hol o graphy,the of f2axis refl e ctive optical syste m f or record2i n g digita l hologra m is designed and set up.The opaque d i c e is recorded and the hol o gra m is thennumerica l reconstructed by means of Fresne l dif fracti o n.Experi m ental studies i n cl u de record i n g digit2al hol o gra m,e li m i n ati n g z ero2order diff raction and enhanc i n g reconstructed i m age.The experi m entalresu lts sho w t h at t h e quality of the reconstr ucted i m age can be i m proved e f fecti v ely.K ey w ord s:digita l holography;zer o2order i m age;qua lity of reconstr ucted i m age0引言数字全息技术是Goodman[1]在1967年提出的,采用CCD代替传统全息干板记录全息图,通过计算机模拟参考光数值再现物光波前,实现了全息图的记录、存储和再现的数字化.数字全息可同时记录物光场的振幅和相位信息,是一种理想的形貌和相位分布测量方法,广泛应用于形貌测量[2]、显微观测[3]、信息加密[4]等领域的研究.在数字全息的实际应用中,再现像质是个关键问题,它直接影响测量的准确性.针对这一问题,国内外已有不少学者对数字全息再现像质的改善问题进行了研究,但大多局限于记录条件的理论分析[5]、零级像的处理[6-8]等方面研究,未形成一套系统的实验研究方法.影响数字全息再现像质的因素主要来源于三个方面:(1)与全息干板相比,目前CCD依然存在孔径小、像元尺寸大的不足,使得数字全息再现像的分辨率较低,像质较差;(2)与光学全息一样,数字全息再现像中存在零级衍射的干扰.数字全息图的衍射效率普遍比较低,零级像占据了衍射的大部分能量,在再现像的中心形成大亮斑,导致再现像严重降质;(3)光路系统中的寄生干涉以及散斑噪声影响再现像质.为提高数字全息再现像的质量,本文首先对离轴数字全息记录条件进行分析,选择合适的记录参数,最大限度地利用CCD的有效带宽,记录高质量的数字全息图;然后利用数字图像处理技术对全息图进行预处理,来消除再现时的零级像;同时通过灰度变换扩展再现像的对比度和亮度,通过平滑滤波技术抑制再现像中的散斑噪声,使再现像得收稿日期:2010-03-18作者简介:朱余良(1981-),男,江苏如皋人,硕士研究生,主要从事数字全息及光信息处理等方面的研究.52 苏 州 大 学 学 报(自然科学版)第26卷到增强.实验研究表明,综合利用该套方法可获得较高质量的数字全息再现像.1 菲涅耳数字全息的记录与再现全息记录的是参考光波和物光波的干涉条纹强度,分别以R(x,y)和O (x,y)表示参考光波和物光波的复振幅,则全息记录面上的干涉强度分布为I (x,y )=|R (x,y )|2+|O (x,y)|2+R *(x,y)O (x,y )+R (x,y)O *(x,y)(1.1)数字全息图的记录介质是CCD ,CCD 记录的是离散的强度分布.设CCD 光敏面尺寸为L x @L y ,有N x @N y 个像元,像元大小为$x @$y ,通过空间采样后,CCD 记录的强度分布可表示为I (k ,l)=I (x,y )co mb x $x ,y $y rect x L x ,yL y(1.2)式中k 、l 为整数,且-N x 2[k [N x 2、-N y 2[l [N y 2.数字全息的再现采用菲涅耳衍射近似数值再现算法,若采用单位复振幅平面波为照明波前,再现像面上光波的复振幅分布可表示为U (x c ,y c )=exp (jkd )j K d exp j k 2d(x c 2+y c 2)@kI (x,y )exp j k 2d (x 2+y 2)exp [-j k d (x c x +y c y)]d x d y (1.3)式中d 为再现距离,当再现距离等于记录距离时,可得到清晰的再现像.将式(1.3)改成离散形式: U(m,n )=exp (jkd )j K d exp [j k 2d (m 2$x c 2+n 2$y c 2)]DFT I(k ,l)exp [j k 2d (k 2$x 2+l 2$y 2)](1.4)式中DFT 表示离散傅里叶变换,再现像面上的采样间隔$x c 和$y c 可表示为$x c =K d N x $x ,$y c =K d N y $y (1.5)2 实验装置与实验结果2.1 记录高质量的数字全息图实验所采用的记录光路如图1所示,H e 2N e 激光器发出的波长为632.8nm 的激光经过分束器BS 1分为两束,分别经BE 1和BE 2扩束后,通过针孔滤波器P i n hole 1和P i n hole 2,再由透镜Lens 1和Lens 2准直,最终物光与参考光由BS 2合束,图中M 1、M 2、M 3及M 4均为反射镜.用于记录的CCD 光敏面为8.47mm(H )@7.10mm(V),像元尺寸为3.45L m @3.45L m ,像元数为2456@2058.被记录的物体为三维实物骰子,其长、宽、高均为7.5mm .图1 离轴数字全息实验光路第3期朱余良,周皓,顾济华:数字全息再现像质的改善53要获得高质量的数字全息再现像,记录高质量的数字全息图是关键.由式(1.5)可知,记录距离d越小,再现像的分辨率越高,但记录距离过小会导致采样条件的不足,且再现像难以分离.文献[5,9]采用不同的推导方法,给出的最小记录距离计算表达式也有所不同,分别为d m in=4X+2L xK$x,d m in=4X+4L xK$x(2.1)式中X为物体的横向尺寸,代入数据,得到相应的最小记录距离为256.0mm、348.3mm.通过实验研究发现,以上述最小距离记录全息图,都能满足采样条件,且再现像能充分分离,但CCD的带宽没有得到有效利用.图2(a)是记录距离为256.0mm全息图的再现像,可以看出再现像的分辨率还能有所提高.通过多次实验,发现以记录距离为176.0mm记录的全息图,CCD带宽的有效利用率最高.图2(b)是记录距离为176.0mm全息图的再现像,与图2(a)相比较,再现像分辨率显著提高,像质有较大的改善.实际记录距离可比上述理论值小得多,原因在于经骰子反射的物光场为强度很弱的散斑场,式(1.1)右边第二项经菲涅耳衍射后对再现像质的影响较小,因此记录条件相对更容易满足.在文献[5]中,若不考虑式(1.1)右边第二项衍射后对再现像质的影响,根据频谱分离条件及采样理论,可得到最小记录距离的表达式为d m in=2X+2L xK$x(2.2)在式(2.2)中代入相关数据,得d m in=174.1mm,与本文实验值较为接近.因此,实验中记录距离的选择,不仅要考虑采样理论和分离条件,还需结合物体的具体特征以及光场强度分布来确定.实验过程中,正确地调节光路以使各级衍射像临界分离是获得高质量记录的关键步骤.(a)d=256.0mm(b)d=176.0mm图2不同记录距离下全息图的数值再现像2.2消除零级像的干扰从图2可以看出,在离轴数字全息的再现像中,尽管几种衍射像在再现面上已得到较好的分离,但其中零级像占据了绝大部分的衍射能量,造成再现像的对比度非常低,实像像质暗淡不清.要改善再现像质,必须消除零级像的干扰.迄今为止,国内外的学者提出了多种消除零级像的方法,如依据离轴全息图频谱特性提出的频域滤波法[6],该方法需要正反两次傅里叶变换以及滤波处理,处理速度慢,不适用于实时性要求高的测量;在数字全息记录光路中引入相移技术[7],需在参考光光路中加入精密的相移器,对实验装置的要求比较高,且实验中需要拍摄多幅全息图,不适合动态物体的测量;利用全息图与其强度平均值相减的方法来消除零级像[8],对零级像中物光自相关分量的消除效果并不理想.针对上述方法的不足,依据离轴全息图频谱分离的特性,本文提出一种基于全息图空域的高通滤波预处理法来消除零级像.图3(a)是全息图的频谱相对强度分布,各级衍射对应的频谱相互分离,零级频谱能量最强.因此只要采用高通滤波技术将全息图中的低频信息滤除,即可消除再现时的零级像.高通滤波预处理过程可通过全息图与其低通滤波结果相减来实现,其中低通滤波技术采用常见3@3模板的均值滤波或中值滤波.预处理结果分别表示为54苏州大学学报(自然科学版)第26卷I c(k,l)=I(k,l)-19Ei,j I sI(k+i,l+j)(2.3)I c(k,l)=I(k,l)-m ed ian{I(k+i,l+j),i,j I s}(2.4)式中s为{-1,0,1},由选取的滤波模板大小决定.需要说明的是,图3(a)中心两侧对称分布的小亮斑是由系统寄生干涉造成的.由于物光场是很弱的散斑场,寄生干涉主要是由较强的参考光引入的,可通过全息图与参考光强相减的方法来减弱寄生干涉对再现像质的影响.图3(b)是采用式(2.3)对全息图预处理后的频谱相对强度分布,零级频谱得到较好抑制,且寄生干涉对应的频谱也有所减弱.图4(a)是全息图预处理后的再现像,与图2(b)相比,零级像得到有效消除,再现像的对比度得到显著提高.值得注意的是,预处理过程中的滤波模板不宜过大,模板越大,零级频谱中的高频成分越难消除.如在预处理过程中采用7@7模板滤波,再现结果如图4(b)所示,其中寄生干涉引入的再现噪声未得到较有效的抑制.(a)预处理前(b)预处理后图3频谱相对强度分布(a)3@3(b)7@7图4采用不同滤波模板预处理后的再现像与一些现有消除零级像的方法相比较,本文方法只需记录一幅数字全息图,无需增加实验装置的复杂性,直接对数字全息图在空域进行预处理,算法简单,处理速度快.2.3增强再现像质数字全息再现像质不仅受到零级衍射的干扰,还受到激光散斑噪声的影响.高相干的激光在粗糙物体表面反射时,物体上各点散射的子波在空间相干叠加,就形成了空间强度随机分布的、颗粒状的激光散斑.图5(a)是图4(a)右上角实像的放大图,同时通过灰度变换扩展了实像的对比度,调节了实像的亮度.从图5(a)可以看出,散斑噪声对实像像质的影响较为严重.针对数字全息再现像中散斑噪声的抑制问题,文献[10]早有报道.第3期朱余良,周皓,顾济华:数字全息再现像质的改善55在数字全息中,激光散斑是不可避免的高频噪声,可通过图像平滑化处理来抑制.常用的平滑滤波方法有均值滤波和中值滤波.图5(b)是采用3@3模板对图7(a)中值滤波后的结果,与图5(a)相比,散斑噪声得到有效抑制,像质有较大改善.值得注意的是,在图像平滑处理过程中模板大小的选择很重要,模板越大,平滑效果越明显,但会造成图像细节信息的丢失,模板大小的选择要在保证消除噪声的前提下尽可能保持图像的细节信息.(a)中值滤波前的结果(b)3@3模板中值滤波后的结果图5中值滤波前后的放大像3小结本文从数字全息图的记录、零级衍射的消除、再现像质的增强三个方面着手,对数字全息再现像质的改善进行了研究.实验结果表明,合理确定全息记录参数以及熟练的光路调节技术对记录高质量全息图起到关键作用,而零级衍射的消除以及再现图像的增强过程可以进一步改善数字全息再现像的质量,从而对数字全息技术用于高速实时的测量领域具有重要意义.参考文献:[1]Goo d m an JW,La wrence R W.D i gita l i m age for m ulati on fro m e lectron i ca lly detected hol ogra m s[J].App l Phys Lett,1967,11(3):77-79.[2]葛宝臻,邹瑾,吕且妮.基于4f系统的数字全息表面三维形貌恢复技术[J].天津大学学报,2006,39(6):712-716.[3]ChoiY,Lee S.Three2di m ens i ona l vol um etr i c m easure m en t of red b l ood ce llmoti on usi ng d i gita l holographic m i c roscopy[J].App lOpt,2009,48(16):2983-2990.[4]尉迟亮,顾济华,刘薇,等.基于数字全息及离散余弦变换的图像数字水印技术[J].光学学报,2006,26(3):355-361.[5]钟丽云,张以谟,吕晓旭,等.数字全息中的一些基本问题分析[J].光学学报,2004,24(4):465-471.[6]Cuche E,M arquet P,Depeu rsinge C.Spa tia l filtering f or zero2order and t wi n2i m age eli m ina ti on i n d i gita l off2axis hol ography[J].Appl Opt,2000,39(23):4070-4075.[7]Takaki Y,Kawa iH,Ohzu H.H ybri d hol ograph i c m i croscopy free of conjuga te and zero2order i m ages[J].App l Opt,1999,38(23):4990-4996.[8]Kre i s T M,J uept ner W P O.Suppress i on of the dc ter m i n digital holo graphy[J].Opt Eng,1997,36(8):2357-2360.[9]王华英,王大勇,谢建军.用极值频率法分析数字全息的记录条件[J].光子学报,2007,36(4):645-649.[10]Garcia2Sucerqu ia J,R a m irez J A H,P r i eta D V.R educti on of speckle noise i n d i gita l holo graphy by us i ng d i gita l i m age process2i ng[J].Opti k,2005,116(1):44-48.(责任编辑:周建兰)。