数字全息显微定量相位测量技术研究
实时数字全息测量温度场研究
（） ２
将温度场 变化 前后 等 曝光 量 记 录的 两幅 全 息 图
实验 光 路 如示 意 图 １布置 ， 氦氖 激 光 器 发 出 的
作数字相加 ， 然后 再进 行 数 字 傅 里 叶变 换 及 滤 波处 理 ， 可 同时再现 出温度场变化 前后 的两个 物 光波复 便 振 幅 ｏ ｘＹ 和 Ｏ （ Ｙ ， （ ，） ，）其叠加光 强分布表 达式为 ：
９７ １
轴对 称 温度 场 的测 量具 有实 际指 导 意义 。
２ 测量 原 理
通 过对 式 （ ） 行 数 学 反 演 ， 可 确 定 被 测 温 ４进 便
度 场 内的折 射率 分 布 ｎ ｒ 。对 于 均匀 透 明介 质 场 ， （） 根 据经 典 电动力 学 的知识 可 以得 到折射 率是 介质 密 度 的 函数 ， Ｇ—Ｄ公式 ： 即
的状 态 方程 ：
ＭＰ
介质受照射区域温度分布 的信息。当对以此为物光 波在 温度 场 随时 间变 化过 程 中 的不 同时刻记 录的全
息 图分别 进行 数 字 处 理后 ， 可 以再 现 出 相应 时刻 便 穿过 温度 场 的光 波 的复振 幅分 布 Ｊ 。 设再 现 的温 度场 变化 前记 录平 面 上 的物光 波复 振 幅分 布为 ：
ＺＨＯＵ ａ －ｏ ｇ Ｚｈ ｎ ｒ ｎ
（ ｅ ａｔｅｔ ｆ ｈ ｓ ｓＳｃｎ ｒｌ ｒ Ｅ ｇ ｅｒ ｇＣ ｌ ｇ ， ｉ ｎ７０ ２ ，ｈｎ ） Ｄ ｐ ｒ ｎ ｙｉ ，ｅｏｄＡ ｉｅ ｎ ｉ ｅ ｎ ｏｌ ｅＸ １０ ５ Ｃ ｉ ｍ ｏＰ ｃ ｔ ｌｙ ｎ ｉ ｅ ａ ａ
第 ４ 卷 第 ８期 ｌ
２１ ０ １年 ８月
激 光 与 红 外
ＬＡＳ ＥＲ ＆ Ｉ ＮＦＲＡＲＥＤ
数字全息测量颗粒场研究进展_吴迎春
建， 能够方便地对全息图进行记录 、 传输 、 保存 、 重建 及后处理 。 小颗粒物质在现代科学与工程中具有广泛存 在， 如 固 体 颗 粒 物、 液 滴、 气 泡、 悬浮颗粒和微生物
如图 １ 所示 ， 考虑笛卡 尔 坐 Leabharlann 系 Ｏ ｘ ｚ 及与之对应的 ｙ
２ 颗粒全息理论及模拟
２． １ 颗粒全息的光散射理论 在数字颗粒全息中 ， 激光照射颗粒场 ， 颗粒散射 没有被颗粒散射的光作为参考光 Ｒ， 光作为物光 Ｏ， 散 射 光 与 参 考 光 相 互 干 涉 形 成 颗 粒 全 息 条 纹 ，被
Ｄ ｅ ｉ ｎ Ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ Ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ Ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｖ ｅ ｌ ｏ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｄ ｉ ｉ ｔ ａ ｌ Ｈ ｏ ｌ ｏ ｒ ａ ｈ ｐ ｇ ｇ ｐ ｙ
Ｗ ｉ ｎ ｃ ｈ ｕ ｎ ｕ Ｘ ｕ ｅ ｃ ｈ ｅ ｎ ｅ ｎ Ｋ ｅ ｆ ａ ｕ Ｙ Ｗ Ｃ ｇ ｇ
１ 引 言
全 息 术 是 一 种 真 正 的 三 维 照 相 技 术 ，由
［］ 全 ９ ｂ ｏ ｒ１ 于 １ ４ ８ 年发 明 。 全 息 术 包 含 两 个 步 骤 ， Ｇ ａ 息图记录与波前重建 。 全息图记录是利用光的干涉
光照射瞬态重建等优点 ， 早期被应用到颗粒测量中 ； 同时 ， 光学全息具有后处理复杂等缺点 ， 如需要化学 处理显影 、 三维扫描重建光场等 ， 因而逐步被数字全
５］ 。 数字全息技术具有对颗粒场进行三维测量 能 等［ ６］ 、 位 力， 三 维 定 量 测 量 及 研 究 这 些 颗 粒 物 的 粒 径［ ］ ６］ ７－１ ０ 、 置［ 速度 ［ 等信息对 许 多 工 业 过 程 具 有 重 要 作
数字全息显微术中Zernike表面拟合的相位畸变自动补偿
数字全息显微术中Zernike表面拟合的相位畸变自动补偿刘芸;焦明星;邢俊红;刘健宁【摘要】Digital holographic microscopy (DHM) has been widely applied for the topography measurement of microscopic specimen.However,the off-axis arrangement and microscope objective introduce the first-order and second-order phase distortion in DHM respectively,and thus the phase tilt and curvature appear in the reconstructed image,leading to a failure in retrieving the correct three-dimensional information of specimen.A total surface fitting method based on Zernike polynomials is presented to compensate the phase distortion,in which the thin specimen with high-spatial-frequency content is considered to be a small modulation superimposed on the whole phase distortion.The total phase surface fitting based on Zernike polynomials is performed to eliminate thetilt,defocus,astigmatism,coma and spherical aberration.The phase distortion can be automatically compensated in the reconstructed image.The approach can compensate the several primary aberrations by only one hologram.It has the advantage of simple and fast execution.The phase grating experiment demonstrates the feasibility of the approach and retrieves correctly the three-dimensional topography of grating.%数字全息显微技术被广泛应用于微结构样本的三维轮廓测量,然而,显微光路中离轴引入的一次相位畸变和显微物镜引入的二次相位畸变,会使再现像相位出现倾斜和弯曲,无法获得样本的正确三维信息.本文提出了一种Zernike多项式表面拟合的再现像相位畸变补偿方法,将高空间频率分布的薄样本看作是叠加在整个相位畸变上的一个小的扰动,通过Zernike多项式对整个相位表面的拟合,消除了倾斜、离焦、像散、彗差和球差的影响,实现了再现像相位畸变的自动补偿.该方法只需一幅全息图,就可以补偿多项初级像差,执行简单,速度快.以相位光栅为样本,实验验证了该方法的可行性,获得了光栅的正确三维形貌.【期刊名称】《西安理工大学学报》【年(卷),期】2017(033)002【总页数】6页(P193-198)【关键词】数字全息显微;相位畸变补偿;表面拟合法;Zernike多项式拟合【作者】刘芸;焦明星;邢俊红;刘健宁【作者单位】西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西西安710048;西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西西安710048;西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西西安710048;西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西西安710048【正文语种】中文【中图分类】TB96数字全息显微技术(DHM)具有全场、三维、无侵入、动态测量的优点,已在生物、粒子场、MEMS等应用领域得到了越来越广泛的关注[1-3]。
【浙江省自然科学基金】_相位测量_期刊发文热词逐年推荐_20140812
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
2013年 科研热词 高阶谐波 频域滤波 零相位检测 随机相移 线性拟合 标准偏差 最小二乘迭代 合成波长 dsp 推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2014年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
2008年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
科研热词 相移算法 相位测量轮廓术 测量 信息光学 飞秒激光脉冲 频率分辨光学门 非线性响应 超短脉冲 矩阵 干涉自相关二次谐波 噪音抑制 啁啾 包络 亚像素
推荐指数 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2009年 序号
科研热词 1 纳米光纤 2 光纤传感器 3 倏逝波
推荐指数 1 1 1
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
科研热词 零相位差 闭环自激系统 锁相环 计算全息 衍射光学元件 螺旋相位板 空间载波相移 空间光调制器(slm) 相位解调 相位物体 相位检测 相位掩模干涉图 相位掩模 环境工程学 激光直写 浮绳式网箱 测量 波浪力 水槽试验 条纹分析 微谐振器 干涉测量 噻菌灵 吸收谱 农药残留 养殖网箱 光电子学与激光技术 光学涡旋 傅里叶分析 低通滤波 thz-tds g-s算法
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
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
数字全息显微测量中相位畸变的矫正方法
数字全息显微测量中相位畸变的矫正方法
数字全息显微测量中相位畸变的矫正方法主要有以下几种：
1、基于模板的相位畸变矫正法：这种方法基于特定的模板，通过计算模板的相位和待测量物体的相位之间的差异来矫正相位畸变。
2、基于最小二乘的相位畸变矫正法：这种方法基于最小二乘法，通过计算相位和像素位置之间的差异来矫正相位畸变。
3、基于分块的相位畸变矫正法：这种方法基于将图像分块的思想，通过计算每一块图像的相位和其他块图像的相位之间的差异来矫正相位畸变。
4、基于滤波的相位畸变矫正法：这种方法基于滤波，通过计算图像的滤波响应和其他像素的滤波响应之间的差异来矫正相位畸变。
物理实验中微小位移量的几种光学测量方法
物理实验中微小位移量的几种光学测量方法在物理实验中，测量微小位移量是非常重要的。
微小位移量的测量可以用来研究物体的运动规律和性质，同时也可以应用到各种不同的领域，例如工程、医学、空间科学等。
光学测量方法是一种常用的方法，它采用光学原理来测量微小位移量，具有非接触性、高精度和高灵敏度等优点。
本文将介绍几种常用的光学测量方法，包括差动测量法、干涉测量法、激光测量法和数字全息测量法，并对它们的原理、应用和优缺点进行详细介绍。
差动测量法是一种基于两束光的相位差来测量微小位移量的方法。
它的基本原理是将两束光沿不同的光路传播，然后再将它们进行合并，通过比较两束光的相位差来测量位移量。
差动测量法在实际应用中有多种实现方式，例如双臂激光干涉仪、激光多普勒测速仪等。
双臂激光干涉仪是最常见的一种实现方式，它采用激光作为光源，通过将激光分为两束，分别沿不同的光路传播，并最终在相位板上进行叠加来进行测量。
在测量时，当被测物体发生微小位移时，两束光的相位差会发生变化，通过测量这种相位差的变化就可以得到位移量。
差动测量法在很多领域都有广泛的应用，例如机械工程、光学工程、材料科学等。
它具有非接触性、高精度和稳定性的优点，在微小位移量的测量中有着很高的应用价值。
但是，差动测量法也有一些缺点，例如对环境条件要求较高，需要较长的测量时间，同时对系统的稳定性和复杂性也有一定要求。
干涉测量法是一种基于光的干涉现象来测量微小位移量的方法。
干涉测量法的基本原理是利用干涉仪的干涉图样来测量光的相位差，从而得到被测物体的位移量。
干涉测量法在实际应用中有多种实现方式，例如薄膜干涉法、多束干涉法和全息干涉法等。
薄膜干涉法是一种常见的实现方式，它采用薄膜反射镜或衍射光栅等器件来产生干涉图样，通过测量干涉图样的变化来测量位移量。
在测量时，通常需要通过对干涉图样进行处理，例如通过解调或者数字图像处理等方式，来得到被测物体的位移量。
干涉测量法在很多领域都有广泛的应用，例如半导体制造、光学显微镜、生物医学等。
数字全息技术
当物体与全息图平面的距离远大于物体的尺寸 时 ,我们可以利用离散逆菲涅耳变换重建原物像[3 ] , 即
M- 1 N- 1
( m , n) = u′
j =0
∑∑h ( j , l ) r ( j , l ) ・
l =0
exp
( Δ ζ + lΔ η ) exp i2 π λ j d′
3. 2 卷积法
由于衍射积分可以看作是物波函数与自由空间 脉冲响应函数
图1 光学全息示意图 (a) 传统的光学全息 ; ( b) 计算全息 ; (c) 数字全息
) = g ( x′ , y′ ,ζ,η
2 ) 2 + (η - y′ )2 1 exp i k d′ + (ζ - x′ 2 iλ ) 2 + (η - y′ )2 d′ + (ζ - x′
物理学和高新技术
数字全息技术的原理和应用 3
郑德香 张 岩 沈京玲 张存林
( 首都师范大学物理系 北京 100037)
摘 要 数字全息是随着现代计算机和 CCD 技术发展而产生的一种新的全息成像技术 . 文章主要介绍数字全息 技术的基本原理 ,数字全息重建中的主要方法以及数字全息技术以其独特的优点在各个领域中的应用 . 关键词 数字全息 ,图像重建 ,微结构检测
其中 G 代表菲涅耳变换算符 , A = G G , a1 , <1 , a2 , <2 分别是光波在物体平面和全息图平面上的振幅 和相位分布 . 杨 - 顾算法也是一种相当重要的方法 , 它不仅解决了一般位相恢复算法中能量损失的问 题 ,而且适用于多波长和多平面系统 ,基本不受初始 值的影响 ,因此采用杨 - 顾位相恢复算法处理的重 建图像具有更高的分辨率 . 图 ( 2) 给出了利用杨 - 顾 算法重建纯吸收物体全息图的一个结果[7 ] , 重建图 像中由头发组成的十字叉丝十分清晰 . 除了上述的几种方法外 ,小波变换 [8 ] ,分数傅立 叶变换 [9 ] 等都可以用来进行数字全息的重建 , 这里 就不再一一赘述 .
- 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)。
数字全息显微定量相位测量技术研究
数字全息显微技术具备非接触式、无标记、高分辨率、低成本、快速重建等优点,是定量相位测量领域最具代表性的技术之一,在纳米微粒追踪、微流体、活细胞观测、微光学元件表征、MEMS测量、生命科学等领域有着广泛应用。
它可以通过单幅全息图同时获得物体的强度信息和相位信息。
本文围绕数字全息显微定量相位测量技术中的数字记录、数值重建、相位处理开展相关研究,探索离轴倾斜补偿方法、二次相位畸变物理补偿和数值补偿方法、基于离焦全息图的相位恢复方法和多模式数字全息显微系统的设计。
论文的核心内容及创新点可以概括为以下五个方面:(1)提出一种基于全息图旋转的离轴倾斜补偿方法,并应用于共路数字全息显微中。
数字全息显微离轴结构,其离轴角度引入的倾斜是数字全息显微定量相位测量的一个重要相位畸变源。
对原始全息图旋转180~°,得到旋转全息图。
将原始全息图恢复的展开相位(+1级像)减去旋转全息图恢复的展开相位(-1级像),即可去除倾斜畸变,不需要复杂的频谱中心选择、数值拟合过程以及系统的先验知识。
微透镜阵列和相位板实验结果证明了所提方法的有效性和准确性。
(2)提出一种基于电控变焦透镜的二次相位畸变物理补偿法。
对于传统数字全息显微系统,物光路常使用显微物镜来提高物体成像的横向分辨率。
使用显微物镜引入的二次相位畸变是数字全息显微定量相位测量的另外一个重要的畸变源。
为了解决这个问题,在参考臂放置一个电控变焦透镜,通过准确控制电控变焦透镜的外部电流得到不同分布的参考光波面,用来匹配使用不同显微物镜产生的物光波面,无需复杂的光学元件对准操作。
所提方法适合于实时定量相位成像,特别涉及到多个显微物镜。
模拟分析和不同倍率显微物镜(4×、10×)的实验补偿结果证明了所提方法的有效性。
(3)提出一种基于几何变换的二次相位畸变数值补偿法。
与物理补偿法相比,数值补偿法为补偿二次相位畸变提供了新的思路。
对原始全息图作几何变换操作(上下翻转、左右翻转、旋转180~°或者转置),得到变换全息图。
将原始全息图恢复的展开相位(+1级像)减去变换全息图恢复的展开相位(+1级像),即可消除二次相位畸变。
所提方法简单、有效,可适用于单帧定量相位成像,且无需数值拟合操作或者系统和物体的先验知识。
模拟分析和微透镜阵列、相位板、细胞的实验补偿结果证明了所提方法的有效性。
(4)提出一种基于离焦全息图的数字全息显微相位恢复方法。
数字全息显微定量相位测量中相位恢复方法主要有傅里叶变换法和相移法。
傅里叶变换法需要复杂的频谱选取操作选取完整的+1级像信息,相移法需
要额外的相移装置。
为解决以上问题,给定3个离焦距离和3幅离焦全息图,推导了一个简单的代数方程,用来恢复待测物体的相位分布。
为了避免移动系统元件或待测物体,利用ETL-41)系统灵活、准确采集不同离焦全息图。
所提方法适用于同轴全息图和离轴全息图,避免了迭代运算、复杂频谱选择、引入相移装置、待测物体假设或者系统先验知识的需求。
模拟分析和微透镜阵列、水滴实验结果证明了所提方法的有效性。
(5)提出一种多模式数字全息显微系统。
它集成了单波长透射结构、反射结构和双波长反射结构。
所提系统中使用方形分束镜实现共路离轴结构,物光和参考光经过了相同的路径。
所提共路系统不仅稳定性高,且去除了二次相位畸变。
利用该系统分别对单波长下透射型和反射型样品、双波长下反射型样品进行了测量和分析。
实验结果证明了所提系统的实用性。