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数字全息的基本问题分析及实现方法研究

钟丽云  
【摘要】:数字全息用电荷耦合成像器件CCD代替传统全息材料记录全息图,用计算机模拟再现取代光学衍射来实现所记录全息图的数字再现,实现了全息的记录、存储和再现全过程的数字化。在细胞培养观测、微电路检测、粒度分析、力学测量、形貌和变形测量、透明场测量等方面,数字全息能够充分发挥其特点和优势,有着广泛的应用前景。 本论文通过理论分析、模拟计算和实验,对数字全息图的记录条件、再现光场的分离、提高测量系统分辨率和再像清晰度、降低再现像的噪声等数字全息应用中的基本问题,进行了系统的研究。通过对不同的数字全息技术、它们之间的比较以及它们之间组合的研究,取得了一些有意义的结果,对一些实验现象给出了合理的解释,取得了如下具有创新性的研究结果: 推导出了同时满足采样和再现分离条件时,CCD及物体的横向尺寸、物体及参考光源至CCD的距离之间需要满足的关系式,可以用于估算球面参考光、平面参考光记录的初始光路结构;证明了无透镜傅里叶变换全息术是一种优化的数字全息记录光路结构:最容易满足采样和分离条件,可以记录最多的物光信息;证明了完全散射物光场的无透镜傅里叶变换数字全息图可以近似等效为两个点光源的叠加,其再现光场的信噪比比较低。 证明相移技术与同轴无透镜傅里叶数字全息术结合,是目前解决数字全息术中再现像的分离与满足采样条件之间矛盾的优化方法,尤其在大孔径数字全息图的记录和再现时,更能显示这种方法的优点。其中同轴方法实现信息采集的最大化、无透镜傅里叶变换光路结构解决满足采样条件问题、相移技术解决再现像的分离问题和提高信噪比。 提出了用多参考光实现合成孔径数字全息的记录再现方法。特别对合成孔径数字再现中的三种方法进行比较和实验研究,结果表明:用子全息图拼接的合成孔径数字全息后再现,与先用单个子数字全息图再现,再将各子再现光场复振幅叠加或强度叠加三种再现方法均可显著提高再现像的分辨率, 但后两者的记录和再现难度远小于前者。 利用全息图所记录的高次项的相位可以被再现光波中的高次项相位补偿的事实,推导出了一种不满足菲涅耳衍射再现显微数字全息图的傅里叶变换算法,并给出了应用这种算法的条件和设计记录光路的方法。


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