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数字全息技术及其在粒子场中的应用研究

吕且妮  
【摘要】:数字全息术,即数字记录全息图及数字再现全息图,为全息术提供了另一种的记录和再现方式。它是以CCD作为记录介质直接记录物场的全息图,并存储于计算机,再以数字方式再现,得到原始物场波前分布。由于其结合了计算机的数字性和光学全息术的三维性等优点,因此,在光测量方面具有很好的应用前景,已广泛的应用于科研、工程、生物医学等领域。 本论文以数字全息技术及其在粒子场中应用为主要研究目的和研究内容,围绕这两个主要目的和内容进行了如下的工作: 利用多平面模型,对平面波作为参考光的3D物体离轴和同轴全息记录系统进行了研究,给出了3D物体再现像的数学表达式,对数字再现算法进行了分析,给出了相应的实验结果。 提出了“体数字全息图模型”的概念,给出了数学表达式及其数学模型,利用这种体数字同轴全息图的数字再现实现孪生像的消除,并进行了实验研究。理论分析和实验结果均表明了该方法的可行性。 将低频全息衍射光栅引入数字全息系统中,提出一种简单的数字离轴全息光路系统和零级像消除的实验方法,同时进行了相应的实验研究。实验结果证明了该实验方案的可行性。 依据最高空间频率分析法和本征函数分析法,研究了对一给定的CCD,可允许记录的物体最大区域、物体被记录的最小记录距离、数字全息系统中的空间分辨率、物体信息传递到像方的象素数以及平面全息系统信息量问题;根据相干成像理论,从分析数字全息系统的传递函数入手,进而研究影响再现像质的因素。同时对再现像的横向分辨率、轴向分辨率与被研究物体横向尺寸之间的关系,散斑噪声及数字全息系统再现算法中的近似问题进行了研究。 依据傅立叶光学理论,解释了球面波记录平面波再现的数字全息过程,并给出了数学表达式,同时进行了相应实验研究。 在数字记录的粒子场全息图的再现像分析方面,提出两级阈值一次二值化方法实现粒子与背景分离;提出利用梯度阈值和周长相关作为粒子聚焦与否判 WP=3 焦准则,并对标准粒子场进行测试。同时研究了低速运动粒子场的速度测量实验方法。 本论文研究工作的主要创新点: 提出了“体数字全息图模型”的概念和孪生像的消除方法。 提出一种数字离轴全息实验系统及零级像消除的实验方法。 提出两级阈值一次二值化的阈值设置和梯度阈值和周长相关的判焦准则。 提出一种球面波数字记录平面波数字再现的粒子场数字全息方法,并给出了数学表达式。


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