數(shù)字全息圖像處理技術(shù)研究.doc

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1、數(shù)字全息圖像處理技術(shù)研究【摘要】本文從理論和實(shí)驗(yàn)研究了數(shù)字全息圖像處理技術(shù)。記錄采用離軸數(shù)字全息光路，預(yù)處理算法采用數(shù)字相減法，再現(xiàn)利用菲涅爾變換算法做衍射數(shù)值計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的研究方法能成功獲取數(shù)字全息圖像并進(jìn)行數(shù)字全息圖像再現(xiàn)?！娟P(guān)鍵詞】數(shù)字全息;數(shù)字再現(xiàn);菲涅爾變換1?引言“數(shù)字全息術(shù)”最早是在1967年由Goodman提出的［1］。它是以傳統(tǒng)模擬光學(xué)理論為基礎(chǔ)，記錄介質(zhì)用數(shù)字相機(jī)代替，得到離散化數(shù)字全息圖后存入到計(jì)算機(jī)中，再利用圖像處理算法將其還原。但數(shù)字全息術(shù)對數(shù)字相機(jī)的分辨率要求很高，所以一直以來數(shù)字全息術(shù)發(fā)展很緩慢

2、［2］。近年來，隨著數(shù)字相機(jī)CCD、CMOS分辨率的人幅提高，數(shù)字全息術(shù)的研究也越來越受到重視［3］,但現(xiàn)有的CCD或CMOS的分辨率還是很難滿足數(shù)字全息術(shù)的要求，從而導(dǎo)致再現(xiàn)像的質(zhì)量較差。為解決這個(gè)問題，本文對傳統(tǒng)模擬光學(xué)的記錄光路進(jìn)行了一些改進(jìn)，把光路中的物參角（物光與參考光之間的夾角）調(diào)節(jié)到很小，以滿足對物體的采樣，并月-用了兩次預(yù)處理算法（數(shù)字相減法和頻譜濾波法）對該數(shù)字全息圖進(jìn)行預(yù)處理［4］,最后利用菲涅爾變換法重建出物體的圖像，得到了比較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2.數(shù)字全息記錄光路分析數(shù)字全息圖的記錄光路主要有兩種，分別為同軸光路和離

3、軸光路。同軸記錄光路能充分利用CCD的像素，比較好的消除零級像和共軌像，但需要拍攝多幅圖像，對實(shí)驗(yàn)裝置的穩(wěn)定性要求很高［5］。普通離軸記錄光路的結(jié)構(gòu)簡單，但不能有效利用CCD像索，而口.零級像和共轆像不易消除。因此本文對普通離軸記錄光路進(jìn)行了一些改進(jìn)：為了使CCD的分辨率滿足對物光空間頻率的采樣要求，把物參角調(diào)節(jié)到很??；為了消除掉零級像和共轆像，在數(shù)字全息圖的預(yù)處理中使用了兩次預(yù)處理算法。圖1為離軸數(shù)字全息記錄光路示意圖：圖1離軸數(shù)字全息記錄光路結(jié)構(gòu)圖圖2光學(xué)全息再現(xiàn)示意圖激光照射到透射鏡分為兩束光，分別為參考光和物光，參考光經(jīng)過分束鏡

4、后直接照射到CCD±,物光經(jīng)過分束鏡后照射到物體，物體發(fā)生漫反射后的物光也投射到干板上，物光和參考光在CCD上疊加發(fā)生干涉效應(yīng)，在CCD上形成一條條精密的F涉條紋。但是，由于CCD的像素比模擬光學(xué)記錄介質(zhì)干板分辨率小得多［6］,為了使CCD的分辨率滿足對物光空間頻率的采樣要求，對該光路進(jìn)行分析，設(shè)在數(shù)字全息圖記錄過程中的參考光和物光在圖像傳感器CCD上的最大夾角為，則CCD上最小條紋間距為：(1)所以圖像傳感器CCD上的最大空間頻率為：(2)假設(shè)圖像傳感器CCD像素大小為，要滿足奈奎斯特采樣定理，因此兩個(gè)像索周期至少要小于一個(gè)條紋周期，

5、也就是，拍攝的物體信息才能成功還原。所以光路中參考光和物光的夾角很小，所以，則有:本設(shè)計(jì)釆用的CCD的面陣大小為6.4X4.8mm2,像素尺寸為8.IX&lum2,激光波長為523nm,根據(jù)(3)式，得出為2.2oo因此，在調(diào)節(jié)光路時(shí)，要保證物參角小于2.2oo3?數(shù)字全息圖重建圖2為模擬光學(xué)全息圖再現(xiàn)示意圖，一束激光照射到全息圖底片上后發(fā)生衍射，人眼在全息底片后方可觀察到在空間中有一個(gè)物體的虛像。要從數(shù)字全息圖中得到物體的像，就是利用計(jì)算機(jī)模擬一束照明光透過數(shù)字全息圖示發(fā)生的衍射過程，該過程可稱為衍射數(shù)值計(jì)算。但由丁?數(shù)字全息圖屮包含

6、零級像和共轆像，消除零級像和共軌像的過程稱為數(shù)字全息圖預(yù)處理過程。所以要重建數(shù)字全息圖，就需要先對它做預(yù)處理。2.1數(shù)字全息圖預(yù)處理數(shù)字全息圖的光強(qiáng)度可表示為:(4)其屮為零級像分量，為共軌像分量，為原始像分量。而如果直接對數(shù)字全息圖再現(xiàn)，則再現(xiàn)像會(huì)有零級像和共轆像的干擾。要得到清晰的原像,就必需要消除零級像和共軌像的干擾，而數(shù)寧全息圖預(yù)處理就是要消除這項(xiàng)干擾。一般來說，預(yù)處理只需要頻譜濾波法就可以，但用該離軸光路記錄的數(shù)字全息圖，零級像與原始像的頻譜難以分開，因此，本文在預(yù)處理算法屮加入數(shù)字相減法。消除零級像干擾采用數(shù)字相減法，首先用

7、CCD分別將全息圖的光強(qiáng)分布IH、物光光強(qiáng)分布和參考光光強(qiáng)分布，離散化存入計(jì)算機(jī)后，然后在計(jì)算機(jī)上編寫程序?qū)ι厦嫠杉降娜鶊D像數(shù)據(jù)在數(shù)學(xué)上進(jìn)行相減得到IH',即：(5)所以用數(shù)字相減法處理后的數(shù)字全息圖就只剩下原始像和共軌像，而零級像被消除掉。消除共轆像干擾采用頻譜濾波法。下圖為頻譜濾波法流程圖：圖3頻譜濾波流程圖在計(jì)算機(jī)上對經(jīng)過數(shù)字相減后的全息圖先進(jìn)行傅里葉變換，得到全息圖的頻譜圖，然后選擇好濾波區(qū)域，對該區(qū)域的值清零，最后再對該圖進(jìn)行傅里葉逆變換就可以得到只剩下原始像的數(shù)字全息圖，從而共軌像被消除掉。本文的離軸光路所記錄的數(shù)寧全

8、息圖，預(yù)處理過程采用數(shù)字相減法與頻譜濾波法的結(jié)合，能有效的消除零級像和共轆像［7］。3.2數(shù)字全息圖重建衍射數(shù)值計(jì)算有卷積法和菲涅爾變換法等算法，本論文采用簡單、快速、實(shí)用的菲涅爾變換法來重建數(shù)字全息圖［8