基于空间光调制器的非相干数字全息单次曝光研究

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1、学校代码10459学号或申请号201412131603密级硕士学位论文基于空间光调制器的非相干数字全息单次曝光研究作者姓名：白云鹤导师姓名：弓巧侠学科门类：理学专业名称：光学培养院系：物理工程学院完成时间：2018年5月AthesissubmittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofMasterSingle-shotIncoherentDigitalHolographybasedonSpatialLightModulatorByYunheBaiSupervisor:QiaoxiaG

2、ongOpticsSchoolofPhysicsandEngineeringMay,2018学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者：日期：年月日学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同

3、意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。学位论文作者：日期：年月日摘要近年来，数字全息术飞速发展，该技术是基于光学成像原理在光电耦合器件CCD或者CMOS上记录物体的光场信息的，然后在计算机上经数值再现算法重构出原物光场。若采用

4、高相干性的激光进行记录，会产生散斑噪声，光路中的光学元件的反射也会产生寄生干涉，而非相干数字全息术采用的是非相干光源照明实现干涉记录，克服了这一缺点。作为非相干数字全息术中最引人关注的是菲涅尔非相干相关全息术(FINCH)，该技术物参共路，使外界环境的干扰在记录时被有效消除，提高了该装置的实用性能及稳定性能。通过改变空间光调制器（SpatialLightModulator，SLM）前置的光路能够实现不同功能的成像系统，例如共聚焦显微成像、荧光显微成像、望远成像等。SLM是FINCH成像系统的核心器件，有两方面的作用，一

5、是作为分束器，对入射光波进行振幅分割产生物光波和参考光波，二是作为相移器，在再现过程中结合相移算法完成零级像和共轭像的去除，通过这种方法需要采集多幅全息图，只能对静态物体进行观察与测量，限制其应用范围。同轴数字全息实现单次曝光可以通过改变光路结构实现，但是这一技术在构建与系统调整过程稍显复杂，且会令成本增加，记录元件增多，使其不利于实际应用。也可以利用压缩传感算法(CompressiveSensing，CS)来实现单次曝光，但是CS算法相对复杂，运行程序耗时增加，在高分辨率成像时若采用分块处理还会出现块效应。在近几年的

6、发展中，SLM在数字全息领域的应用越来越广泛，我们利用它的可分区域编码特性对其展开研究，实现FINCH成像单次曝光。本文利用纯相位空间光调制器具有可分区编码调制相位特性，围绕FINCH系统做了如下几方面的分析研究：（1）在波动光学理论基础上推导了全息记录与再现的过程，分析了数字全息和传统全息相比存在的几大优势，并着重分析了同轴数字全息中点扩散函数的数学表达式，如何消除零级项与孪生像的影响。（2）以非相干数字全息为理论依据，推导FINCH系统的点扩散函数、横向放大率、重建距离等数学表达式，并系统地分析了影响分辨率的主要因

7、素及提高分辨率的方法。（3）搭建基于FINCH系统的单次曝光实验光路，利用SLM可分区域编码I的特性制备掩模，在SLM上加载两种不同形式的掩模实现了单次曝光，第一种是单个光轴同时加载三个相移因子0°、120°、240°的掩模，又从掩模的分布排列情况分析了对成像质量的影响；第二种方法是同时加载0°、120°、240°相位，每一个相位具有一个独立的光轴，所对应在的子全息图在CCD上不重叠，利用简单提取程序将不同相移因子对应的子全息图提取出来，在计算机中利用相移技术及数值模拟重建算法衍射再现。（4）搭建基于FINCH系统的显

8、微单次曝光实验系统，根据FINCH单次曝光的方法对显微成像单次曝光进行了实验验证。关键字：非相干数字全息；单次曝光；空间光调制器；分区域编码IIAbstractDigitalholographydevelopsrapidly,whichisbasedontheprincipleofopticalimagingtorecordthe