数字全息图像处理技术研究.doc

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1、数字全息图像处理技术研究【摘要】本文从理论和实验研究了数字全息图像处理技术。记录采用离轴数字全息光路，预处理算法采用数字相减法，再现利用菲涅尔变换算法做衍射数值计算。实验结果表明，本文的研究方法能成功获取数字全息图像并进行数字全息图像再现。【关键词】数字全息;数字再现;菲涅尔变换1・引言“数字全息术”最早是在1967年由Goodman提出的［1］。它是以传统模拟光学理论为基础，记录介质用数字相机代替，得到离散化数字全息图后存入到计算机中，再利用图像处理算法将其还原。但数字全息术对数字相机的分辨率要求很高，所以一直以來数字全息术发展很缓慢

2、［2］。近年来，随着数字相机CCD、CMOS分辨率的人幅提高，数字全息术的研究也越来越受到重视［3］,但现有的CCD或CMOS的分辨率还是很难满足数字全息术的要求，从而导致再现像的质量较差。为解决这个问题，本文对传统模拟光学的记录光路进行了一些改进，把光路中的物参角（物光与参考光之间的夹角）调节到很小，以满足对物体的采样，并月-用了两次预处理算法（数字相减法和频谱滤波法）对该数字全息图进行预处理［4］,最后利用菲涅尔变换法重建出物体的图像，得到了比较好的实验结果。2.数字全息记录光路分析数字全息图的记录光路主要有两种，分别为同轴光路和离

3、轴光路。同轴记录光路能充分利用CCD的像素，比较好的消除零级像和共轨像，但需要拍摄多幅图像，对实验装置的稳定性要求很高［5］。普通离轴记录光路的结构简单，但不能有效利用CCD像索，而口.零级像和共辘像不易消除。因此本文对普通离轴记录光路进行了一些改进：为了使CCD的分辨率满足对物光空间频率的采样要求，把物参角调节到很小；为了消除掉零级像和共辘像，在数字全息图的预处理中使用了两次预处理算法。图1为离轴数字全息记录光路示意图：图1离轴数字全息记录光路结构图图2光学全息再现示意图激光照射到透射镜分为两束光，分别为参考光和物光，参考光经过分束镜

4、后直接照射到CCD±,物光经过分束镜后照射到物体，物体发生漫反射后的物光也投射到干板上，物光和参考光在CCD上叠加发生干涉效应，在CCD上形成一条条精密的F涉条纹。但是，由于CCD的像素比模拟光学记录介质干板分辨率小得多［6］,为了使CCD的分辨率满足对物光空间频率的采样要求，对该光路进行分析，设在数字全息图记录过程中的参考光和物光在图像传感器CCD上的最大夹角为，则CCD上最小条纹间距为：(1)所以图像传感器CCD上的最大空间频率为：(2)假设图像传感器CCD像素大小为，要满足奈奎斯特采样定理，因此两个像索周期至少要小于一个条纹周期，

5、也就是，拍摄的物体信息才能成功还原。所以光路中参考光和物光的夹角很小，所以，则有:本设计釆用的CCD的面阵大小为6.4X4.8mm2,像素尺寸为8.IX&lum2,激光波长为523nm,根据(3)式，得出为2.2oo因此，在调节光路时，要保证物参角小于2.2oo3•数字全息图重建图2为模拟光学全息图再现示意图，一束激光照射到全息图底片上后发生衍射，人眼在全息底片后方可观察到在空间中有一个物体的虚像。要从数字全息图中得到物体的像，就是利用计算机模拟一束照明光透过数字全息图示发生的衍射过程，该过程可称为衍射数值计算。但由丁•数字全息图屮包含

6、零级像和共辘像，消除零级像和共轨像的过程称为数字全息图预处理过程。所以要重建数字全息图，就需要先对它做预处理。2.1数字全息图预处理数字全息图的光强度可表示为:(4)其屮为零级像分量，为共轨像分量，为原始像分量。而如果直接对数字全息图再现，则再现像会有零级像和共辘像的干扰。要得到清晰的原像,就必需要消除零级像和共轨像的干扰，而数宁全息图预处理就是要消除这项干扰。一般來说，预处理只需要频谱滤波法就可以，但用该离轴光路记录的数字全息图，零级像与原始像的频谱难以分开，因此，本文在预处理算法屮加入数字相减法。消除零级像干扰采用数字相减法，首先用

7、CCD分别将全息图的光强分布IH、物光光强分布和参考光光强分布，离散化存入计算机后，然后在计算机上编写程序对上面所采集到的三幅图像数据在数学上进行相减得到IH',即：(5)所以用数字相减法处理后的数字全息图就只剩下原始像和共轨像，而零级像被消除掉。消除共辘像干扰采用频谱滤波法。下图为频谱滤波法流程图：图3频谱滤波流程图在计算机上对经过数字相减后的全息图先进行傅里叶变换，得到全息图的频谱图，然后选择好滤波区域，对该区域的值清零，最后再对该图进行傅里叶逆变换就可以得到只剩下原始像的数字全息图，从而共轨像被消除掉。本文的离轴光路所记录的数宁全

8、息图，预处理过程采用数字相减法与频谱滤波法的结合，能有效的消除零级像和共辘像［7］。3.2数字全息图重建衍射数值计算有卷积法和菲涅尔变换法等算法，本论文采用简单、快速、实用的菲涅尔变换法來重建数字全息图［8