（精密仪器及机械专业论文）基于数字全息的计算机再现和变形测量技术(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 数字全息技术是物体影像计算机再现和物体状态信息检测如变形测量的重要技 术方法，它是传统全息技术的数字化版本，采用高分辨率的c c d 实现全息图的数字 化记录，利用计算机进行数字化处理。结合光电再现技术还可实现实际物体的空间 三维影像再现。本文简介了全息术的发展历史及其基本应用，对数字全息技术和传 统全息技术的特点进行了比较，说明了论文研究的目的和意义。 论文的工作重点是物信息的计算机再现和变形测量技术的研究，其基础是数字 全息技术和数字全息干涉计量技术的基本原理，在再现方法和变形测量方法上与传 统全息有所不同：采用数字化的计算机再现和变形测量。主要分为两类：单幅数字 全息技术和相移数字全息技术。 对于全息图再现，物理光学上是一个衍射过程，在数学上有准确的描述：瑞利 一索莫菲尔德衍射公式。在计算机中可以基于该公式实现数字再现过程。为了便于 利用该公式量化计算，有多种计算算法，主要有：菲涅尔近似法和卷积处理法。文 中介绍了这些算法，并对在此基础上的一些衍生算法进行了总结，指出了它们的优 缺点。对于相移数字全息技术的再现则包括求解全息面上物光波分布和物面上物体 影像再现，其再现方法有：反变换方法和傅里叶变换法。本文详细描述了数字全息 再现中再现图像的误差抑制和像质处理问题如：确定再现距离、消除中间亮斑、提 高分辨率和对比度以及抑制相移误差等。作者结合国内外已有研究和自己的思考， 提出了改进空间滤波法、c c d 移位成像和边缘检测等图像处理方法以及改进相移算 法，为最终获得较高精度再现图像打下了坚实的理论基础。 数字全息能够直接计算物波的光强信息和位相信息并分别量化表示，这对于物 信息的变形测量来说是个很大的革新：利用数字全息技术，不必先获得叠加干涉条 纹、通过判读条纹图获取变形信息，而是直接计算变形前后物波位相信息之差，获 得表征物体变形量的解包裹位相差分布图。本文分别利用单幅和相移数字全息变形 测量技术对高精度的物信息进行了变形测量。 针对变形测量动态实时处理的应用要求，本文编制了计算机自动控制p z t 实现 多步相移和相移量计算以及数字全息图实时采集和自动采集、存储及显示的软件， 为课题的进一步工作提供了有益的工具。 论文在上述理论工作的基础上，搭建了实验平台，进行了实验工作。测量对象 是硬币的表面图案。进行的实验包括：利用菲涅耳近似法进行单幅再现；利用双曝 光法变形测量；利用相移数字全息技术获得全息面上物信息、利用反变换法再现： 利用“4 + 4 ”、“2 + 2 ”等算法进行变形测量以及单幅再现和相移再现时的误差抑制、 图像处理等实验。 最后，本文对全文工作进行了总结，提出了下一步工作的建议和设想。 关键词：数字全息技术，计算机再现，变形测量，单幅数字全息技术，相移数 字全息技术 a b s t r a c t d i g i t a lh o l o g r a p h yi sa l li m p o r t a n tt e c h n i q u et or e a l i z ec o m p u t e rr e c o n s t r u c t i o na n di n f o r m a t i o n t e s t i n gs u c ha sd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t i ti st h ed i g i t a le d i t i o no ft r a d i t i o n a lh o l o g r a p h yb e c a u s eo f i t s d i g i t a lr e g i s t e rw i t hh i g hr e s o l u t i o nc c da n dd i g i t a ld i s p o s a li n c l u d i n gr e c o n s t r u c t i o n a n d m e t r o l o g yb yc o m p u t e r c o m b i n e dw i t ho p t e l e c t r i cr e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e ，i tc a nr e a l i z e3 d s p a t i a l i m a g er e c o n s t r u c t i o no fr e a lo b j e c t s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep h y i o g e n ya n da p p l i c a t i o n so fd i g i t a l h o l o g r a p h yb r i e f l y a n ds u m m a r i z e st h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nd i g i t a lh o l o g r a p h ya n dt r a d i t i o n a l h o l o g r a p h yt os h o wt h et a r g e ta n ds i g n i f i c a n c eo f o u rr e s e a r c h t h ee m p h a s i so fo u rw o r ki st h es t u d yo nc o m p u t e rr e c o n s t r u c t i o na n dd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t t e c h n i q u eo nt h eb a s i so fd i g i t a lh o l o g r a p h ya n dd i g i t a lh o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t r y i tu t i l i z e s t h e d i g i t a lc o m p u t e rt or e c o n s t r u c ta n dt e s tt h eo b j e c t s t h et e c h n i q u ec a nb ed i v i d e di n t ot w ok i n d s ： s i n g l e - p a t t e r nd i g i t a lh o l o g r a p h ya n dp h a s e s h i f t i n gd i g i t a lh o l o g r a p h y ， s i n g l e - p a t t e r nc o m p u t e rr e c o n s t r u c t i o n ，ad i f f r a c t i o np r o c e s s i np h y s i c a lo p t i c s t h e o r y , h a sa n e x a c tm a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n ：r a y l e i g h - - s o m m e r f e l dd i f f r a c t i o nf o r m u l a ，w h i c ho f f e r sf e a s i b i l i t yt o d i g i t a lc o m p u t e rr e c o n s t r u c t i o n a n dt h e r ea r em a n yn u m e r i c a lm e t h o d sf o rq u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o no f t h ef o r m u l a h e r et w om e t h o d sa r em a i n l yd e s c r i b e d ：f r e s n e la p p r o x i m a t i o nm e t h o da n dc o n v o l u t i o n m e t h o d d e r i v i n g f r o mt h e m ，o t h e r a l g o r i t h m s a r es u m m e d u p a n dt h e i r a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e sa r ed i s c u s s e d a sf o rp h a s e - s h i f t i n gc o m p u t e rr e c o n s t r u c t i o n ，t w os t e p sa r ei n c l u d e d ： o b t a i n i n gt h eo b j e c ti n f o r m a t i o no nh o l o g r a mp l a n ea n dr e c o n s t r u c t i n gi to no r i g i n a lp l a n e h e r et h e r e c o n s t r u c t i o nm e t h o d sa r er e v e r s et r a n s f o r mm e t h o da n df o u r i e rt r a n s f o r mm e t h o d t h i sp a p e r p r e s e n t sm a n ym e t h o d st os u p p r e s se r r o r sa n di m p r o v eq u a l i t yo fr e c o n s t r u c t i o ni m a g e s ，s u c ha s ：t h e c o r r e c t e ds p a t i a lf i l t e r m e t h o d ，c c d - s h i f t i n gi m a g i n gm e t h o d ，e d g ei n s p e c t i n gm e t h o da n dt h e c o r r e c t e dp h a s e s h i f t i n ga l g o r i t h m d i g i t a lh o l o g r a p h yc a nd i r e c t l yc a l c u l a t e t h ea m p l i t u d ea n dp h a s ei n f o r m a t i o no fo b j e c tw a v e ， a n dq u a n t i t a t i v e l yd e n o t et h e mr e s p e c t i v e l y i tm a yb ea ni n n o v a t i o no ni n f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t b e c a u s ew ed o n th a v et oa t t a i nt h ed e f o r m a t i o nf r o me s t i m a t i n gt h ei n t e r f e r e n c ep a t t e r n d e f o r m a t i o n q u a n t u mc a l lb ec a l c u l a t e db yt h ep h a s ed i f f e r e n c eo b t a i n e db e f o r ea n da f t e rd e f o r m a t i o n t h i sp a p e r u t i l i z e st h e s i n g l e - p a t t e r n a n dp h a s e - s h i f t i n gd i g i t a l h o l o g r a p h i ci n t e r f a r o m e t r y t or e a l i z et h e d e f o t a r a t i o nm e a s u r e m e n t b a s e do nt h e s et h e o r i e s ，t h ee x p e r i m e n ta r r a n g e m e n ti sb u i l tu pa n ds o m ec o n t r o la n dc a l c u l a t i o n p r o g r a m sa r ec m n p i l e d t h et e s t i n go b j e c ti st h es u r f a c ep a t t e r no fr r i bc o i n s t h ee x p e r i m e n t s i n c l u d e ：u s i n g f r e s n e l a p p r o x i m a t i o nm e t h o d f o r s i n g l e - p a t t e r nc o m p u t e rr e c o n s t r u c t i o n ，u s i n g t w o - e x p o s u r em e t h o df o rd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t ，u s i n gp h a s e - s h i f t i n gd i g i t a lh o l o g r a p h yt og a i n o b j e c ti n f o r m a t i o n o nh o l o g r a m p l a n ea n dr e c o n s t r u c t i n gi tb yr e v e r s et r a n s f o r mm e t h o d ，u s i n g “4 + 4 ”a n d “2 + 2 ”a l g o r i t h m sf o rd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n ta n de t c f i n a l l y , t h ea u t h o rc o n c l u d e sa l lt h er e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e ra n dp r o p o s e st h es t u d yi nt h en e x t f u t u r e k e yw o r d s ：d i g i t a lh o l o g r a p h y , c o m p u t e rr e c o n s t r u c t i o n ，d e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t ， s i n g l e p a t t e r nd i g i t a lh o l o g r a p h y , p h a s e - s h i f t i n gd i g i t a lh o l o g r a p h y i l - 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰 写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 甄堕：邛 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丛导师签名：盘堑日期： o 题君 基于数字全息的计算机再现和变形测量技术 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究目的 本课题来源：国家科技部中希国际合作项目“基于数字和光学技术的复杂 形体变形远程测量技术”。 本课题的研究目的是对基于数字全息技术的变形测量等相关技术开展理论研究 和实验工作。全息技术是变形测量的重要技术方法，而数字技术的融入进一步推动 了其在现代测量中的应用，对此开展研究既有理论意义，又具有实际应用价值。 1 2 研究背景 1 2 1 全息技术概述 全息技术的英文表达为h o l o g r a m ，是由希腊单词h o l o s ( 完整) 和g a m m a ( 信 息) 组合而成，形象的反映了全息技术的真谛。激光全息的原理是：利用光的干涉 原理，将物体发出的特定光波跟一束可见光以干涉条纹的形式记录下来，使物光波 的全部信息( 振幅和相位) 都储存在记录介质中，所记录的干涉条纹图样即为全息 图：当再用同样的可见光照射全息图时，由于衍射原理，可以再现出原始物光波， 从而形成与原物体逼真的三维立体像。这个波前记录和再现的过程称为全息术( 或 全息照相) 。 利用全息技术可以完整的记录物波强度和相位信息，并可实现空间三维物体的 二维再现到三维再现的跨越。 全息技术有很多优点，比如：三维立体性和可分割性等，因此对其开展了很多 理论和应用研究，同时由于技术的不断发展和新技术的不断涌现，全息技术也呈现 出了新的特点。 1 全息技术的发展历史 全息技术发展到目前，大致经历了三个阶段。如表1 - 1 所示 表1 - 1 全息技术发展历史 时间提出人全息类型记录及再现方式 备注 1 9 4 8 篷d e n n i sg a b o r 同轴全息 汞灯暖明及再现 第一代全息图 e m m e t tl e i t h 1 9 6 0 一1 9 6 2 年离轴全息激光记录及再现第二代全息图 j u r i st l p a t n i e k s 1 9 6 9 年以来 s a b e n t o n 等彩虹全息 激光记录、白光再现第三代全息图 未来自然全息白光记录及再现第四代全息图 1 9 4 8 年，英籍匈牙利科学家丹尼斯盖伯( d e n n i sg a b o r ) 为了提高电子显微镜 的分辨本领，提出了全息原理的最早设想i l 2j 。这一阶段是全息技术的初创时期，其 标志性成果是同轴全息图和全息技术基本理论的创立p l 。在这一阶段，由于难以获 得理想的相干光源，故采用弧形汞灯来制作全息图1 4 i ；并以同轴形式来布置，得到 的称为同轴全息图( 亦称盖伯全息图) ，它的l 级衍射无法分开，即存在“孪生像” 问题，不能获得清晰的全息像。这使得关于全息术技的研究进展缓慢。 基于歌罕全息的计算机再现和变形铡量技术 第一章绪论 1 9 6 0 年激光问世，其良好的相干性和高亮度为全息技术提供了理想的光源，从 而使电子光学中孕育的全息概念首先在激光全息中得到了发展。这一阶段的标志性 成果是：1 9 6 2 年，美国科学家利思( e m m e t tl e i t h ) 和乌帕特尼克斯( j u r i su p a t n i e k s ) 获得了三维物体( 玩具车和鸟) 激光透射离轴全息图口l 。在这一阶段，激光光源和 离轴技术解决了第一阶段全息技术存在的两大难题，产生了激光记录、激光再现的 全息图，从而也使全息技术进入了一个迅速发展的阶段，相继出现了多种全息方法， 并在全息干涉计量、信息处理、全息现实、全息光学元件等领域得到广泛应用。 全息技术发展到第三阶段出现了激光记录、白光再现的彩虹全息图，它赋予了 全息图鲜艳的色彩，在全息防伪领域中应用广泛1 6 i 。 未来的全息图可能由白光记录并且白光再现，它将使全息技术最终走出实验室， 进入到更加广泛的应用领域。 全息技术的发展还可以按照全息图生成和记录、再现的方式以及处理方式等不 同来介绍。随着电子设备和计算机科学的不断发展，全息技术由传统光学全息发展 到了数字全息及计算全息。如表1 2 所示： 表1 - 2 全息技术的发展 、 类型 特点 传统光学全息数字全息计算全息 、 激光生成、化学记激光生成、数字记录、计算机模拟生成并存 全息图生成及处理 录、光学再现数字或光电再现 储、数字或光电再现 纯硬件，对设备要硬件和软件结合互补，纯软件。对设备要求不 处理方式 求高 对设备要求较高高 再现像形式 三维立体 二维数字或三维立体二维数字或三维立体 物理三维世界的物理世界的永久数字离开物理世界真实存 真实反映和再现 保存及再现如：古文物在的虚拟创造和设计： 应用理念 如：文物的立体再信息的存储和再现、修创造、设计并验证虚拟 现和化学保存复及保护物体的可存在性 2 全息技术的应用 全息技术最早的应用是全息照相，现在全息技术的应用不仅仅局限于全息照相， 无论在技术还是在方法上都有了长足的发展。近年来，全息技术已成为激光应用的 一个重要分支，它已与科学研究、新技术的发展以及工业生产的许多方面发生联系。 随着计算机技术、传感技术、光电技术等的发展以及新型材料的研制成功，使 得全息技术的应用日益广泛，如全息干涉计量技术、全息存储、全息光学元件、全 息显微术、显示全息、计算全息、数字全息等等1 7 1 ，其中全息存储、全息光学元件、 显示全息、模压全息术应用更加广泛，产业化较成熟。另外，当前国际上全息技术 的研究热点是它在未来计算机、光通讯系统和集成光学的纳米级精度元件1 8 l 等方面 的应用研究。 全息干涉计量技术是在1 9 6 5 年由r p o w e l l 和k s t e t s o n 提出的p l ，它是全息技术 诞生以来最广泛的得到实际应用的一个领域，加上它现在已与数字技术相结合，形 成了数字全息干涉计量技术，其应用更加广泛。它利用数字全息的波前再现原理， 对物体表面进行直接的计算而获得被测物体复振幅信息。因此在微应力分析、表面 基于数字全息的计算机再现和变形测量技术 第一章绪论 微位移测量、形状和等高线的检测、振动分析、无损检测等领域有广泛的应用；由 于它能解决一般的干涉计量术以及其他手段难以解决的问题，所以该技术很快渗透 到机械学、流体力学、断裂力学、空气动力学、声学、航空航天、化工、高分子化 学、医学、生物学等学科领域中去。 当然，全息技术不仅可以用于光波波段，也可以用于电子波、x 射线、声波和 微波波段，其内容十分丰富。 总之，无论是过去、现在还是将来，全息技术都是理论研究和应用的重要领域。 1 2 2 数字全息技术概述 l 数字全息技术的提出 传统全息技术是利用空间物理光学进行再现的，它使用银盐、明胶等化学介质 和感光材料来记录全息图。随着计算机技术和数字传感技术的发展，特别是c c d 等 数字光敏元件的出现，并且随着分辨率的逐步提高，全息计量从需要化学介质感光 材料记录及化学处理发展到数字记录及数字再现，形成了一门全新的全息技术 数字全息技术。 数字全息技术是1 9 6 7 年由顾得门( g o o d m a njw ) 提出的l l “，其记录光路和普 通全息完全相同，不同的是用c c d 摄像机等电子元件代替普通照相干板来拍摄全息 图，并将所记录的数字全息图存入计算机，然后用数字计算方法对此全息图进行数 字再现，再现结果直接显示在计算机显示器屏幕上，所以有时也把全息图的数字再 现称作为计算机再现，从再现性质上与空间的物理光学再现和光电再现相区分。 数字全息能够直接得到被记录物体再现像的复振幅分布，而不仅仅是光强分布 ，( 振幅信息) ，被记录物体的表面亮度和形貌分布都可由此复振幅获得，因此能方便 地用来进行多种测量；另外，数字全息中用来作为记录介质的光敏电子元件和传统 的银盐干板相比所需的曝光时间很短，因此能够用来记录运动物体的各个瞬时状态， 这对于研究物体的实时变形有重要意义；而且由于没有湿处理过程，记录和再现过 程都要比普通全息方便快捷；加之它的非接触、无损坏、全场性的工作特点以及精 度高、灵敏度好等优点，数字全息是一种很理想的光学测量方法，具有较广泛的应 用前景，直以来都是物体形貌、三维重建和变形动态检测领域的重要技术方法。 2 数字全息技术的国内外发展 数字全息是使用c c d 记录，计算机再现的一种全息技术1 1 1 , 1 2 1 。由于受到c c d 等传感元器件灵敏度和分辨率以及计算机技术的限制，其再现质量无法与传统全息 技术相比，因此在很长一段时间，数字全息技术仅仅停留在理论论证层面，其发展 和应用十分缓慢。但是，数字全息技术并没有受到冷落，它提供给科学工作者一个 全新的思考理念。 随着近年来c c d 的分辨率和灵敏度的进一步提高和计算机速度及容量的大幅度 增加，数字全息的研究工作得到了全面的开展；再加上数字全息技术自身不断的发 展，它已经与多种测量技术相结合，例如结合了相移技术的相移数字全息技术就成 了当前的研究热点之一i l 。“l ，还有数字全息干涉技术i l “、基于小波技术的数字全息 技术1 1 7 i 、多波长数字全息技术i 埔i 、多脉冲数字全息技术1 1 9 - 2 1 1 等等。这些技术进一步 提高了测量精度，并且扩大了应用范围| 2 ”。从现有文献来看，目前国外研究很活跃， 涉及的范围非常广泛，涵盖了很多领域 2 3 - 2 5 i ，以德国和日本为代表，在数字全息测 量技术方面取得了很大的进展。 基于数字全息的计算机再现和变形测量技术 第一章绪论 微位移测量、形状和等高线的检测、振动分析、无损检测等领域有广泛的应用；由 于它能解决一股的干涉计量术以及其他手段难以解决的问题，所以该技术很快渗透 到机械学、流体力学、断裂力学、空气动力学、声学、航空航天、化工、高分子化 学、医学、生物学等学科领域中去。 当然，全息技术不仅可以用于光波波段，也可以用于电子波、x 射线、声波和 微波波段其内容十分丰富。 总之，无论是过去、现在还是将来，全息技术都是理论研究和应用的重要领域。 1 2 2 数字仝息技术概述 1 数字全息技术的提出 传统全息技术是利用空间物理光学进行再现的，它使用银盐、明胶等化学介质 和感光材料来记录全息图。随着计算机技术和数字传感技术的发展，特别是c c d 等 数字光敏元件的出现，并且随着分辨率的逐步提高，全息计量从需要化学介质感光 材料记录及化学处理发展到数字记录及数字再现，形成了一门全新的全息技术 数字全息技术。 数字全息技术是1 9 6 7 年由顾得门( g o o d m a nj w ) 提出的l l ，其记录光路和普 通全息完全相同，不同的是用c c d 摄像机等电子元件代替普通照相干板来拍摄全息 图，并将所记录的数字全息图存入计算机，然后用数字计算方法对此全息图进行数 字再现，再现结果直接显示在计算机显示器屏幕上，所以有时也把全息图的数字再 现称作为计算机再现，从再现性质上与空间的物理光学再现和光电再现相区分。 数字全息能够直接得到被记录物体再现像的复振幅分布，而不仅仅是光强分布 ( 振幅信息) ，被记录物体的表面亮度和形貌分布都可由此复振幅获得，因此能方便 地用来进行多种测量；另外，数字全息中用来作为记录介质的光敏电子元件和传统 的银盐干板相比所需的曝光时间很短，因此能够用来记录运动物体的各个瞬时状态， 这对于研究物体的实时变形有重要意义；而且由于没有湿处理过程，记录和再现过 程都要比普通全息方便快捷：加之它的非接触、无损坏、全场性的工作特点以及精 度高、灵敏度好等优点，数字全息是一种很理想的光学测量方法，具有较广泛的应 用前景，一直以来都是物体形貌、三维重建和变形动态检测领域的重要技术方法。 2 数字全息技术的国内外发展 数字全息是使用c c d 记录，计算机再现的一种全息技术1 1 1 , 1 2 1 。由于受到c c d 等传感元器件灵敏度和分辨率以及计算机技术的限制，其再现质量无法与传统全息 技术相比，因此在很长一段时间，数字全息技术仅仅停留在理论论证层面，其发展 和应用十分缓慢。但是，数字全息技术并没有受到冷落，它提供给科学工作者一个 全新的思考理念。 随着近年来c c d 的分辨牢和灵敏度的进一步提高和计算机速度及容量的大幅度 增加数字全息的研究工作得到了全面的开展；再加上数字全息技术自身不断的发 展，它已经与多种测量技术相结合，例如结合了相移技术的相移数字全息技术就成 了当前的研究热点之- - 1 1 3 - l s l ，还有数字全息干涉技术i “i 、基于小波技术的数字全恩 技术i ”1 、多波长数字全息技术岬l 、多脉冲数字全息技术 1 9 2 1 i 等等。这些技术进一步 提高了测量精度，并且扩大了应用范围口“。从现有文献来看，目前国外研究很活跃 涉及的范围非常广泛，涵盖了很多领域“”，以德国和日本为代表，在数字全息测 量技术方面取得了很大的进展。 量技术方面取得了很大的进展。 基于数字全息的计算机再现和变形测量技术 第一章绪论 国内虽已有研究，但总的来说与世界领先水平有一定差距1 2 9 , 3 0j 。基本上处于理 论探讨、跟踪研究阶段。 3 数字全息技术的特点及应用 与传统全息技术相比较，数字全息技术具有突出的优点。表1 3 所示为传统全 息技术和数字全息技术的特点比较。 表l 一3 传统全息技术和数字全患技术特点比较 对比项传统全息技术 数字全息技术 记录 化学介质、感光材料等：实验中首c c d ：免去了显影、定影、漂白等湿化学处理 先使用实验方法测定相应的曝光 过程，避免了由于化学材料曝光特性差异而带 介质 特性曲线，增加了实验量。 来的误差，并且方便快捷。 计算机离散量化等数字化再现：有利_ 丁全息技 再现 空间物理光波衍射再现术数学模型、衍射公式的优化，而且可以解决 方式 一些实际空间再现中难解决的问题。 再现像3 d 立体像：通过人眼观察，由视 2 d 、3 d 像均可以获得：计算机中再现的像是 2 d 像，这一平面像通过光电显示技术可以空 的形式 觉误差引起得到的。 间立体化。 较高，卤化银达5 0 0 0l m m ；感光 分辨率 较低，约为2 0 0 l m m 材料可达1 0 0 0l t a m 测量 无法获得再现影像的复振幅分布， 可以直接得到被测物体再现影像的复振幅分 各种测量例如变形测量，必须借助 布，被测物体的幅值信息和形貌分布皆可由此 实现 其他方法实现。复振幅获得，因此能够方便的进行各种测最。 瞬态光敏材料曝光时间长，瞬态测量受 c c d 曝光时间可以控制，设置成短时间曝光， 测量到限带9 。 可以进行瞬态实时测最。 数字再现技术可以应用于许多领域。如三维微粒的形状、变形、位置和运动速 度等物理量的测量1 3 1 _ 3 5 1 ，物体的表面形状、变形的测量1 2 4 , 2 6 , 2 7 1 以及流体密度、流量 的测定等等很多方面1 2 s l ；另外，彩色数字全息技术还可应用于生物领域2 8 i 。 1 2 3 数字全息干涉计量技术 1 数字全息干涉技术 全息干涉计量技术是一种测量物体表面位移和变形的精密方法【3 6 l 。传统全息干 涉计量法通过变形前后物波面的干涉比较，利用两次曝光技术可以求得物体的微小 变形。但必须先获得干涉条纹图，再通过判读条纹图来获得变形信息。 基于数字全息技术的优点，在数字全息干涉术中，不需要获得条纹强度图，而 是直接利用数字再现技术对c c d 记录的原物波和变形物波全息图进行计算，直接求 取各自的复振幅，得到物波相位信息，求出表征物体变形信息的相位差。利用这种 技术，可以精密的检测任意表面形状和状态的三维试件以及各种材料的无损检测、 物体的微小变形、振动和高速运动等。另外，在信息采集和处理上也较传统技术更 为方便、快捷和可靠，并可在恶劣环境条件下对某些物理量进行定时测量。在技术 上，也与散斑技术、莫尔技术以及随后出现的外差技术、锁相技术和相移技术1 3 7 l 等 结合了起来，极大的提高了测量精度。 基于数字全息的计算机雨现和变形测量技术 第一章绪论 2 电子散斑干涉技术 从光路布局、光学记录时物体与全息面的相对位置来分，可以把全息分为：菲 涅耳全息、傅里叶变换全息和成像全息。在数字化技术中，成像全息图就是电子散 斑干涉图，或称为电视全息图( t v h ) 。从广义范围来说，电子散斑干涉技术也属于 数字全息的范畴。其全息图上所记录的信息是物体像的信息，而不是物波传播后的 信息，信息再现是衍射的极限情况，数字化处理时只要除去参考光的影响就可获得 物信息本身。处理方法上可以采用干涉图处理技术，包括适合于数字全息的一些方 法如f f t 、时间相移技术和空间相移技术1 3 s 等。 与数字全息干涉技术相比，由于电子散斑干涉技术在记录装置中加入了成像透 镜，扩大了测量范围；同时由于记录得到的是条纹散斑图，其记录图像比较简单， 处理起来较为方便。是实际应用中测量变形信息的重要技术方法。 1 3 本文研究内容简介 全息技术是利用“干涉记录，衍射再现”原理的两步无透镜成像法，数字全息 技术基于这一基本原理，使用c c d 作为记录介质、用计算机来进行数字再现。本文 重点对单幅数字全息的计算机再现以及变形测量进行了理论研究、计算机模拟和实 验验证，介绍并提出了关于抑制误差以及提高再现图像质量的一些处理方法，获得 了较高精度的物体数字再现图像；并灵活地结合相移算法对相移数字全息的计算机 再现和变形测量进行了研究，从而进一步提高物体再现分辨率、扩大空间可测范围； 并进行了算法探讨，结合单曝光、双曝光法进行了变形测量，增加了实时性、简化 了实验步骤、加快了运算速度，同时进行了计算机模拟和实验验证。 本文内容简介如下： 第一章绪论本章回顾了全息技术的提出背景、发展历史和应用；介绍了数字 全息技术的基本理论、发展情况及技术特点；简介了数字全息干涉技术和电子散斑 干涉技术用于物信息状态的变形测量：给出了本论文的研究目的和内容。 第二章单幅数字全息技术本章首先介绍了数字全息技术的基础知识，重点是 单幅数字全息再现技术和变形测量技术的原理介绍。针对单幅数字全息图再现图像 的像质问题，详细探讨了提高再现图像质量的处理方法，包括：精确确定再现距离， 消除中间亮斑和共轭像的误差处理，以及提高空间分辨率和对比度等方法。本章的 最后对实验所利用的方法进行了计算机模拟验证。 第三章相移数字全息技术本章首先介绍了相移数字全息技术及其再现方法： 反变换法和傅立叶变换法。利用双曝光法对两组全息图进行变形测量。针对相移数 字全息技术的移相实现方式，对移相器的移相误差和振动以及空气扰动带来的误差 进行了一定的分析，并作了算法改进；对二步相移法以及用于变形测量的“2 + 2 ”算 法做了一定的理论研究和公式推导。本章的最后对实验所利用的方法进行了计算机 模拟验证。 第四章数字全息实验本章主要介绍了本课题所要求的实验工作及其结果处 理。首先介绍了实验元器件和被测物体；然后按单幅数字全息技术、相移数字全息 技术( 分别包括物信息的计算机再现和变形测量) 来进行介绍；最后介绍了相移数 字全息技术中的再现距离问题。 第五章结论本章对课题工作进行了总结，并针对课题难点为下一步的工作提 出了建议和展望。 基于数字全息的计算机再现和变形测量技术 第二章单幅数字全息技术 第二章单幅数字全息技术 2 1 概述 全息技术的内容很丰富，根据使用波的不同，有激光全息、x 射线全息、微波 全息和声波全息等。但是，任何一种全息技术的核心都是：波前记录和波前再现。 通常使用的波是激光光波，一般称为激光全息技术+ 。而数字全息技术的提出不但更 加有利于全息技术数学模型的优化，而且可以解决一些实际空间再现中难以解决的 问题。 本章主要介绍单幅数字全息再现技术的基本方法和再现图像处理，以及利用数 字全息干涉技术进行实际物体的双曝光变形测量。 2 2 数字全息技术 传统全息技术是使用干涉方法得到全息面上光波的全部信息( 包括振幅和位 相) ，这一信息存在于物平面和全息面之间光波经过的任一平面上，在这些平面上能 够记录携带物体全部信息的波前，此过程为波前记录过程；在一定条件下再现物光 波的波前，从效果上看，相当于在记录时被“冻结”在记录介质上的波前从全息图 上“释放”出来，然后继续向前传播，以产生一个可观察的三维像，此过程为波前 再现过程。此即干涉记录，衍射再现。 而数字全息的记录光路和普通全息完全相同，不同的是用光敏电子元件( 如c c d 器件) 代替传统全息底板来记录全息图，并用数字计算方式再现，得到物信息。其 记录和再现的整个思路如下框图2 1 所示： 图2 - t 数字全息实现过程框图 由上可知：数字全息技术的实现也分为两步，包括全息图的记录和再现两个过 程p 。记录过程几乎与传统全息一样：通过实际的光学干涉产生全息图。唯一的区 别在于记录方式上它用c c d 记录全息图，而不是感光材料，因此在第二个过程中传 统的湿化学处理就不再需要了。在数字全息的全息图再现过程中，只需要把记录的 全息图读入计算机，再用算法再现出物波即可。所以数字全息与传统全息在再现过 程中的处理是完全不同的：传统全息中用参考光照射全息底板，产生实际的光学衍 射，人眼看到三维物波，虽然它包含了物体的全部信息，但无法计算出物波相位的 具体量值；用数字再现( 也称为计算机再现) ，则不仅可以得到物波强度图，还可计 算出相位的分布。也就是晚，可以把物体的这两种信息分开并分别计算得到，并且 这两种信息是定量的，可以由物体的复振幅表示：其模即为物体振幅信息、其幅角 即表示物体的相位信息。然而在计算机再现中，得到的只是平面图像。真三维的图 像需要再通过光电再现的全息技术来获得1 4 。数字全息记录和再现过程的理论几何 关系如图2 2 所示。 本文中后面部分所提及的全息技术均指激光全息技术 基于数字全息的计算机再现和变形测量技术 第二章单幅数字全息技术 萨纱。 y 彩 一 il 图2 2 数字全息记录、再现过程中的几何关系图 图2 2 中，x y 坐标平面是物体所在平面，称为物面( o b j e c t - p l a n e ) ；掌一叩坐 标平面是干涉平面，为c c d 所在平面，称为全息面( h o l o g r a m p l a n e ) ；x ) - - y 坐标 平面是成像面( i m a g e p l a n e ) ；d 为记录距离；d 1 为再现距离。 光波照射被测物体形成物平面上的物波o ( x ，y ) ，包括振幅和相位两部分信息， 0 f x ，y 1 传播至全息面形成0 ( 善，r ) ，与相干参考光波r ( 毒，叩) 发生干涉，形成干涉场， 从而将空间相位调制转换为空间强度信息，并同时为放置在全息面上的c c d 所记 录。记录得到的干涉图即为全息图日( 孝，叩) ，由c c d 传送至计算机进行下一步的数 字再现处理。 2 2 1 全息图记录 从全息图记录的不同角度考虑，全息图可以分为很多类型。从记录介质的厚度 来分，可分为平面全息图和体积全息图，本文讨论的是用c c d 记录的平面薄全息图； 从记录时物光和参考光的相对位置来看，则可分为同轴全息图和离轴全息图。 1 基本原理 数字全息术的记录装置与传统全息术的记录装置基本相同，一般来说，传统全 息技术的理论与实验技术也适用于数字全息技术，只是目前的数字全息技术在有限 距离内只能记录和再现较小物体的低频信息| 4 1 l 。以离轴全息为例，其装置图如图2 - 3 所示。这是一个简单的全息记录系统，物光波与参考波在全息面上发生干涉，产生 的干涉条纹图记录在c c d 上，形成数字全息图。 全息面上的物光波d ( 孝，叩) 与参考波r ( 孝，7 7 ) 可分别用复振幅形式表示为： 0 ( 善，r ) = 0 e x p 【f 庐( 孝，r 1 ) 】 r ( 孝，r ) = r e x p i ，( ，r t ) 】 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 其中：o 、，分别是物波和参考波到达全息面时的振幅分布，庐( 善，7 1 ) 、，( 善，叩) 分别 是物波和参考波到达全息面时的位相分布。为计算及实现方便，通常设办( 孝，叮) 为零， 基于数字余息的计算机再现和变形测量技术 第二章单幅数字全息技术 即足( 善，印) 为常数r ，也就是说参考波为一平面波。当然，有时也可使用球面波作为 参考光波。 图2 3 单幅数字全息记录原理图 设参考光与测量物光之间的夹角为0 ，当它取值为零时，即为同轴全息，否则为 离轴全息。在其他参数设置相同的条件下，离轴全息装置需要更高分辨率的c c d 来 记录全息图，对实验器件的要求更高。故在数字全息实验中，大多采用同轴全息装 口 no 物光波与参考波在全息面上发生干涉得到的全息光场表示为： ( 善，r ) = 0 ( 孝，叩) + 月( 善，卵) ( 2 - 3 ) 用c c d 记录其强度，可表示为： l h ( f ，印) 1 2 = l r ( 舌，卵) 1 2 + i o ( 告，叩) i2 + r ( 舌，玎) o ( 舌，叩) + + o ( 掌，叩) 月( 善，叩) + = ，2 十0 2 + 2 r o c o s 眵( 孝，r ) 】 ( 2 - 4 ) 该强度以数字化的形式存储于计算机中以供数字再现处理。 2 注意事项 经过作者的实验工作，认为在数字全息图的记录过程中，应注意如下几个问题： c c d 饱和度的控制：c c d 作为一种光电器件，对光照强度有定的敏感范 围。如果在光敏单元中积累的电荷过多，就会饱和，无法正常反映光强信息。 因此，需要在实验中加以控制。可以在两个方面进行控制：1 ) 光强的控制 实验中通过使用衰减片加以调控；2 ) 通过控制c c d 的曝光时间( 即电 荷的积累时间) 实现。 成像杂散斑的控制：在光路中，有较多的光学元件，由于激光较强的相干性 和光学元件的易反射性，杂散斑较多。为了减少杂散斑，应采取适当的方法， 例如尽量减少元件的数量、光路的合理布局、减少非工作面的反射、增加空 间滤波环节等。这样做的目的是：1 ) 减少不必要的光能量损失；2 ) 减少引 基于数字全息的计算机再现和变形测量技术 第= 章单幅数字