高分辨率CCD摄像系统图像处理.doc

高分辨率CCD摄像系统图像处理数字全息术是将传统的全息原理与现在图像获取，图像处理技术以及计算机技术相结合的产物。它利用CCD等光电探测器件代替传统的记录介质记录全息图，再用数值方法在计算机上再现全息图。本实验中将搭建一套离轴无透镜傅里叶变化数字全息记录光路，并对离轴无透镜傅里叶变化数字全息记录的全息图进行相应的图像处理。1.1 实验目的（1） 掌握数字全息术的记录和再现的原理；（2） 了解无透镜傅里叶变化数字全息记录及再现原理；（3） 熟悉数字全息术图像处理的过程；1.2 实验原理离轴无透镜傅里叶变化数字全息术是一种常用的数字全息方法，它记录的不是物光波本身，而是物光波的空间频谱或者说记录的是物体的非准确的傅里叶变换。一 无透镜傅里叶变化数字全息术的记录原理在无透镜傅里叶变换数字全息的记录光路中，参考光波是球面光波，而且参考点光源与被记录的物体位于同一个平面内，图1是记录离轴无透镜傅里叶变换全息图的光路示意图。其中平面为物平面，平面为全息图平面，轴过两平面中心，记录参考点源位于物平面，记录距离为。则在菲涅耳近似条件下，由菲涅耳衍射积分可得：图1 离轴无透镜傅里叶变换全息记录示意图物光波在CCD平面上的光场分布为：（1）参考光波在CCD平面的光场分布为：（2）在CCD上记录的全息图为：（3）其中是光源的波长，为全息图平面上的空间频率，F表示二维傅里叶变换运算。二 无透镜傅里叶变化数字全息术的再现原理数字全息图的再现过程实际上就是利用计算机通过数值方法模拟原参考光波或其共扼光波照射全息图后的衍射成像过程。图2是采用会聚球面光波再现的光路示意图，其中平面为全息图平面，平面为再现像平面，轴过两平面中心，为再现距离，照明光波长与记录波长相同。（当=时得到等大的在现像，实验中我们使=）图2 会聚球面光波再现无透镜傅里叶变换全息示意图再现参考光波在CCD平面的表达式为 （4）再现像光场的复振幅分布为 （5）其中，为零级衍射项，为实原始像，为实共轭像。1.3 实验步骤1.3.1 实验光路图及光路中各元件的的分析采用图3所示实验光路来记录微小物体的无透镜傅里叶变换全息图。首先由激光器发出的细光束（nm），经PBS偏振分光棱镜分成两束，其中一束光经过扩束准直器BE2形成平行光经反射镜反射后照射到物体上，形成物光波再经棱镜BS反射到CCD上。另一束光作为参考光，经扩束准值后由反射镜反射到一个显微物镜上形成球面光波，直接透射到CCD上。NF和 用来调节总光强及物光和参考光的强度比，使物光和参考光在达到CCD靶面上的光强应尽量控制在1:2的范围内。从而使全息图上的干涉条纹具有较好的对比度。通过改变BS的方位角可以方便的控制到达CCD靶面上的物参夹角。在该光路中不仅要保证物光路的光程与参考光路的光程相等，还要使物体到BS中心的距离与点光源到BS中心的距离相等，才能保证物体和点光源在同一有效平面内，这是离轴无透镜傅里叶变换全息光路的要求。此外，实验中我们还应通过BS调节点光源到物体中心的距离，以免在数值再现时观察平面上原始像和共轭像分不开。（由PBS岀射的两束光是振动方向相互垂直的线偏振光，所以在棱镜后方需要再加一个半波片，以保证两束光有相同的振动分量）。3无透镜傅里叶变换记录光路图v 为半波片，实验光路中用到了两个，一个用来调节物参光光强比，另一个用来调节参考光波的振动方向；v PBS为偏振分光棱镜，把激光分成两束振动方向相互垂直的线偏振光；v BE1、BE2为扩束准直滤波器（由显微物镜、针孔、透镜组成，其中针孔可以把由灰尘等引起的杂散斑等高频分量滤除掉，透镜又称准直镜，使扩束后的点光源变成平行光)。实验中Laser为HN1700型He-Ne激光器，波长为632.8nm，功率为60mw，具有很好的相干性。物体是透射型分辨率测试板的第六七组，大小为1mm,，实验中用可变光阑得到直径为1mm的圆形光斑来照射物体的中心，即物体的尺寸为1mm，CCD的像素数目为21841472，像素大小为6.8m6.8m。1.3.2 实验过程（1） 调整隔振平台，保证平台处于平整的悬浮状态。（2） 打开激光器，在暗室中按照图3所示的光路图搭建出离轴无透镜傅里叶变 换记录光路（其中各器件的调节方法已在上个实验中说明）。（3） 打开电脑和光电耦合器CCD，拍摄全息图，并再现出物体的强度像。（4） 对记录的全息图及再现像进行滤