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Gabor同轴数字全息共轭像消除与自动聚焦方法研究
摘要：
数字全息技术在许多应用领域中得到了广泛的应用。然而，在数字全息成像中，同轴数字全息常常会产生共轭像，这会严重影响成像质量。针对该问题，本文提出了一种基于Gabor同轴数字全息的共轭像消除与自动聚焦方法。该方法可以有效消除共轭像并且能够自适应实现自动聚焦功能。实验结果表明，该方法能够显著提高同轴数字全息的成像质量。
关键词：数字全息；同轴数字全息；共轭像消除；自动聚焦
1.引言
数字全息技术是一种重要的光学成像技术，已经在医学成像、生物学、工业检测等众多领域中得到了广泛的应用。数字全息技术的核心是光场的表示和计算。传统的全息术利用全息记录材料来记录目标物体的光场信息。然而，全息记录材料的制备和照明条件的限制对于全息成像的应用造成了很大的限制。数字全息技术通过数字图像处理的方式消除了这些限制，可以充分利用电子计算机的高速处理能力对光场信息进行处理和分析。
同轴数字全息是数字全息中的一种重要形式。同轴数字全息的优点是成像系统结构简单，并且可以使用低成本的光源实现。同轴数字全息的基本原理是在光学远场条件下，利用物体光学透镜和后端数字传感器的共同作用，利用光学干涉术产生一种能够记录物体光学信息的以数字图像的形式保存的全息图。
然而，在同轴数字全息成像过程中，会出现一种被称为“共轭像”的干扰现象。共轭像是由于物体透镜产生的相位和振幅信息在数字空间中旋转180度形成的，与目标物体信息重叠在一起，从而影响数字全息成像的效果。因此，如何消除同轴数字全息中的共轭像，成为了同轴数字全息研究的热点问题之一。
本文提出了一种基于Gabor同轴数字全息的共轭像消除与自动聚焦方法。该方法基于Gabor小波变换，通过对同轴数字全息图像进行一系列预处理、傅立叶变换、Gabor滤波、幅值谱修正等操作，实现了共轭像的消除和自动聚焦的功能。通过实验验证，该方法能够有效消除共轭像，提高同轴数字全息的成像质量。
2.同轴数字全息共轭像的形成
同轴数字全息的基本原理如图1所示。在实际应用中，通常将物体透镜和后端数字传感器一起放置在成像系统的同一端口。物体透镜是一个单透镜或双透镜系统，可以将物体光学信息稳定地传输到后端数字传感器上。
【插图1】
在同轴数字全息成像过程中，物体光学信息被传输到后端数字传感器上，形成“物体光学场”，并转换为数字信号。数字信号受光波干涉的影响，形成具有高频、低频干扰的干涉图案。干涉图案可以通过傅立叶变换和反傅立叶变换来恢复物体光学信息，并得到全息图像。然而，在同轴数字全息成像中，光学透镜的存在会对信号的相位信息发生变化。当光波通过光学透镜时，会产生一个附加的相位偏差，使得产生的数字全息图像中出现了不希望的共轭像。
共轭像是一种干扰性非常强的信号，其强度不仅可以与目标物体相当，而且可以比目标物体还强，从而对数字全息成像造成很大的干扰。因此，消除共轭像是同轴数字全息成像中的一个重要挑战。
3.基于Gabor同轴数字全息的共轭像消除和自动聚焦方法
为了解决同轴数字全息中的共轭像问题，本文提出了一种基于Gabor同轴数字全息的共轭像消除和自动聚焦方法。
3.1Gabor小波变换
Gabor小波变换是一种常用的信号分析和处理方法，具有较好的时间、频率分辨率，被广泛应用。Gabor小波变换可以将信号分解成不同尺度和不同方向的小波子带，使得信号的时间域和频域同时得到了合理的表示。
在本文中，Gabor小波变换被用于同轴数字全息图像的预处理和谱域滤波。通过Gabor小波变换，可以减少共轭像的对称性，在复杂多变的数字全息图像中更加准确地寻找共轭像和并对其进行滤波处理。
3.2共轭像消除
本文中所提出的共轭像消除方法主要基于Gabor滤波和幅值谱修正的方式实现。在具体实现中，共轭像消除分为以下几个步骤：
（1）对同轴数字全息图像进行傅立叶变换和Gabor小波变换，得到Gabor小波变换系数矩阵。
（2）从Gabor小波变换系数矩阵中提取幅值谱并进行极大值抑制，得到剩余噪声谱和主信号谱。
（3）对剩余噪声谱进行区域分组，根据噪声分布图和信噪比等因素选择一定的阈值，分别对各个区域进行Gabor低通滤波。
（4）将滤波后的Gabor小波变换系数矩阵逆变换得到共轭像消除后的图像结果。
通过以上步骤，本文所提出的共轭像消除方法能够有效消除同轴数字全息中的共轭像，从而提高同轴数字全息的成像质量。
3.3自动聚焦
同轴数字全息中的自动聚焦问题同样也是数字全息成像中的一个重要问题。因为同轴数字全息成像系统由物体透镜和后端数字传感器组成，其中移动物体透镜相当于增大或减小物距，会导致成像质量的变化。为了解决这个问题，本文所提出的方法结合了共轭像消除的过程，采用Gabor小波变换得到同轴数字全息图像的尺底方向信息，并用同样的方法