压缩二元数字全息再现像质改善研究.docx

压缩二元数字全息再现像质改善研究摘要：对数字全息图进行光电再现时受显示器件分辨率的限制仅部分数字全息图可以得到有效再现。再现时受直透光影响所接收的图像通常较为黯淡。在此利用菲涅耳数字全息图的冗余性较高的特点通过保留原部分再现像的振幅以恢复物光的相位利用二元全息干涉原理生成新的数字全息图提高衍射效率并利用数字微镜器件（DMD）作为再现器件重构高质量再现像。关键词：数字全息；二元全息干涉；衍射效率；再现像中图分类号：TN919?34；O438.1文献标识码：A文章编号：1004?373X（2013）16?0074?030引言与普通照相术相比较全息术可以同时记录物体的振幅信息和相位信息这一特点被广泛地应用于形变测量、三维显示、数字全息显微等领域[1?5]。随着CCDCMOS等数字化记录介质的发展全息术的记录和再现已经可以通过数字化手段实现这就大大降低了记录全息图的难度使全息技术具备了更好的动态性、可操作性等优点。然而由于数字全息图冗余程度较大占用存储空间多直接对原全息图进行处理时计算量较大且耗费时间较长；同时采用LCOS或DMD对数字全息图进行再现时受其分辨率的限制仅部分高分辨率的数字全息图得到有效再现。此外全息图的再现像受到直透光的严重干扰进行光电再现时得到的再现像质量较差。针对上述问题诸多学者提出了多种解决方案：Young?HoSeo等人提出了将数字全息图分块进行DCT变换并压缩的有损编码压缩算法[6?7]该方法可获得较好的压缩比但计算量较大；韩超、韦穗学者提出在已知物波函数傅里叶谱的振幅和物波函数振幅的情况下通过迭代恢复出纯相位的物波函数并用余弦二值编码生成二值全息图[8]该方法重构效果很好但只限于计算全息且迭代运算的过程计算量大；金洪震学者提出对全息图傅里叶变换后仅保留物光波的相位信息再对全息图进行重新抽样达到了压缩全息图的目的但再现像的质量并不理想[9]。本文提出利用压缩二元数字全息的方法以提高再现图像质量。首先将通过保留原始像的振幅以恢复物光的相位得到压缩后的数字全息图。采用二元全息干涉[10]将此相位与参考光干涉生成新的二元全息图。实验表明：此方法可以显著提高衍射效率得到较高质量的光电再现图像。1基于二元全息干涉的衍射效率提高1.1衍射效率的定义衍射效率在传统光学全息技术中是用于评价全息图质量的一个重要指标[11]。全息图的衍射效率定义为：全息图的一级衍射成像光通量与再现时照明光的总光通量之比。衍射效率越高表示成像光波的光能量越大则全息图的再现像越明亮。全息图衍射效率的大小不仅能够反映再现光能的利用率和再现像的明亮程度而且能够综合反映全息图的记录失真情况和信噪比。全息图的衍射效率定义可用公式表示为：η=衍射成像光通量/再现光总光通量对于正弦型振幅全息图在线性记录条件下实验中的实际的衍射效率不超过6.25%。在数字全息技术中数字全息图的衍射效率表达式[12]为：[η=hx2dxdyNxNy]（1）式中[hx=0.5fx-x0+0.5f*-x+x0][fx-x0]为原始像[f*-x+x0]为共轭像。[Nx]和[Ny]分别为全息图的水平像素数和垂直像素数。分子部分表示归一化后的数字全息图的原始像分母部分表示数字全息图在照明光的光强恒为1时的总的光通量。1.2二元全息干涉原理二元全息干涉原理如图1所示若限幅器的输入函数为[cos2πxT+φxy]偏置函数为[cosπpxy]其中[pxy=sin-1Pxyπ]则可以得到二元函数的普遍形式：[fxy=sinπpxyπexp-j2πxT+φxy=Pxyπexp-jφxyexp-j2πxT]（2）式中：[Pxy]为物光波的振幅函数；[φxy]分为物光波的相位函数输入输出波形如图1所示由图可以看出输出脉冲的宽度受到[pxy]（即[Pxy]）的调制输出脉冲的位置受到[φxy]的调制。图1二元全息干涉产生的脉冲宽度工作原理和脉冲位置调制当用振幅为1的平面波垂直照射全息图时透过光波即为：[txy=n=-∞∞sinπnpxynπexpjn2πxT+φxy]（3）在式（3）中取[n=1]可得到：[t1xy=sinπpxyπexpj2πxT+φxy=Pxyπexpjφxyexpj2πxT]（4）式（4）表明透射光波的[+1]级衍射项完全再现了物光波[Pxyexpjφxy]包括振幅和相位信息。而线性相位项[expj2πx/T]作为载波给出了再现物光波传播的方向。因此在保持图像整体和局部特征的情