全息相机的原理

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全息相机的原理

来源：baiyundou.net 日期：2024-08-22

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       编辑/江畔雨落
       前言
       全息记录的原理使得每次曝光可以记录所研究介质体积的所有颗粒的信息，并进一步分析其重建的全息图像。

       当粒子上散射的辐射表示主体波并且没有散射通过的辐射是参考波时，在线全息方案通常用于研究粒子。
       全息图这种研究方法是否适用于研究噪声抑制？粒子数字全息又有怎样的应用特点呢？

       新的研究方法——全息图
       全息图是记录在任何载流子或互补金属氧化物半导体上的这些波的干涉图样，配准的干涉图样在曝光期间必须稳定，这由相干辐射的短脉冲确保。
       这可能会导致与辐射相干性相关的不良影响，重建图像中的相干噪声与被分析粒子的介质参数以及所研究粒子的双图像效应有关。

       后者的出现是由于通过用相干波照亮全息图从全息图重建真实粒子图像导致同时重建该粒子的虚拟图像，对应于这些图像的波的干涉会降低重建图像的质量，并降低其聚焦和分类的准确性。
       当对几个紧密间隔的粒子观察到这种效应时，研究粒子图像存在特殊困难。

       相干噪声的另一个来源是散射在粒子上的波的交叉干扰和介质的湍流，这种噪声还会降低粒子图像的质量，使其难以识别。
       为了减少这种噪声考虑了一种众所周知的方法平均，从全息图重建的粒子图像质量所需的平均值数是否足以通过可区分性参数识别它们取决于平均方法。

       平均方法是指全息图的平均值、重建的全息图像的平均值、全息图的多光谱记录或多光谱图像的重建。
       实验结果是在实验室条件下使用模型粒子和真实介质获得的，当时使用潜水数字全息相机研究浮游生物，获得的结果、估计和条件适用于任何性质和任何介质中颗粒的全息术。

       它们在这项研究中用于数字全息相机技术技术，该技术旨在对浮游生物和其他海洋颗粒进行全息研究。

       必不可少的设备
       数字全息相机技术是为了在根据在线方案，使用数字全息原理测量分散颗粒，这种方案对全息图记录期间辐射的相干性没有很高的要求。
       因为物体波和参考波之间的路径差非常小，因此使用激光二极管作为辐射源，数字全息相机技术记录整个介质体积的数字全息图。

       其中包含每次曝光研究的颗粒，通过计算衍射积分从预处理的数字全息图以数字方式重建粒子图像，并进一步处理全息图像。
       这其中包括确定粒子的最佳图像平面，允许检测粒子的空间分布、大小、形状、速度和每个粒子的运动方向，并确保其认可。

       换句话说，数字全息相机技术就是数字全息图记录，从中重建粒子图像以及处理全息图像，使得使用测试粒子创建体积的虚拟三维图像成为可能。
       模型粒子用于实验室实验中的物理建模和现场条件下的校准，它们代表通过光刻方法放置在固定在金属框架中的1.2毫米厚的玻璃板上的规则形状的不透明图形。

       数字全息相机技术设计假设机芯放置在四个位置，但出于研究的目的，只选择了两个终端位置。
       使用棱镜折叠的在线方案来减小数字全息相机技术的尺寸，同时保持所研究体积的长度，研究体积的长度是与水接壤的光学部件表面之间的总距离。

       这样的设计规定在工作体积中的激光束路径上安装四个口径，以在放大倍率下进行校准。
       数字全息相机技术的主要部件是通过同步线连接的照明和记录模块，位于两个带有舷窗和连接器的坚固深海箱中。

       照明模块设计用于定位激光器和光学系统以形成光辐射束，记录模块包括接收光辐射的光学系统，以及CMOS相机和用于操作模式的控制系统。
       这些模块通过镜面棱镜系统进行光学连接，该系统提供每次曝光最多0.75升研究体积的配准信息。

       在光学和数字全息术中，位于距离全息图的平面中的重建波表示两个相干波的重叠：一个波是复杂的共轭物体波，形成粒子的真实图像，另一个波是从距离真实图像2z的虚拟图像传播的波。
       这种相互作用的结果是一个条纹系统与粒子的清晰图像重叠，即所谓的双图像效应。

       在全息图记录的某些条件下，这种效应对粒子的视觉确定图像质量的影响是微不足道的，但它可能导致粒子图像边界附近的强度分布出现明显失真，从而降低自动识别的可靠性。
       这在一个或多个间隔很近的相邻粒子的重建图像中尤其明显，在这种情况下，有必要应用一种方法，来抑制双图像效果。

       实践之后的复盘总结
       根据两个模型不透明方形颗粒的在线方案进行了数值全息实验，这些颗粒位于透明均匀背景上的一个平面上。
       来自建模数字全息图的粒子图像的数值重建显示了与双图像效应相关的粒子图像中的波段图案，使用滤波器进行数字滤波后，可以看到真实图像和虚拟图像的相互影响显着降低。

       应该注意的是，一般的双像效应，特别是对于间隔很近的相邻粒子，会影响用于图像区域的能量分布，从而影响确定粒子最佳像平面的精度。
       在野外实验中，以最佳像平面的位置作为粒子的纵坐标，因此其确定的准确性在研究粒子在空间动力学中起着关键作用。

       在粒子之间的小距离处对虚拟图像进行数字滤波可将最佳图像平面的确定误差降低约两倍，然后将其降低到零。
       最佳图像平面误差的振荡性质，可以通过双图像效应引起的干涉带，对用于确定最佳图像平面的质量指标的影响来解释。

       这表明需要在数字粒子全息测量系统中抑制孪生图像，并确定相关算法的边界条件。
       在粒子全息术中，假设当记录带有粒子的介质体积的全息图时，逐层重建其全息图像，确定粒子的最佳图像平面，并分析粒子的几何参数，颗粒的光学性质与介质的参数不同。

       介质本身在光学上是均匀的，在实际介质中，光学均匀程度可能较低，这可能发生在海水或湖水的情况下，使得使用潜水数字全息相机技术研究浮游生物和其他颗粒变得困难。
       如果原因不随时间变化，这种噪音可能是静止的，但它们通常是非静止的。

       尽管产生这种噪声的物理原理不同，但它们通过相移的随机性结合在一起，因此抑制方法可以是相同的，并且基于干扰波相位中随机变化的产生，然后平均产生的强度分布。
       质量指标对数字全息图重构粒子平均图像数量的依赖性研究结果也表明，三个数字全息图的平均值足以实现粒子图像边界的给定质量指标。

       这种平均对于静止物体是可能的，并且可用于形成参考“零”帧，这一帧用于消除重建全息图像中的光度不均匀性。
       在真实的动态情况下，带有激光二极管光纤多路复用器的多光谱源可用于相同的目的。

       平均是在模型粒子的两到三张重建图像上进行的，显示了质量指标对模型对象平均图像数量的依赖关系。
       与前面的情况一样，三个数字全息图的平均值在独特能力和边界强度跳跃方面将重建的粒子全息图像的质量提高了至少1.7倍。

       结论
       抑制从在线全息图重建的粒子图像的双图像效应的方法，在条件下，根据边界强度跳跃，将粒子图像边界检测的质量提高了至少1.7倍。
       基于数字全息图或从数字全息图重建的粒子图像的平均值的方法，被认为可以抑制与介质和所研究粒子的异质性相关的非平稳相干噪声。

       对重建粒子图像质量指标对平均数依赖性的研究表明，至少三个数字全息图的求平均值足以达到适合粒子识别的粒子图像边界的质量。
       多重散射条件要求限制所研究介质体积的长度，该限值取决于浊度，对于清水可能会在不超过500毫米和浑浊水不超过50毫米的范围内变化。

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（编辑：自媒体）