一種數字全息自動聚焦技術研究及執行個體分析

一、引言

數字全息的自動聚焦整個過程在計算機中完成，可根據測量過程待測物體實際位置的變化情況，自動确定最優的重建距離，進而為測量提供可靠清晰的圖像。是以，如何快速、準确地尋到最優重建距離是數字全息自動聚焦技術的一個關鍵問題。

數字聚焦算法的重建平面檢測流程如下：首先沿軸向方向以固定間隔重建一系列圖像，通過對比度名額檢測每幅圖像，重建圖像越清晰，重建位置越接近最佳重建平面位置，進而确定最佳聚焦位置。數字聚焦中的圖像對比度名額包括熵名額、方差名額、頻譜名額、頻譜範數名額、強度梯度名額等。通過運用數字聚焦算法的對比度名額，可以量化重建圖像的對比度，客觀地反映圖像的重建狀況，找到物體的最佳重建平面位置。

二、自動聚焦-角譜法重構執行個體示範

根據角譜法得到衍射100mm後的衍射場(粗糙物體，即為散射場)，對該散射場進行自動聚焦處理，得到最佳重建距離，如下圖所示，根據最佳重建距離便可重構得到清晰的像。

自動聚焦過程如下動畫所示：

三、自動聚焦-卷積法重構執行個體示範

首先，根據卷積法記錄得到衍射200mm後的衍射場(粗糙物體，即為散射場)，對該散射場進行自動聚焦處理，得到最佳重建距離，如下圖所示，根據最佳重建距離便可重構得到清晰的像。

該自聚焦過程如下動畫所示：

四、自動聚焦-菲涅耳變換法重構執行個體示範

首先，根據菲涅耳衍射法記錄衍射30mm的衍射場，對該衍射場進行自動聚焦處理，得到最佳重建距離，根據最佳重建距離便可重構得到清晰的像。

該自聚焦過程如下動畫所示。

五、應用

5.1 單波長數字全息自動聚焦

數字全息圖的傳輸光路采用的是共光路結構，在這裡，鹵素燈發出的白色照明光束（λ=574 nm）經過準直透鏡CL後，通過光闌AP濾波，經聚光透鏡CO後為準直白光束，照射樣品S (美國空軍分辨率闆)，攜帶樣品資訊的物光被物鏡MO放大，經平面鏡M反射和鏡筒透鏡 TL 後，由相位光栅 G 複制兩束平面波，在透鏡 L1 後的傅裡葉平面上經針孔掩膜闆 PH 的針孔濾波産生一束參考光，完全透過 PH 的光形成物光，經過透鏡 L2 之後，得到的離軸幹涉圖被1024×1280像素的CCD相機記錄。

單波長數字全息自動聚焦實驗[1]

5.2 雙波長數字全息自動聚焦

對于單波長數字全息技術，采用單個光源作為照射光源，當物體的厚度所等效長的波長比照射波長更大時則會發生相位包裹現象，這會影響到對物體的定量分析。為了研究不同測量物體更普遍适用的方法，雙波長數字全息技術吸引了廣泛的關注。 DWDH可以産生一個合成相位圖，從兩個波長的記錄全息圖中恢複得到無包裹的相位，進而避免出現相位包裹問題。

雙波長數字全息自動聚焦[1]

5.3 基于卷積神經網絡的數字全息自聚焦

傳統的數字全息自聚焦成像技術通常是基于疊代的方法，這限制了聚焦成像的速度。而基于卷積神經網絡技術，實作由離焦全息圖預測聚焦重建像，具有成像速度快、預測過程無需背景圖、對噪聲不敏感等優點。

基于改進的全卷積神經網絡的單波長離軸數字全息自聚焦成像[2]

參考文獻

[1] 謝曉昕. 數字全息快速自動聚焦技術研究 [D]; 哈爾濱工程大學, 2019.

[2] 張洋. 基于深度學習的數字全息自聚焦成像技術研究 [D]; 哈爾濱工程大學, 2020.

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