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数字全息粒子场测量技术研究

作　者: 路程
导　师: 刘国栋
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 数字全息粒子场测量再现算法自动聚焦算法
分类号: O438.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 18次
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内容摘要

数字全息是现代数字技术与传统的光学全息技术相结合的一种新兴技术，它利用光电探测器件来记录全息图，在计算机中进行全息图的重建。相对于其它测量技术，数字全息技术有着独特的优势。这种方式记录光路简单，并且可以快速的测量出粒子的三维分布、尺寸以及流速。本文围绕数字全息用于粒子场测量展开，主要进行了以下几点工作：概述了全息技术的发展历史、研究现状、技术特点及其相关应用。研究了粒子场数字全息术的基本原理以及粒子场全息术的数学模型。在粒子场全息术中通常采用同轴全息的光路来记录，这种记录方式简单，而且在粒子场测量中，由于通常情况下粒子场测量中的粒子较小，这使得共轭像的影响可以忽略。最后分别研究了使用球面波和平面波记录的情况，并指出了球面波记录的缺点。研究了目前数字全息中常用的三种再现算法，即：快速傅里叶变换法、卷积法以及角谱法。提出了三种再现算法各自的适用范围，并通过理论和实验研究得到结论：快速傅里叶变换法不满足采样定理，卷积法在大于一定边界距离时适用，角谱法在任意距离均可以良好的计算衍射。研究了目前常用的几种自动聚焦算法，分别为灰度值梯度法、图像信息熵函数法、频域评价函数法以及小波变换法，但是这些方法效率非常低下，本文中研究了一种基于频谱传递函数的自动聚焦算法，实验证明这种方法有着良好的准确性，并且效率要远大于前几种方法。研究了整体的实验过程。以浮游生物作为样本，进行粒子场检测，重建三维粒子场的同时重建了清晰的浮游生物图像，然后利用分辨率板来进行系统分辨率的分析，证明同轴数字全息的方式分辨率可达到8μm。研究结果证明，数字全息术在粒子场检测中有着准确、快速、非接触、可重建三维信息等诸多优点。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 课题背景和意义  9-10
  1.2 光学全息概述  10-11
  1.3 数字全息的特点及国内外现状  11-15
    1.3.1 数字全息的特点  11
    1.3.2 数字全息的国内外现状  11-15
  1.4 本论文的主要研究内容  15-17
第2章粒子场全息术基本理论  17-26
  2.1 全息术的基本原理  17-22
    2.1.1 波前记录  17-18
    2.1.2 波前再现  18-19
    2.1.3 同轴全息与离轴全息  19-22
  2.2 粒子场数字全息术  22-25
    2.2.1 粒子场数字全息术理论模型  23
    2.2.2 粒子场全息图记录光路示意图  23-25
  2.3 本章小结  25-26
第3章数字全息再现算法及其比较  26-40
  3.1 标量衍射理论  26-29
    3.1.1 惠更斯-菲涅耳原理  26-28
    3.1.2 菲涅耳-基尔霍夫衍射公式  28-29
  3.2 三种常用再现算法研究  29-32
    3.2.1 直接傅里叶变换法  29-31
    3.2.2 卷积法  31
    3.2.3 角谱法  31-32
  3.3 三种再现算法适用范围研究  32-38
    3.3.1 直接傅里叶变换法适用范围  33-34
    3.3.2 卷积法适用范围  34-35
    3.3.3 角谱法适用范围  35
    3.3.4 实验验证  35-38
  3.4 本章小结  38-40
第4章快速自动聚焦实现  40-51
  4.1 自动聚焦算法简介  40-41
  4.2 快速自动聚焦算法  41-50
    4.2.1 快速自动聚焦算法理论基础  41-45
    4.2.2 快速自动聚焦算法实验验证  45-50
  4.3 本章小结  50-51
第5章同轴全息用于液体中粒子场测量  51-61
  5.1 实验装置介绍  51-52
  5.2 粒子场测量中的具体步骤  52-56
    5.2.1 目标区域提取  52
    5.2.2 自动聚焦  52-55
    5.2.3 重建粒子场  55-56
  5.3 系统分辨率分析  56-58
  5.4 系统软件设计  58-60
  5.5 本章小结  60-61
结论  61-62
参考文献  62-68
致谢  68

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