基于数字全息技术的云滴粒子三维.doc

基于数字全息技术的云滴粒子三维分布再现 李保生，马飞，黄猛 （合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009） 摘要：随着社会的高速发展，天气对人们生活的影响越来越受到了人们的重视，不仅如此，天气的变化在农业、社会建设和人类活动各个方面都有重要的影响。由于近年来现代高分辨率CCD的高速发展，数字全息技术被广泛应用于粒子测量。本文基于对全息重建和图像处理算法,为了研究云层的分布和组成，美国气象局云物理部门研制全息系统对云粒子进行测量和分析 全息技术是运用光的干涉和衍射理论对被测物进行记录并再现物体的三维图像的技术，且全息方法能够确定，测量的粒子尺寸范围广泛。随着电子技术的进步和CCD等电子产品的分辨率等性能的不断提高，推动了数字全息技术的进步。基于数字全息术的特点以及适应自动化的要求，运用数字全息技术进行粒子的测量，运用图像处理技术能够准确有效地获得分布信息。本文基于数字全息技术，运用图像处理技术，对进行研究。同轴全息 同轴全息是当物光波和参考光波的夹角为零时记录全息图的过程。在同轴全息图的再现光场中不仅包含了物体的实像，同时还包含了离散杂光、直透光以及物体的虚像，全息图再现的光路图如图所示。从图能够看出，上述的四项衍射光场的分量都是沿着光传播的方向进行传播的，而实像和虚像分别位于距离全息图为z的全息图的两侧，当实像和虚像距离非常近时，则成为不可分离的孪生像，将降低再现图像的质量。但当物体的尺寸相对于记录距离非常小时，即当（表示光波波长，d表示物体直径，z表示记录距离）时，即满足远场记录条件时，则此时虚像的衍射对于实像仅是一个背景，对再现图像的影响较弱，所以用于测量颗粒物等离子场最为合适。 图同轴全息图再现光路 Fig.Optical path of holography in-line reconstruction 运用数字同轴全息术测量颗粒物，光路简单，对于实验系统的搭建也比较容易。对同轴全息的记录系统，可以用平面波记录也可用球面波记录，但用球面波记录时，不同再现距离的再现图像的放大率会不同，因此会给后续的分析测量带来困难，本文对平面波记录系统进行分析，运用平面波记录系统进行颗粒物的测量。 2.平面波记录平面波再现 图2平面波记录数字同轴全息 Fig.2 Plane wave records digital holographic in-line 图 2所示为粒子场同轴数字全息术记录和再现系统模型图。设照射粒子场的平面平行光波的波长为λ，粒子场振幅透过率为[1-o(x,y)]，根据惠更斯-菲涅尔原理，则CCD上记录的光场复振幅分布表示为 （） 其中， （2） d表示粒子直径，k=2π/λ，式（）中忽略掉常数相位因子则可写为下式 （） 则光场的强度分布为 （） 式中，*表示卷积运算，上标*表示复共轭，hz(x,y)为菲涅尔函数。在粒子场中，因为被记录粒子的直径相对于记录距离非常小，式（）中的|o(x,y)*hz(x,y)|2项可以忽略，则I(x,y)可以写为 （） 设由波长λ的单位振幅的单色平面平行光波对全息图进行垂直照射，在距离全息图z处的实像面上得到的光场复振幅的分布为 （） 式中，t(x‘,y’)=I(x,y)表示全息图的振幅透过率，则实像面上的强度分布为 （） 式中，省略高阶小量，则上式可以写为 （） 式()中第一项表示再现光波的直透项，第二项表示粒子场的实像，第三项表示距离(x‘,y’)平面距离为2z处的衍射像。 三维粒子场的实像场上的强度分布表示为 （） 式中，n表示粒子数目，oi(x0,y0)表示第i个粒子的振幅透过率，则可表述为 （10） di表示第i个粒子的直径，zi表示距离全息图平面的距离。 3 三维粒子场模拟实验 本节将用计算机模拟生成的菲涅尔干涉全息图[6]，作为所生成的全息图，并用此全息图再现出原始图像进行三维分布的再现。采用个不同距离的二维平面进行模拟。个平面的记录距离分别为z1=20cm z2=21cm，进行模拟仿真的参数如下：激光波，像素个数为512×512，像元尺寸为19.5×19.5。 （a）记录距离z1 （b）记录距离z2 （c）全息图 （）再现距离z1 （）再现距离z2 （）粒子三维再现图3三维模拟仿真图 Fig. 3 Three-dimensional simulation diagram记录距离分别为z1=20cm，z2=21cm的张二维平面如图3（a）、3（b）运用3（）根据理论，用与记录光波相同的激光，和与记录距离相等的个再现距离对全息图进行再现，再现图像分别如图3（）、图3.10()，4 实验及数据 4.1同轴数字全息实验装置 实验选择同轴数字全息系统，用平面波对进行记录，通过上述分析搭