针对微光学元件的三维面形检测，提出了利用数字全息显微(DHM)方法实现全视场、非接触式和非破坏性的快速三维定量相衬成像。首先构建了无透镜傅里叶变换数字全息装置，通过对获取的全息图进行单次快速傅里叶逆变换实现数值再现，然后采用两步相位相减法校正相位畸变，利用最小二乘法获得解包裹相位图，进而给出测试样本的面形信息。实验中，对微透镜阵列进行了形貌检测，得到其口径和浮雕深度分别为1.595 mm和2.424 μm，这与采用白光干涉仪获得的结果具有较好的一致性，表明无透镜傅里叶变换数字全息显微术应用于微光学元件面形成像是可行和有效的。

在对合成孔径数字全息图通过分幅数值重建的过程中,数值重建平面中心的改变将会影响子全息图再现像的位置及相位分布,进而会对最终得到的合成数值再现像的质量产生不利影响。针对合成孔径数字无透镜傅里叶变换全息图,在理论分析的基础上,提出了相应的分幅再现算法。根据相应子全息图在合成孔径全息图平面上的位置,给各分幅数值再现像分别乘以相应的相位修正因子后再进行叠加,可得到准确的合成数值再现像。以采用线阵CCD推扫获得的大幅面数字无透镜傅里叶变换全息图为例,按照所述方法进行了分幅数值重建实验,获得了高质量的准确合成数值再现像。实验结果与理论分析一致。

对数字无透镜傅里叶变换全息图直接采用逆傅里叶变换进行物场的数值重建时,需要满足两个条件：第一,全息图的记录过程必须满足傍轴近似条件,否则再现过程中会产生非傍轴像差; 第二,记录全息图时物平面与参考点光源到全息图记录平面的距离必须相等,否则再现过程中会产生离焦像差。理论分析了非傍轴及离焦记录条件下数字无透镜傅里叶变换全息图的灰度分布特点,并提出了相应的非傍轴及离焦像差的数值校正方法。根据实际的非傍轴或离焦记录情况,分别给所记录的数字全息图灰度分布矩阵乘以适当的非傍轴或离焦校正因子,以消除灰度矩阵中非傍轴或离焦因素的影响,然后再对校正后的全息图灰度矩阵做逆傅里叶变换处理,即可得到准确的数字再现像。实验结果表明,该数值重建方法能够有效地消除无透镜傅里叶变换全息术中数字再现像的非傍轴像差及离焦像差,提高再现像的质量。

为了提高再现像质量，对数字全息常见算法进行了比较研究。根据全息理论和线性系统理论，研究了利用菲涅耳近似法和基于瑞利－索末菲衍射积分的卷积法数值重建离轴无透镜傅里叶变换全息的方法，并做了计算机模拟。结果表明，在记录距离很短的情况下，尽管记录距离不满足通常的菲涅耳近似条件，菲涅耳近似公式仍然成立；自由空间脉冲响应的快速傅里叶变换在不同的记录距离性质不同，由瑞利－索末菲衍射积分利用卷积方法得到的再现像质不理想；对于离轴无透镜傅里叶变换全息显微来说，菲涅耳近似重建方法优于卷积方法。

在理论分析无透镜傅里叶变换全息图记录的基础上,结合CCD的结构特点,用傅里叶频谱方法具体研究了无透镜傅里叶变换全息图在欠采样条件下的再现问题.指出在无透镜傅里叶变换全息术中,对有限尺寸物体而言,在记录过程不满足申农(Shannon)采样定理的条件下,仍能完整再现出物体的像.同时对再现像的变化特点进行了理论说明.所得的实验结果与理论分析一致.

根据成像理论和全息系统的点扩散函数,研究了数字全息显微系统的成像分辨率,给出了无预放大和有预放大情况下成像分辨率的表达式,指出了只有当CCD的成像分辨率等于或高于显微物镜(MO)的成像分辨率时,预放大数字全息系统的成像分辨率才取决于显微物镜的数值孔径(NA);反之,系统的成像分辨率则取决于CCD的数值孔径。采用无透镜傅里叶变换全息记录光路,对美国空军分辨率测试板进行了实验研究,结果表明再现像在水平和垂直方向的极限分辨率分别为3.91 μm和4.38 μm,与理论分析相吻合。对条纹物体进行了全息图的模拟记录和再现,结果与理论分析相一致。

在光纤数字全息光路中引入自聚焦透镜,利用其特有的成像特性,作为物光波的中继传输器件,构成一套紧凑型光纤数字无透镜傅里叶变换全息记录系统,以实现对微小物体的全息记录与数值再现.研究结果表明,结合自聚焦透镜和光纤数字全息术的特点,不仅可使光学测试系统紧凑、微型化,而且还可以对一些特殊环境、光线难以直接到达的隐藏区域或封闭系统内部进行测量.

根据数字全息干涉术的基本原理,利用CCD分别记录物场状态变化前后的无透镜傅里叶变换全息图,通过数值再现分别得到不同状态下物场的复振幅分布,从而直接得到不同状态下物场间的干涉条纹图样。如果该物场是由板状试样的离面弯曲引起的,则通过测量干涉条纹图样中相同相位条纹的渐近线之间的夹角,即可确定出材料的泊松比。实验证明该方法简单易行,尤其适合对光学粗糙表面、小泊松比或小尺寸的试样进行全场测量,测量结果具有良好的重复性,较高的灵敏度和精度。

对以球面波作为参考光记录数字全息图的采样和再现分离条件进行了详细的分析。推导出了同时满足采样和再现分离条件时,CCD及物体的横向尺寸、物体及参考光源至CCD的距离之间需要满足的关系式,证明了完全散射物体上复振幅在记录面上的叠加可以等效为一个点光源在记录面上产生的效果,进行了相应的实验研究。结果表明

针对无透镜傅里叶变换全息图数值再现过程的特点,提出了一套不同于以往的削弱或消除全息图0级衍射和孪生像的数字图像处理算法。该算法分为三步。首先,对所拍摄的数字全息图通过高通滤波实现衬比度增强预处理,以提高全息图的衍射效率并消除再现图像的0级衍射斑;其次,对再现图像进行带通及V型滤波,以降低背景噪声并使再现视场均匀;最后,对所得到的再现像进行平滑处理,通过小波滤噪和中值滤波进一步提高再现像的信噪比。实验结果表明,该方法只需记录一幅数字全息图,通过简单的数字图像处理,便可明显改善图像质量,尤其适用于无透镜傅里叶变换全息图的数值再现,并且更加实用化。