1 清华大学深圳国际研究生院，广东 深圳 518055
2 西北工业大学物理科学与技术学院，陕西 西安 710072
3 西北工业大学深圳研究院，广东 深圳 518063
在数字全息粒子场成像中，粒子衍射的孔径角很小，重构时具有很长的焦深，造成轴向定位精度远低于横向定位精度。增大照明波长，相当于增大粒子孔径角，因此可得到更高的轴向定位精度。采用红外相干光源照明粒子场，在不提升算法和系统复杂度的前提下提升数字全息粒子场重构的轴向定位精度。从理论上分析数字全息粒子场重构中焦深与轴向定位精度的关系，并分别仿真分析绿光、红光及红外光照明时的粒子场全息重构，分别开展了基于这3种光源的聚苯乙烯微球粒子场全息成像实验。仿真和实验结果研究表明，相比红光，红外光源使焦深减小了约19%，而相比绿光，焦深减小了约39%。增加波长可以减弱离焦像的层间干扰，从而提高了轴向定位精度。
数字全息 粒子场 红外光 轴向定位精度 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211022
东南大学大型发电装备安全运行与智能测控国家工程研究中心，江苏 南京 210096
光场显微粒子图像测速技术通过单光场相机即可实现微尺度三维速度场的测量，但单光场相机角度信息有限，导致粒子重建的轴向分辨率低、重建速度慢。基于此，提出一种基于卷积神经网络深度学习模型的光场显微粒子三维空间分布重建方法，以实现粒子三维分布的高分辨率快速重建。首先，根据光场显微成像模型，基于粒子的实际发光特性生成模拟光场图像，进而构建“粒子空间分布-光场图像”数据集；然后，耦合光场显微成像特点，建立卷积神经网络深度学习模型，通过“粒子空间分布-光场图像”数据集对模型进行学习和训练，获得光场显微三维粒子空间分布预测模型，并对预测模型的性能进行评价；最后，测量水平微通道层流流动中的示踪粒子空间分布和三维速度场。模拟和实验结果表明：相比常规的反卷积方法，所提方法的粒子重建轴向分辨率提高79.3%，基本消除了粒子重建的拉伸效应；单张图像重建时间仅为0.243 s，可以满足实时测量的需求。
图像重建技术 微尺度流动 深度学习 三维粒子场 光场显微粒子图像测速技术 光学学报
2023, 43(21): 2115002
红外与激光工程
2021, 50(2): 20200530
1 中国计量大学 光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018
2 浙江省现代计量测试技术及仪器重点实验室，浙江 杭州 310018
3 精密测试技术及仪器国家重点实验室，清华大学 精密仪器系，北京 100084
粒子场的数字全息成像中，由一幅粒子场全息图重建出高精度的三维粒子场分布，是数字全息技术领域的经典问题之一。相比于传统反向重建算法，深度学习算法可以从单个全息图直接重建出三维粒子场来简化算法复杂度，提高计算效率和准确率。介绍国内外研究团队将深度学习算法结合数字全息技术实现粒子场数字全息成像的研究进展，从不同粒子表征方法入手，叙述了支持向量机、全连接神经网络、全卷积网络、U-Net网络、深度神经网络在粒子场数字全息成像中粒子表征及粒子场反向重建过程中的应用原理、实现途径和准确率。最后指出了深度学习算法在这一研究领域的优势及目前基于深度学习算法的不足，并对如何进一步提高该方法的准确率进行了展望。
粒子场 数字全息 深度学习 神经网络 particle field digital holography deep learning neural network
针对有缝拼接合成孔径同轴数字全息图的再现问题, 通过对接缝处预先进行灰度均值填充, 利用基于角谱理论的 Gerchberg-Saxton(GS) 加权改进相位恢复算法恢复相位, 获得全息图记录面上的完整复振幅信息.仿真模拟了该方法对粒子场的检测, 获得的再现像与模拟粒子靶的相关系数较传统方法得到的结果提高1倍以上, 并可以有效抑制接缝处信息丢失对合成孔径同轴数字全息图再现像的影响, 实现有缝拼接合成孔径同轴数字全息图的高质量再现.
光信息处理 合成孔径 相位恢复 同轴全息图 均值填充 粒子场检测 图像传感器 Optical information processing Synthetic apertures Phase retrieval In-line holograms Mean filling Particle field detection Image sensors
粒子场的数字全息诊断中，良好的再现算法能够在较短的时间内给出高质量的再现像。利用标准粒子板模拟单层面的粒子场，使用大面阵CCD实现同轴数字全息记录，得到了大尺寸的数字全息图。针对4种数字全息再现算法，本文从再现图像的质量、再现全息图的大小和计算速度3个主要方面进行了比较研究，结果表明角谱算法(FFT-AS)具有再现图像背景均匀，再现结果中无物理图像压缩，可以再现大尺寸的全息图且具有较快计算速度的优点，适合于粒子场同轴数字全息图的再现计算。
数字全息 衍射计算 再现算法 粒子场 digital holography diffraction calculation reconstruction algorithm particle fields
1 西北核技术研究所, 西安 710024
2 西安武警学院 物理系, 西安 710012
在粒子场全息实验中, 研究了4F光学成像系统不抽真空时, 其内部实焦点处由于光脉冲能量聚焦引起的空气击穿现象。发现在这种情况下得到的同轴和离轴全息粒子再现像, 与实焦点未被击穿时得到的正常全息再现像相比, 其强度分布发生了反转。理论分析表明, 这种情况是由于实焦点处空气击穿引起的空间滤波效应造成的。研究发现:在离轴粒子场全息实验中, 合理调整曝光强度, 利用4F系统中的空气击穿效应可以获得高清晰度的全息再现象。
全息 粒子场 空气击穿 同轴 离轴 再现像 holography particle field air-ionization in-line off-line reconstructed image 强激光与粒子束
2010, 22(12): 2999
1 西北核技术研究所, 陕西 西安 710024
2 西安武警学院物理系, 陕西 西安 710012
在粒子场的定量分析中, 通常采用外加标准丝作为粒子尺寸测量的定标尺度。为了解一定景深范围内存在的标准丝再现像实验测量结果的影响, 从理论和实验上详细分析了标准丝再现像在不同位置处的强度分布及变化, 指出了常规定标方法对粒子场图像数据所带来的影响, 同时提出了一种新的定标方法——非实时定标方法。实验结果表明, 非实时定标方法在保持空间定位精度的基础上, 测量得到的标准粒子尺寸的不确定在4%左右。该方法有效地解决了标准丝再现像对粒子尺度测量精度影响问题, 可以用于粒子场实际测量工作中。
全息 定标 非实时定标 粒子场图像 标准丝
1 西北工业大学理学院光信息科学与技术研究所,陕西省光信息技术重点实验室 陕西 西安 710072
2 空军工程大学理学院, 陕西 西安 710051
提出采用能量透射率较大、频谱旁瓣峰值和旁瓣衰减斜率较小的Tukey窗对粒子场数字全息图进行切趾处理。分析了在焦位置测量和Tukey窗切趾粒子场数字全息图的原理。实验记录了附着于玻璃板表面的微小单层粒子场的数字全息图,采用Tukey窗对其切趾后进行数值再现。实验结果表明,全息图切趾后的再现像中已不存在黑白相间的干涉条纹,衬比度增强,再现粒子像更清晰,处于边缘区域的再现粒子像几乎被切趾孔径所淹没; 随着窗函数切趾参量的逐渐增大,可更准确地确定单层粒子场的在焦位置,提高粒子场在焦位置的测量精度。
数字全息术 切趾 Tukey窗函数 粒子场分析
中国工程物理研究院流体物理研究所,四川,绵阳,621900
本文介绍了用同轴Fraunhofer全息测量强动载下材料表面微喷射粒子场的数据处理方法.在全息像重建过程中,将再现的三维粒子场由计算机控制分成许多小薄层采集.在数据处理过程中根据图像中粒子边缘,决定在整幅图或局部采用边缘检测的方法提取大粒子,根据图像的灰度分布将图像分成很多小区域,在每个小区域采用不同的阈值分割图像.在处理结果的校正中根据粒子场的特点,去除过大、过小和重复统计粒子.采用该方法得到了粒子的空间分布图像及粒子大小的统计结果.
全息 粒子场 再现 数据处理 Holography Particle field Reconstruction Data process
