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利用螺旋型波带片进行边缘增强成像

强激光与粒子束 2010年第9期22卷 2075-2078页

作者：易涛曹磊峰杨国洪刘慎业朱效立谢常青董建军中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621900 中国科学院微电子研究所北京100029

为了提高对等离子体内界面区域的诊断精度,研究了利用螺旋型波带片实现边缘增强成像的技术。制作了用于可见光波段的一阶螺旋型波带片,最外环宽度3μm。利用螺旋型波带片对振幅式物体进行了边缘增强成像,实验获得了成像物体内边界区域... 详细信息

为了提高对等离子体内界面区域的诊断精度,研究了利用螺旋型波带片实现边缘增强成像的技术。制作了用于可见光波段的一阶螺旋型波带片,最外环宽度3μm。利用螺旋型波带片对振幅式物体进行了边缘增强成像,实验获得了成像物体内边界区域的清晰图像,界面区域的成像强度得到很大增强。通过实验测量发现,当物距在菲涅耳衍射区域内时,螺旋型波带片也能够获取较好的成像质量,表明螺旋型波带片具有较大的视场角,能够对大尺度物体进行边缘成像。基于螺旋型波带片的边缘增强成像可以弥补传统成像方式对界面区域成像的不足,提高对等离子体内界面区域的诊断能力。

关键词：图像边缘增强螺旋型波带片径向希尔伯特变换空间滤波

一种产生边缘增强图像的螺旋波带片编码成像技术

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激光与光电子学进展 2018年第3期55卷 191-196页

作者：范全平王少义魏来杨祖华张强强陈勇巫殷忠曹磊峰中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621900 中国工程物理研究院等离子体物理重点实验室四川绵阳621900 上海交通大学IFSA协同创新中心上海200240

为了获得高能X射线、α射线、γ射线和中子等粒子源的边缘增强图像,提出一种以螺旋波带片编码成像(ZPCI)技术。螺旋波带片同时具备径向希尔伯特变换和菲涅耳波带片聚焦的特点,因此,该技术相当于在采用菲涅耳ZPCI技术获得解码图像的基础... 详细信息

为了获得高能X射线、α射线、γ射线和中子等粒子源的边缘增强图像,提出一种以螺旋波带片编码成像(ZPCI)技术。螺旋波带片同时具备径向希尔伯特变换和菲涅耳波带片聚焦的特点,因此,该技术相当于在采用菲涅耳ZPCI技术获得解码图像的基础上再进行一次径向希尔伯特变换。对该技术产生的边缘增强图像进行模拟计算和实验诊断,结果显示具有可行性。该技术在天文学、核医学和激光惯性约束聚变研究等领域具有广泛的应用前景。

关键词：图像处理编码成像技术螺旋波带片边缘增强成像径向希尔伯特变换

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基于螺旋相位的运动物体边缘提取技术研究

基于螺旋相位的运动物体边缘提取技术研究

作者：鲍珊珊哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

边缘提取技术是光信息处理中的一项重要的技术。常用的运动物体边缘提取方法有计算机处理法和传统光学滤波法等。常规的计算机处理法是将运动目标从连续的视频图像中提取出来,并利用大量的算法进行试验,对目标物体进行边缘提取,系统简单... 详细信息

边缘提取技术是光信息处理中的一项重要的技术。常用的运动物体边缘提取方法有计算机处理法和传统光学滤波法等。常规的计算机处理法是将运动目标从连续的视频图像中提取出来,并利用大量的算法进行试验,对目标物体进行边缘提取,系统简单,但计算过程复杂,运算量大,实时性差。传统的光学滤波法是在摄像机镜头前放置恰当的高通滤波片,有利于突出样品的细节部分,实时强,但受外界环境影响严重,且在不同环境下对不同物体进行边缘提取时,需要更换不同的滤波片。课题“基于螺旋相位的运动物体边缘提取技术研究”的目的是综合计算机处理法和光学滤波法的优点,将多媒体视频分解成图片,利用计算机构造螺旋相位虚拟光学环境对运动目标进行边缘提取,为高效、实时的运动物体边缘提取方法提供理论依据和前期准备工作。本课题主要研究内容如下:课题从图像边缘提取的基本理论入手,利用传统图像边缘检测算子进行仿真实验,实验结果显示这些方法存在对噪声敏感、受到外界条件限制、需要人为设定阈值、容易发生错检、漏检等缺点,因此本文提出构造基于径向希尔伯特理论的螺旋相位虚拟光学系统对运动物体进行边缘提取,这是由于径向希尔伯特变换的螺旋相位滤波器可以对图像进行各个方向的均匀的边缘提取。在给出传统螺旋相位滤波器基本理论及输出特性基础上,基于液晶空间光调制器构造了螺旋相位滤波成像系统,通过光学实验验证各螺旋相位滤波器对静态目标边缘检测特性。由于传统螺旋相位滤波器存在次级大的原因将改进型螺旋相位滤波理论与数字图像处理方法相结合,在VC++(Microsoft Visual C++)编程环境下编写可执行文件,过程如下:先将视频进行分解获得单张图像、对图像进行预处理、提取目标物体、分别利用高通螺旋相位滤波器、升余弦螺旋相位滤波器对各帧图像进行频谱滤波,实现对任意形状的物体等方向上二维边缘提取,获得清晰连续的物体边缘图像,并将所得图像进行合成,进而获得具有边缘信息的运动物体的视频资料。该方法具有非接触、操作简便、测量速度快、易于在计算机控制下实行自动化测量等优点。实验证明了利用该方法可以有效获取图像的边缘信息。本课题可广泛应用于军事、工业、以及医学等领域。

关键词：虚拟光学系统螺旋相位滤波器运动物体边缘提取视频的合成与分解径向希尔伯特变换 VC++

应用螺旋相位空间频域滤波器的图像边缘增强技术的研究

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应用螺旋相位空间频域滤波器的图像边缘增强技术的研究

作者：杨富萍电子科技大学

学位级别：硕士

图像边缘增强是光学信息处理的一个重要的应用方向。实现图像边缘增强的多种方法中,一种常见手段是对其空间频域分布进行操作,比如暗场法。螺旋相位片是一种沿角向产生顺次相位延迟的光学元件,常用于产生和检测螺旋光。将螺旋相位片应... 详细信息

图像边缘增强是光学信息处理的一个重要的应用方向。实现图像边缘增强的多种方法中,一种常见手段是对其空间频域分布进行操作,比如暗场法。螺旋相位片是一种沿角向产生顺次相位延迟的光学元件,常用于产生和检测螺旋光。将螺旋相位片应用于图像的空间频域,将在不损失能量的情况下实现能量的重新分布,使空间频率较高的图像边缘得到加强。这就是所谓的螺旋相位空间频域滤波技术。将螺旋相位空间频域滤波技术应用于显微镜光学系统中,可以实现振幅型和相位型物体的图像边缘增强,突破了普通显微镜在观察纯相位物体上的限制。螺旋相位空间频域滤波法在生物医学、司法检验、微电子行业等领域有着潜在的应用价值。虽然该方法相对于其它方法具有一定的优势,但是具体细节还有待进一步研究。本文主要研究螺旋相位空间频域滤波器实现图像边缘增强的理论分析、数值仿真以及实验验证。本文的主要工作如下:1、介绍了几种制作螺旋相位滤波器的方法,并对比他们的优缺点。本文选用计算全息光栅法制作的振幅叉状光栅作为螺旋相位滤波器,该光栅能够对输入图像的空间频谱嵌入螺旋相位。另外,详细讲解了振幅叉状光栅产生螺旋光束的原理,并对其进行仿真。2、理论分析了螺旋相位滤波器在4f光学系统中实现径向希尔伯特变换的原理,解释了实现图像等向边缘增强的原理。讨论了螺旋相位滤波器的尺寸以及4f系统中的透镜焦距对图像成像的影响。进一步,详细分析了振幅叉状光栅实现图像等向边缘增强的理论,结果表明只有其±1级衍射级对图像增强有效。还通过实验验证了振幅叉状光栅在显微中能够实现振幅型和相位型物体的等向边缘增强,大大提高了图像的对比度和分辨率。3、理论分析并仿真验证螺旋相位滤波器实现浮雕阴影效果的两种方法:设置螺旋相位滤波器的中心相位值法和微移螺旋相位滤波器法。此外,实验验证了微移螺旋相位滤波器能够实现浮雕阴影效果。

关键词：螺旋相位滤波器振幅叉状光栅径向希尔伯特变换图像边缘增强

螺旋相位板在产生涡旋光束及图像边缘增强中的应用

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螺旋相位板在产生涡旋光束及图像边缘增强中的应用

作者：李志焕曲阜师范大学

学位级别：硕士

螺旋相位板(SPP,Spiral Phase Plate)是一种新型的滤波器，入射平面波穿过SPP后产生的涡旋光束是一种具有相位奇点、螺旋型波前和确定轨道角动量的特殊光场，这些特性使SPP在诸如光学微操作、自由空间光通信、光学成像等诸多领域都具有... 详细信息

螺旋相位板(SPP,Spiral Phase Plate)是一种新型的滤波器，入射平面波穿过SPP后产生的涡旋光束是一种具有相位奇点、螺旋型波前和确定轨道角动量的特殊光场，这些特性使SPP在诸如光学微操作、自由空间光通信、光学成像等诸多领域都具有十分重要的潜在应用价值。SPP在光学涡旋的产生、调制以及应用机理等方面的应用，成为本学科前沿的研究热点。本文以螺旋相位板为基础，对光学涡旋产生、旁瓣抑制及其在图像边缘增强中的应用进行了理论分析与实验研究，论文的主要内容如下： 1.简要介绍了产生光学涡旋的几种方法及其各自的优缺点，包括几何模式转换法、计算全息法、液晶空间光调制法和螺旋相位板法等，并在反射型纯相位液晶空间光调制器基础上，重点研究了圆形螺旋相位板对严格有限孔径平面波的夫琅和费衍射，通过理论模拟与实验验证分析了圆形螺旋相位板的拓扑荷数、半径等参数对涡旋光束光强分布的影响，发现在圆形螺旋相位板对平面波的远场衍射中，拓扑荷数n控制着光束分布特征，半径R控制着光束尺寸的大小。 2.详细介绍了几种常用光学涡旋旁瓣抑制的方法，包括最佳环形螺旋相位板、径向调制螺旋相位板和类贝塞尔调制螺旋相位板等，给出这几种滤波器的透过率函数及其对平面波的夫琅和费衍射场解析式，并在纯相位反射型液晶空间光调制器的基础上对这几种方法进行了实验验证，发现最佳环形螺旋相位板和径向调制螺旋相位板都可以较好的抑制光学涡旋的旁瓣，而类贝塞尔调制螺旋相位板与前两种器件相比不仅可以完全消除光学涡旋的旁瓣，而且不会改变涡旋光束主亮环的大小和形状。 3.介绍了基于螺旋相位滤波器的径向希尔伯特变换实现图像边缘增强的基本原理，提出了利用类贝塞尔螺旋相位滤波器实现提高图像边缘增强对比度的方法，并给出了该滤波器点扩散函数的解析式。通过理论模拟验证了该方法对提高径向希尔伯特变换输出图像对比度的有效性。

关键词：光学涡旋螺旋相位板旁瓣抑制径向希尔伯特变换空间光调制

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波前相位调制和偏振调制研究

波前相位调制和偏振调制研究

作者：方溁中国计量学院

学位级别：硕士

在光学信息处理系统中，波前相位调制可以改变聚焦光学系统焦点区域光学性质，在光存储、光学微操纵和奇异光学等领域中具有广泛的研究意义和应用价值。本文首先基于波前相位调控的特点，介绍了相位板调制器在现阶段的各类应用，并结合... 详细信息

在光学信息处理系统中，波前相位调制可以改变聚焦光学系统焦点区域光学性质，在光存储、光学微操纵和奇异光学等领域中具有广泛的研究意义和应用价值。本文首先基于波前相位调控的特点，介绍了相位板调制器在现阶段的各类应用，并结合具体领域提出了一些新型相位板，文章最后介绍了偏振调制的相关概念和理论，设计了光学偏振薄膜制作的偏振转换器用于光束的非均匀偏振调制及其实现光路。本文的主要研究内容有： 1、介绍了相位板的相关概念和相关理论，搜集并整理了现阶段各种相位板在各种领域中的主要应用。 2、提出了一种径向余弦的纯相位滤波器。通过改变频率参数或相位板相位变化参数,最大强度峰的能量和其他小强度峰的能量会随着改变。而且，出现了一些新的焦点模式。随着频率参数和相位板相位变化参数的持续增长焦点平移的移动方向也发生改变。 3、在理解径向希尔伯特理论基础上进一步采用Soo-Chang Pei等人提出的归一化径向希尔伯特变换理论，并设计了两种相位板用于实现输入图像在确定角度和确定方向上的边缘增强，通过Matlab软件对变换过程进行了仿真，并得出实验结果。 4、利用偏振薄膜制作了可用于实现输入光束非均匀偏振可调效果的偏振转换器，并搭建了具体的实现光路，通过具体实物光路实验得出符合理论预期的变换效果图。

关键词：波前相位调制相位板径向希尔伯特变换偏振调制

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涡旋滤波在边缘增强中的应用

涡旋滤波在边缘增强中的应用

作者：张宝先南京大学

学位级别：硕士

对图像光场的傅里叶频谱进行滤波即空间滤波操作,可以对图像的信息进行变换和处理。特定目的的信息处理要求特定的空间滤波变换,其中图像的边缘增强效应可以通过图像的希尔伯特变换实现。将原先用于一维信号处理的希尔伯特变换直接运用... 详细信息

对图像光场的傅里叶频谱进行滤波即空间滤波操作,可以对图像的信息进行变换和处理。特定目的的信息处理要求特定的空间滤波变换,其中图像的边缘增强效应可以通过图像的希尔伯特变换实现。将原先用于一维信号处理的希尔伯特变换直接运用于空间图像时,可以获得图像在某个一维方向上的边缘增强效果。进一步的研究表明,二维边缘增强可以通过对图像频谱域的涡旋滤波实现。这种对空间频谱引入涡旋的空间滤波操作,等价于在图像的径向上进行希尔伯特变换,可以实现对任意形状的物体二维各向同性的边缘增强。随着近年来光学涡旋研究的不断深入,将径向希尔伯特变换用于图像处理、相衬显微和天文观测等领域的探索和应用研究正得到越来越多的关注并不断取得新的进展。光场由其偏振分布可分为标量光场与矢量光场：偏振在波阵面上均一分布的光场为标量光场,在波阵面上偏振态分布非均匀的光场为矢量光场。一般地,光学涡旋是指中心为相位奇点具有连续螺旋相位波前的特殊光场,由于这一相位在空间变化分布与光场的偏振分布无关,因此称其为标量涡旋;近年来研究发现Pancharatnam几何相位螺旋变化的光场也是一种光学涡旋,由于这种几何相位在空间变化分布意味着光场偏振态的空间非均匀分布,因此称其为矢量涡旋。这两种光学涡旋都可以是光波傍轴传播的本征模式,本文介绍了一些有代表性的光学系统和光学元件生成它们的方法,并分析了各种方法的优缺点。基于光学涡旋特殊的光场结构,我们分别研究了标量涡旋滤波与矢量涡旋滤波在一些条件下的边缘增强滤波效果。我们从研究涡旋滤波系统的点扩展函数出发,分析了整数拓扑荷的涡旋滤波可以抑制物场非边缘信息并获得边缘增强的物理过程,并通过计算机数值模拟计算和实际光学实验结果验证了其他不同情况的涡旋滤波在边缘增强成像中表现：采用标量涡旋滤波时,系统的点扩展函数可以看作由整数拓扑荷的涡旋基元项与非涡旋项构成。其中涡旋基元能量越集中,非涡旋项的强度越小,我们获得地均匀边缘增强成像的效果越好。因此,一般采用涡旋中心在光轴上的拓扑荷为1的涡旋滤波来获取均匀边缘增强成像,而拓扑荷为2的涡旋滤波形成类日食的效果可以应用于抑制强的背景光;我们还可以通过控制在频谱面引入的涡旋的位置和角度以及采用分数拓扑荷等可以调节非涡旋项的影响,从而获得非均匀的选向边缘增强。采用矢量涡旋滤波时,其物理过程与标量涡旋滤波类似,一般采用涡旋中心在光轴上的拓扑荷为1的矢量涡旋滤波来获取均匀边缘增强成像。与标量涡旋滤波不同的是,我们可以通过检偏器来选择获得输出的矢量光场的部分信息,可以方便地应用于获取选向边缘增强。并且由于滤波器位置的偏移或非单色的入射光造成滤波系统的点扩展函数的非涡旋项一般为线偏振,其偏振方向由入射场的偏振方向和滤波器的位置决定。通过检偏器我们可以滤除这个线偏振项,使我们能获得由整数拓扑荷矢量涡旋基元产生的部分选向边缘增强结果。我们可以利用这一性质来校正滤波器的位置,也可以通过调控非单色光入射场的偏振来获得不同方向边缘增强进而合成完整均匀的无色差边缘增强。因此,矢量涡旋滤波在选向边缘增强以及无色差边缘增强中具有很好的应用价值。

关键词：涡旋滤波标量涡旋矢量涡旋径向希尔伯特变换边缘增强

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螺旋相位板及其在光学信息处理中的应用研究

螺旋相位板及其在光学信息处理中的应用研究

作者：刘婷婷山东师范大学

学位级别：硕士

螺旋相位板(Spiral Phase Plate,简称SPP)是一种光学厚度与旋转方位角成正比的纯相位衍射光学元件,入射平面波通过SPP的出射光束具有螺旋相位波前。SPP作为一种新型的衍射光学元件,已在光信息处理、光学微操纵、生物医学、形貌测量、天... 详细信息

螺旋相位板(Spiral Phase Plate,简称SPP)是一种光学厚度与旋转方位角成正比的纯相位衍射光学元件,入射平面波通过SPP的出射光束具有螺旋相位波前。SPP作为一种新型的衍射光学元件,已在光信息处理、光学微操纵、生物医学、形貌测量、天文观测等诸多领域得到实际应用。目前,对SPP的研究已经发展为现代光学的一个重要领域。本论文主要研究螺旋相位板作为一种新型滤波器在光学信息处理中的应用,如实现径向希尔伯特变换、产生任意形状和阵列光学涡旋、螺旋相衬显微成像以及基于螺旋相位滤波的相移数字全息等。论文的主要内容包括以下几个方面: 1.概述了螺旋相位板的基本结构、主要类型、研究进展以及主要应用。 2.介绍了螺旋相位板的衍射基本理论,并系统地分析了阶梯型螺旋相位板的涡旋输出特性。另外,还介绍了其他几种常见的实现螺旋相位变换的方法:液晶空间光调制器法、干涉型全息图法和相息图法,以及各种方法的优缺点。 3.分析了螺旋相位滤波成像系统的基本理论及其基本特性,介绍了螺旋相位板在光信息处理中的主要应用,包括基于螺旋相位滤波器的径向希尔伯特变换、螺旋相位滤波产生任意形状和阵列光学涡旋以及螺旋相衬成像,并对螺旋相衬成像的相关结论进行了数字模拟验证。 4.在相移数字全息的理论基础上,基于螺旋相位滤波器的特点,提出了一种共路相移数字全息成像系统——基于螺旋相位滤波的共路相移数字全息系统:在成像系统的频谱面上放置一个中心带有一通光孔径的螺旋相位板,在输出面上记录输入物体经螺旋相位滤波后的输出像;如果将螺旋相位板绕轴旋转一定角度,则通过中心光孔的零频成分与其他高频成分之间会产生一个与旋转角度成正比的相移。利用这一特点,我们可以通过记录多幅对应不同旋转角度的输出光场的强度分布图,再利用一定的相移算法来实现纯相位或一般复振幅物体的记录和再现。通过对上述方法的理论分析和计算机模拟实验研究,证明了该方法是实际可行的。

关键词：螺旋相位板光学涡旋相移数字全息径向希尔伯特变换

基于新型螺旋相位滤波器提高图像边缘增强对比度的方法

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泰山学院学报 2012年第6期34卷 68-72页

作者：李志焕吴福全陈君崔祥霞曲阜师范大学激光研究所山东曲阜273165 泰山学院物理与电子工程学院山东泰安271021

提出了利用类贝塞尔螺旋相位滤波器实现提高图像边缘增强对比度的方法.给出了普通螺旋相位滤波器和类贝塞尔螺旋相位滤波器的点扩散函数,并利用圆孔、汉字和洋葱表皮细胞等三幅图像进行了边缘增强的模拟计算,发现与普通螺旋相位滤波器... 详细信息

提出了利用类贝塞尔螺旋相位滤波器实现提高图像边缘增强对比度的方法.给出了普通螺旋相位滤波器和类贝塞尔螺旋相位滤波器的点扩散函数,并利用圆孔、汉字和洋葱表皮细胞等三幅图像进行了边缘增强的模拟计算,发现与普通螺旋相位滤波器的图像边缘增强结果相比,基于类贝塞尔螺旋相位滤波器的图像边缘增强对比度得到显著提高.

关键词：径向希尔伯特变换类贝塞尔螺旋相位滤波器点扩散函数图像边缘增强