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基于计算全息图的大口径长焦距离轴抛物面反射镜测量

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中国激光 2024年第11期51卷 526-536页

作者：胡晨魏朝阳万嵩林江国昌顾昊金邵建达中国科学院上海光学精密机械研究所精密光学制造与检测中心上海201800 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光材料重点实验室上海201800 中国科学院大学材料科学与光电子工程中心北京100049

随着激光脉冲宽度极限的不断突破以及峰值功率的不断提高,脉宽压缩光栅的尺寸需要进一步增大。但反射式曝光系统所需大口径长焦距离轴镜的高精度加工检测成为制约大口径光栅制作的难题。采用计算全息补偿检测不需要复杂的设计和装调,但... 详细信息

随着激光脉冲宽度极限的不断突破以及峰值功率的不断提高,脉宽压缩光栅的尺寸需要进一步增大。但反射式曝光系统所需大口径长焦距离轴镜的高精度加工检测成为制约大口径光栅制作的难题。采用计算全息补偿检测不需要复杂的设计和装调,但同样会引入非回转对称和复杂的二维投影畸变。传统的畸变校正方法由于精度受限或计算复杂不利于工程应用。提出基于数值计算的畸变校正方法,该方法具有简单通用易于编程的优点。利用800 mm口径折反镜在直径为18 m光学平台上搭建了面形检测光路,通过系统误差标定去除以及畸变校正的方法实现了高精度面形测量,经磁流变迭代加工后,面形精度RMS可收敛至0.013λ(λ=632.8 nm),这为后续大口径反射式曝光系统的建立奠定了基础。

关键词：离轴抛物面镜计算全息图误差标定投影畸变校正

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计算全息图的二值化及再现像噪声分析

计算全息图的二值化及再现像噪声分析

作者：解文博齐鲁工业大学

学位级别：硕士

全息术通过记录物体的振幅和相位信息,可实现三维物体的立体成像。为简单快速实现全息成像的光学重建及存储,全息图通常被二值化处理。全息二值图因具有数据存储量小且再现成本低的特点,在全息显示、散射介质成像、光束调制、全息防伪... 详细信息

全息术通过记录物体的振幅和相位信息,可实现三维物体的立体成像。为简单快速实现全息成像的光学重建及存储,全息图通常被二值化处理。全息二值图因具有数据存储量小且再现成本低的特点,在全息显示、散射介质成像、光束调制、全息防伪等领域广泛使用。二值化的同时也会引入大量噪音,损失大量的图像信息。因此对全息图二值化再现像噪声的分析和优化是亟待解决的问题。以此为背景,本文依托图像质量评价指标对计算全息图二值化及再现像的质量进行了分析与改进。首先,本文选用基于菲涅尔衍射的离轴计算全息算法,对实验示例图生成相应的全息图并再现。选用全局阈值、局部阈值和误差扩散3类方法进行全息图的二值化处理并再现。对比3类再现像质量后发现,不同二值化算法均对全息再现像引入了新的二值化噪音且影响引入噪音的因素主要由于二值化算法中阈值和误差扩散滤波器的影响。其次,确定了直方图均衡化前置加载方式是提高全息图二值化再现像的保证。对比局部直方图均衡化和限制对比度自适应直方图均衡化(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization,CLAHE)两种直方图均衡化方法,结果表明CLAHE对二值化再现像的图像质量提升更高。之后,为进一步优化全息图二值化再现像质量,探讨了CLAHE算法中剪裁值的设定对于全息图二值化再现像的影响,结果表明最佳剪裁值设定与全息图像标准差相关。针对此现象,本文提出全息图块标准差设定剪裁值CLAHE(Hologram Tile Standard Deviation-CLAHE,HTSD-CLAHE)和全息图标准差设定剪裁值CLAHE(Hologram Standard Deviation-CLAHE,HSDCLAHE),并讨论其再现像的图像质量,结果表明HSD-CLAHE预处理后的再现像噪声减弱最明显。最后,对比HSD-CLAHE与5种图像增强技术对再现像的去噪效果,结果发现,HSD-CLAHE对暗调类图像和中间调图像的去噪效果明显高于另外5种图像增强技术。之后,验证了HSD-CLAHE对低照度图像的二值化全息再现应用,结果表明本文提出的HSD-CLAHE算法具有显著效果。

关键词：计算全息图二值化图像噪声直方图均衡化图像滤波

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基于卷积神经网络的计算全息图生成方法研究

基于卷积神经网络的计算全息图生成方法研究

作者：周艳西安工业大学

学位级别：硕士

近年来随着深度学习的发展,深度学习可对大规模数据进行端对端的学习,准确性高、学习能力强,其成为解决各领域研究难题的重要工具之一。在光学领域,深度学习技术已经被成功应用于解决多种问题,其中之一就是为传统计算机生成全息图提供... 详细信息

近年来随着深度学习的发展,深度学习可对大规模数据进行端对端的学习,准确性高、学习能力强,其成为解决各领域研究难题的重要工具之一。在光学领域,深度学习技术已经被成功应用于解决多种问题,其中之一就是为传统计算机生成全息图提供了全新的方法和思路。计算全息技术不受传统全息图制备工艺条件的限制,无需实际光学条件即可实现全息图的制作,甚至还可以实现虚拟物体的全息图生成,具有较高的灵活性。传统常用的优化算法可以产生较高质量的计算全息图(CGH),但通常耗时较长,需要在速度和质量上做一个权衡。所以,如何快速生成计算全息图成为了近年来人们研究的焦点之一。越来越多的学者将深度学习与计算全息结合,但目前大多数研究都要提前准备目标图像的理想强度分布以及对应的计算全息图作为数据集,然后将神经网络进行有监督的学习,过程中可能存在面对新数据时网络的泛化能力受到限制的情况。本文采用自监督的网络模型,基于卷积神经网络模型实现计算全息图的生成过程,其研究内容主要包含以下几个部分:1.作为对照基础,首先根据计算全息相关理论对二维和三维的计算全息图进行了模拟仿真和再现。采用菲涅尔衍射和角谱衍射理论生成了不同类型的二维全息图,并进行了再现。随后,将三维物体分层,并结合角谱法和GS算法,生成了对应的三维计算全息图,并实现了不同距离的再现。2.设计了Unet与Resnet相结合的卷积神经网络,针对二维与三维目标图像,进行了不同的输入设计。采用了自监督的训练方式,这种方式不需要制作较大数量的数据集对。在卷积神经网络生成目标图像对应的计算全息图后,采用了角谱衍射的传播形式对卷积神经网络生成的计算全息图进行再现,求取再现图像与目标图像之间的损失函数,然后多次训练神经网络,使再现图像无限地接近目标图。最终通过训练后的网络能够收敛,设计的卷积神经网络具有快速生成计算全息图的能力。3.利用本文网络模型生成二维和三维图像的全息图并进行再现,采用峰值信噪比和相关系数来评价再现图像的质量。比对分析了本文网络模型与传统角谱迭代算法生成再现图像质量,本文方法在保证全息图再现质量的同时,生成全息图的速度得到了显著提升。基于液晶空间光调制器对生成的计算全息图进行了光学再现实验,验证了本文方法的有效性。

关键词：计算全息图角谱衍射 GS算法深度学习卷积神经网络

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基于注意力机制的计算全息图生成算法研究

基于注意力机制的计算全息图生成算法研究

作者：赵长春重庆理工大学

学位级别：硕士

计算全息是利用计算机来模拟光学全息的波前记录和波前重建,通过数值计算的方法实现波前信息的数值记录和光学重建。这种方法可以避免光学全息中复杂的干涉记录光路,有效地提高全息图的生成效率。基于深度学习的计算全息术可以从数据中... 详细信息

计算全息是利用计算机来模拟光学全息的波前记录和波前重建,通过数值计算的方法实现波前信息的数值记录和光学重建。这种方法可以避免光学全息中复杂的干涉记录光路,有效地提高全息图的生成效率。基于深度学习的计算全息术可以从数据中学习输入图像和全息图像之间的映射关系,相较于直接编码和迭代优化的方法,具有更快的计算速度和更好的图像质量。然而,在卷积神经网络中,感受野的扩展通常通过堆叠多层卷积来实现,但这会导致计算成本急剧增加,且庞大的参数量进一步加剧了网络训练的难度。此外,多层卷积网络只能提取有限的局部特征,缺乏全局特征捕获能力,导致生成的计算全息图存在全局信息丢失和散斑噪声的问题。针对以上问题,本文的主要研究内容包括:(1)研究并实现了基于注意力机制的计算全息图生成算法。以深度学习中使用的视觉注意力机制为基础,实现了一种非迭代的计算全息图生成算法。在网络中嵌入局部和全局注意力机制组成的混合注意力模块,再拟合目标图像和全息图像之间的映射关系,使用损失函数优化模型。最后,通过训练模型生成全息图,使用数值计算的方法重建了全息图的再现像,验证算法的可行性。(2)设计了基于Transformer的计算全息图散斑噪声抑制算法。在使用注意力机制生成全息图的研究基础上,使用改进的Transformer搭建了散斑噪声抑制模块,通过网络训练来验证基于Transformer的散斑噪声优化能力。最后,搭建用于计算全息显示的原型系统,分别在数值模拟和光学实验中验证算法的性能,与现有算法进行了对比分析。本文通过在网络中嵌入局部和全局注意力机制组成的混合注意力模块,实现了一种非迭代的计算全息图生成算法。实验结果表明,该方法生成的全息图质量显著提高,且时间复杂度较低。提出的基于Transformer的散斑噪声抑制算法,通过改进的Transformer架构实现了散斑噪声的有效抑制,进一步优化了全息图的图像质量。搭建了用于计算全息显示的原型系统,分别在数值模拟和光学实验中验证了算法的性能,并与现有算法进行了对比分析,结果表明新方法在图像质量和计算效率上均具有明显优势。

关键词：计算全息图深度学习注意力机制散斑噪声

计算全息图补偿检测离轴非球面中的投影畸变校正技术

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中国激光 2013年第11期40卷 229-233页

作者：曾雪锋闫锋薛栋林邓伟杰李锐钢郑立功张学军中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学系统先进制造技术重点实验室吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

为了校正利用计算全息图(CGH)补偿检测离轴非球面引入的二维投影畸变,提出了基于检测光路仿射变换的投影畸变校正方法。通过追迹检测光路求解畸变映射函数,借助镜面特征点实现畸变校正结果与镜面的高精度对准,利用校验特征点实现校正误... 详细信息

为了校正利用计算全息图(CGH)补偿检测离轴非球面引入的二维投影畸变,提出了基于检测光路仿射变换的投影畸变校正方法。通过追迹检测光路求解畸变映射函数,借助镜面特征点实现畸变校正结果与镜面的高精度对准,利用校验特征点实现校正误差检验。将该技术实际应用于某项目800mm×600mm离轴非球面主镜检测和加工,检测结果与工件面形位置误差由校正前80mm降低至1mm以下。根据畸变校正后的数据,对该镜采用离子束抛光,最终面形精度[用均方根(RMS)误差表示]达到0.0162λ(λ=0.6328μm)。

关键词：全息非球面检测投影畸变校正仿射变换离轴非球面计算全息图

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计算全息图检测大口径凹非球面系统的研究

红外与激光工程 2007年第3期36卷 312-315页

作者：刘华卢振武李凤有张红鑫中科院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室吉林长春130022

根据圆形计算全息图的衍射特性,将曲面圆形计算全息图与补偿镜相结合,应用于凹非球面折射式零检测光学系统中。与传统的折射式零检测光学系统相比,该系统不仅可以简化光学系统的装调过程,还可以降低计算全息图与补偿镜的制作精度,减少... 详细信息

根据圆形计算全息图的衍射特性,将曲面圆形计算全息图与补偿镜相结合,应用于凹非球面折射式零检测光学系统中。与传统的折射式零检测光学系统相比,该系统不仅可以简化光学系统的装调过程,还可以降低计算全息图与补偿镜的制作精度,减少制作成本。阐述了利用曲面计算全息图衍射特性的折射式零检测光学系统检测凹非球面的基本原理,给出了具体的设计实例。对于口径为950mm的抛物面,检测结果P!V值为0.024λ。

关键词：光学设计非球面检测计算全息图

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凹非球面检测的双计算全息图设计及制作

光电工程 2008年第6期35卷 59-62页

作者：谢意陈强伍凡邱传凯侯溪张晶中国科学院光电技术研究所

基于全息补偿检验非球面的原理,提出并设计了一种二元纯相位型双计算全息图。该全息图由主全息和对准全息两部分组成,用于检测非球面的主全息位于基底的中心,而对准全息位于其边缘,用来精确定位主全息,从而消除离焦、偏心及倾斜所引入... 详细信息

基于全息补偿检验非球面的原理,提出并设计了一种二元纯相位型双计算全息图。该全息图由主全息和对准全息两部分组成,用于检测非球面的主全息位于基底的中心,而对准全息位于其边缘,用来精确定位主全息,从而消除离焦、偏心及倾斜所引入的误差。两部分全息同心是实现对主全息准确定位的前提,为此,提出了"一次曝光,两次刻蚀"的制作方法,即一次性将两部分图形在同一块掩膜版上制作出,曝光一次后,基底经两次刻蚀制作出具有两种不同相位深度的双计算全息图。最后给出了一个检测Φ140、F2抛物面镜的双计算全息设计实例,并将其检测结果与自准直检测结果比较,二者吻合良好,验证了该设计方法的正确性及制作工艺的可行性。

关键词：测量凹非球面计算全息图湿法刻蚀

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高精度相位型计算全息图的设计

光学学报 2015年第7期35卷 174-180页

作者：朱德燕张学军中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

为了解决非球面及自由曲面的高精度检测问题,基于二元光学计算机全息图(CGH)模型基础,分析了该模型下相位型CGH各项误差对CGH检测精度的影响,同时结合工程实例,针对口径为846 mm×630 mm的自由曲面,设计了相应的相位型CGH,并实验验证了... 详细信息

为了解决非球面及自由曲面的高精度检测问题,基于二元光学计算机全息图(CGH)模型基础,分析了该模型下相位型CGH各项误差对CGH检测精度的影响,同时结合工程实例,针对口径为846 mm×630 mm的自由曲面,设计了相应的相位型CGH,并实验验证了该设计的可行性。结果显示:在设计时应先将相位型CGH的各个衍射级次进行分离;改变CGH到干涉仪焦点距离以减小刻画畸变同时保证CGH尺寸;再将基板误差检测出来,并代入设计结果进行补偿标定;最后在编码时将占空比选择为0.5,刻蚀深度选择在0.3λ减小占空比误差、相位函数误差和振幅误差。

关键词：全息计算全息图高精度自由曲面误差分析光学检测

激光直写机床系统正交性误差影响下计算全息图相位分析

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光学学报 2016年第10期36卷 147-154页

作者：郑立功郝腾国成立王若秋张志宇中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学系统先进制造技术重点实验室吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

计算全息图(CGH)在非球面、自由曲面等光学元件的高精度检测中发挥着重要作用。激光直写机床导轨的正交性误差会影响CGH图案的绘制精度,进而在面形检测结果中引入像散误差。为定量研究激光直写机床导轨正交误差对CGH检测结果的影响,利... 详细信息

计算全息图(CGH)在非球面、自由曲面等光学元件的高精度检测中发挥着重要作用。激光直写机床导轨的正交性误差会影响CGH图案的绘制精度,进而在面形检测结果中引入像散误差。为定量研究激光直写机床导轨正交误差对CGH检测结果的影响,利用标量衍射理论,建立激光直写机床导轨角度误差模型,以CGH对准区域图案为例对机床导轨正交性误差的影响进行分析。实验结果表明在机床导轨正交性误差为800μrad时的均方根(RMS)值、峰谷值(PV)值和Zernike像散系数与理论值分别相差2.26%、2.33%、1.72%,从而验证所建立误差模型的正确性。

关键词：测量计算全息图激光直写标量衍射理论对准区域正交性误差