基于滤波器尺寸的离轴粒子场全息特性研究

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激光全息技术是一种三维成像技术,它不仅具有一般光学测量方法的优点,还具有不受测量物体形状限制等不可替代的独特优势,因此被广泛应用在粒子场测量中。然而,采用激光全息技术对密度较高粒子场进行测量时,全息图干涉条纹对比度明显下降,再现粒子图像中的噪声显著增加,无法对粒子进行准确有效识别。采用滤波全息技术可以有效地降低再现图像背景噪声,改善再现粒子图像质量,从而实现密度较高粒子场的测量。高通滤波器尺寸、4F光学传输系统前焦距、粒径等参数是影响滤波全息应用效果的重要因素,本文从理论及实验两方面系统研究了不同参数下粒子离轴滤波全息再现像的特征及规律,为滤波器设计及后续图像数据处理获取粒子信息提供了参考依据。主要研究内容和成果概括如下:  (1)确定了粒子离轴滤波全息系统参数。通过理论分析高通滤波器吸收率、4F光学传输系统放大率、物参光夹角对离轴滤波全息图条纹最高频率、全息图条纹对比度及再现像对比度的影响,结合实际测量条件,确定数值模拟及实验中采用吸收率为1的高通滤波器和2倍放大4F光学传输系统,物参光夹角设为π/6;  (2)验证并完善了圆形粒子离轴滤波全息再现像强度分布公式,根据公式计算结果研究了高通滤波器尺寸等参数对滤波全息像的影响。结果表明,粒子离轴滤波全息再现像呈现亮粒子、暗背景,随着高通滤波器尺寸、粒子粒径的增大或4F光学传输系统前焦距的减小,再现像呈现更多高频信息,粒子像由均匀亮粒子逐渐变为同心圆环,同时边界轮廓更加明显。结合各参数对滤波全息像的影响规律,得到粒子像特征经验公式,为高通滤波器的设计提供了依据。  (3)数值模拟粒子离轴滤波全息成像,得到了圆形和矩形粒子再现像。圆形粒子离轴滤波全息成像的数值模拟结果与计算结果一致;矩形粒子滤波全息成像结果表明,对于任何形状粒子,高通滤波器尺寸增大或4F光学传输系统前焦距减小,粒子像中心强度减小,边界梯度上升,通过边界轮廓可以有效识别粒子像;  (4)开展了直接成像实验和离轴滤波全息实验。直接成像实验研究了不同高通滤波器尺寸对粒子图像频率的影响。离轴滤波全息实验得到了不同高通滤波器尺寸条件下不同形状粒子和不同粒径粒子的再现像,实验结果与理论分析结果相同,验证了高通滤波器尺寸等参数对粒子离轴滤波全息像的影响规律。
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