同轴数字压缩全息石英玻璃内部缺陷测量技术
摘要
石英玻璃有着耐热性好、光谱透过率高、绝缘性强等优点，被广泛应用于国防装备、
光电器件、化工设备等领域。玻璃在成型时，会生成气泡、颗粒、条纹等结构性缺陷，
严重影响了石英玻璃的性能。如何在不损害样本的前提下对玻璃内部缺陷进行检测成为
了研究重点。同轴数字全息技术有着无接触、装置简单、分辨率高等优点，被广泛应用
于物场的测量，但是其零级项、实像、共轭像会混叠在一起，无法分离出实像的信息。
传统方法如相移法和离轴全息技术都可以消除零级项和共轭像。但相移法采集了多幅全
息图，牺牲了成像系统的速度。离轴全息技术牺牲了成像系统的空间带宽积。如何在仅
采集单幅同轴全息图的基础上，消除零级项与共轭像，以高分辨率对石英玻璃内部缺陷
进行检测是本文的研究重点。
本课题为“同轴数字压缩全息石英玻璃内部缺陷测量技术”，研究了基于压缩感知
理论的同轴数字全息成像算法。针对分块压缩全息算法中的边界噪声问题，提出了一种
结合零填充和冗余像素填充的非均分分块压缩全息模型，在保证了分块并行算法速度优
势的同时，实现了玻璃内部气泡缺陷的高分辨率重建。具体的研究内容为：
首先，在分析压缩感知原理和数字全息技术的基础上，构建了同轴压缩全息成像模
型，论述了压缩全息成像原理并分析了其关键因素。针对玻璃气泡样本的定位、测量等
问题，研究了全息图噪声抑制与阈值二值化算法。
其次，通过一维信号与二维图像的压缩感知重建实验，证明了二步迭代收缩阈值算
法与全变差正则项在图像重建领域的优越性。在等分全息图的基础上，提出了一种非均
分分块压缩全息模型，填充的冗余信息保护了子全息图的边界，在保证了压缩全息成像
质量的前提下，体现了分块并行算法的速度优势。在分辨率板仿真和聚苯乙烯粒子实验
中，对比了多种同轴全息成像算法，验证了所提算法模型的优越性。
最后，搭建了石英玻璃内部气泡检测装置，利用精密刻度尺和聚焦状态气泡全息图
确定了系统的横向分辨率与气泡的标准直径。分析了非均分分块压缩全息算法下不同填
充模式对气泡样本重建结果的影响。重建结果在经过阈值二值化后，利用连通域即可获
得气泡的直径、面积、位置等信息。针对所提算法，设计了一套软件交互界面，该界面
将气泡检测流程中的：去直流项、自聚焦、压缩全息重建、阈值二值化等步骤集成封装
于一体，用户可根据需求选择需要处理的离焦气泡全息图，最终通过该系统直接获得其
重建图像与气泡信息，界面简单且易于操作。
I
哈尔滨工程大学硕士学位论文
关键词：同轴数字全息；压缩感知；内部缺陷测量；高分辨率
II
同轴数字压缩全息石英玻璃内部缺陷测量技术
ABSTRACT
Quartzglasshasawidespreadapplicationinnumerousfields—nationaldefense,
optoelectronicdevices,chemicalindustryandetc.—duetoitsexcellentheatresistance,
spectraltransmittanceandinsulationproperty.Structuraldefectsincludingbubbles,granules
andstripsareproducedwhenglassisforming.Thesedefectscouldseriouslyaffectthe
performanceofglass.Thedetectionofinternaldefectswithoutdamagingtheglassisofgreat
importance.In-linedigitalholographyiswildlyusedinobjectmeasurement.Whileitmight
ononehandbeoutstandinginnon-co