CN101122774A - 高分辨率数字全息像的获取装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨率数字全息像的获取装置，激光器发出的光束经分束装置后第一光束照射样品，第二光束经过扩束装置转化为球面光波后与照射样品后的第一光束形成一干涉区域，线阵CCD设置在可二维方向移动微位移平台上并位于所述干涉区域内，球面光波的点源与物光波自样品到线阵CCD的光程相等，所述计算机与线阵CCD和微位移平台电性连接。线阵CCD对第一和第二光束产生的干涉条纹推扫采集并合成数字全息图，所述数字全息图由所述计算机通过快速傅里叶变换算法和数字图像处理等手段进行数值重构，最终获得高分辨率数字全息再现像。本发明有效增大所记录全息图面积，提高数字全息再现像分辨率，增大视场。

Description

高分辨率数字全息像的获取装置

技术领域

本发明涉及数字全息技术领域，特别涉及一种数字全息像的获取装置。

背景技术

数字全息技术以固体成像器件CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)或CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体)替代传统的银盐干板来记录全息图，通过计算机数值模拟数字全息图的衍射再现过程，利用快速傅里叶变换算法及频谱滤波处理等获得物光波场的振幅和相位信息，实现三维物光波场重构，避免了传统的湿化学处理过程，具有快速，实时等优点。

但是，数字全息技术一直无法达到传统光学全息术的分辨率。主要原因在于，目前作为全息图记录介质的面阵CCD或CMOS，由于技术发展的限制面积一般较小，在其单元像素尺寸一定的情况下，使其像素总数较少。同时，在常见的离轴或者同轴全息图记录过程中，参考光波和物光波夹角保持不变时，由于CCD或CMOS的单元像素尺寸确定，为满足香农采样定理，限定了CCD或CMOS到物体之间的记录距离不能太小及其面积不能太大。增大所记录的全息图面积会造成其边缘部分的CCD或CMOS单元像素不能够清楚记录干涉条纹，发生全息图的欠采样。由于上述原因，使全息图记录过程的记录距离不能够太小，所记录全息图面积不能够太大，同时CCD或CMOS的面积也限制了所记录全息图面积不会太大，进而限制了数字全息记录系统的空间带宽积，使全息图所能够包含的物体信息量有限，导致数字全息再现像的视场较小，并制约了数值再现像的分辨率。M.Gustafsson等人在论文《High-resolution digital transmission microscopy-a Fourier holography approach》(Optics andLasers in Engineering 41(2004)553-563)中利用型号为Kodak KAF3200E的面阵CCD对尺寸为1mm的鉴别率板进行了拍摄，并获得228lp/mm的分辨率，但是其工作距离较小，视场不大，分辨率也不高。W.Haddad等人在论文《Fourier-transform holographic microscope》(AppliedOptics 31(1992)4973-4978)获得了接近衍射极限的分辨率，不过其工作距离非常短，视场宽度仅有几十个微米。

发明内容

为了克服现有技术数字全息再现像分辨率低，视场小的问题，本发明提出一种基于线阵CCD推扫的高分辨率数字全息像的获取装置，以提高数字全息再现像的分辨率并增大其视场。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括激光器，一样品，至少一线阵CCD，一可二维方向移动微位移平台，一分束装置，一扩束装置和一计算机，其中，所述激光器发出的光束由所述分束装置分为第一、二光束，所述第一光束照射样品，所述第二光束经过所述扩束装置转化为球面光波后与照射样品后的第一光束相互干涉并形成一干涉区域，所述线阵CCD设置在所述可二维方向移动微位移平台上并位于所述干涉区域内，且所述球面光波的点源到所述线阵CCD的光程与物光波自样品到线阵CCD的光程相等，所述计算机与线阵CCD和微位移平台电性连接，且所述计算机可以控制微位移平台的移动使得线阵CCD对第一和第二光束产生的干涉条纹推扫采集并合成数字全息图，所述数字全息图由所述计算机通过快速傅里叶变换算法和数字图像处理等手段进行数值重构，最终获得高分辨率数字全息再现像。

所述线阵CCD为像素呈一维阵列分布的电荷耦合器件，也可以用一线阵CMOS替代。

所述可二维方向移动微位移平台为一可以沿两个固定的相互正交的方向精密移动，并可重复定位的平台。

所述线阵CCD固定于所述可二维方向移动微位移平台上，其像素方向平行于干涉条纹方向，并可以在所述可二维方向移动微位移平台带动下沿垂直于条纹方向推动扫描，并可以通过改变所述微位移平台的步进大小来控制推扫精度和再现像分辨率。

所述高分辨率数字全息像的获取装置中的样品为透明状态的透射型样品或不透明状态的反射型样品。

所述分束装置为光纤分束器或固定分光比分束镜，或者是分光比可调分束镜。

所述扩束装置为一扩束镜。

所述激光器是气体激光器或半导体激光器。

所述高分辨率数字全息像的获取装置的基本操作步骤为：所述激光器发出的光束由所述分束装置分为第一、二光束，所述第一光束照射样品形成物光，所述第二光束经过所述扩束装置转化为球面光波后作为参考光，所述物光与参考光相互干涉并形成一干涉区域，所述线阵CCD设置在可二维方向移动微位移平台上并位于所述干涉区域内且像素排列方向与干涉条纹方向平行，所述球面光波的点源到所述线阵CCD的光程与物光波自样品到线阵CCD的光程相等，所述微位移平台在与之电性连接的所述计算机控制下在垂直于所述线阵CCD像素排列方向上移动，并带动线阵CCD对干涉区域进行连续扫描采集，形成多幅一维图像。可以通过控制所述微位移平台的步进精度的方式来控制垂直于干涉条纹方向的采样精度，所述微位移平台的步进精度可以小于线阵CCD的单元像素尺寸。多幅一维图像可由与线阵CCD电性连接的计算机利用数字图像处理技术处理并合成一幅二维数字全息图。所述线阵CCD采集的图像由计算机通过快速傅里叶变换算法和数字图像处理等手段进行数值重构，最终获得高分辨率数字全息再现像。

本发明的有益效果是：在全息图的数字记录过程中，由于采用一束光通过扩束装置转化为球面光波后作为参考光波，其与照射物体后的物光波形成干涉区域，在此区域内所记录全息图的空间频率相对均匀，其边缘部分的空间频率并不随全息图面积增大而增大。将这一特点与线阵CCD推扫成像技术相结合，在干涉条纹区域利用线阵CCD推扫方式记录多幅一维图像，再将其处理并合成一幅二维数字全息图，从而有效增大所记录全息图面积，增加系统的信息传递能力，提高其空间带宽积，进而达到提高数字全息再现像分辨率，增大其视场的目的。并且，在上述过程中，避免了通常数字全息技术中全息图面积增大时其边缘部分发生欠采样，导致物体信息无法记录的情况。此外，还可以通过改变线阵CCD推扫过程中微位移平台的步进值大小来控制推扫精度和再现像分辨率。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明高分辨率数字全息像的获取装置第一实施方式的结构示意图；

图2是本发明高分辨率数字全息像的获取装置第二实施方式的结构示意图；

图3是本发明高分辨率数字全息像的获取装置第三实施方式的结构示意图；

图4是本发明高分辨率数字全息像的获取装置第四实施方式的结构示意图。

图中，1-氦氖激光器、2-分束镜、3-第一全反射镜、4-扩束准直器、5-样品、6-半透半反镜、7-第二全反射镜、8-扩束镜、9-针孔、10-线阵CCD、11-可二维方向移动微位移平台、12-计算机、13-半导体激光器、14-样品、15-线阵CCD组合、16-光纤耦合器、17-第一光纤、18-光纤分束器、19-第二光纤、20-第三光纤、21-扩束镜、22-样品。

具体实施方式

装置实施例1：请参阅图1，所述高分辨率数字全息像的获取装置包括一氦氖激光器1、一分束镜2、一第一全反射镜3、一第二全反射镜7、一扩束准直器4、一样品5、一扩束镜8、一针孔9、一半透半反镜6、一线阵CCD 10、一可二维方向移动微位移平台11、一计算机12。

其中，所述分束镜2为一分光比可调分束镜，其设置在所述氦氖激光器1所发出光束的光路上，可将该光束分成第一光束和第二光束。所述第一全反射镜3设置在第一光束光路上，并将该第一光束反射至所述扩束准直器4。所述第一光束经由所述扩束准直器4扩束并准直成平行光后，再照射所述样品5，并作为物光出射至半透半反镜6。其中，所述样品5为一透明状态的透射型样品。

同时，所述第二光束由第二全反射镜7反射后出射至所述扩束镜8，并由所述扩束镜8会聚为一球面波，然后所述第二光束由设置在其焦点处的针孔9滤波，再作为参考光出射至半透半反镜6。

所述作为物光的第一光束由样品5到所述线阵CCD 10的光程与所述作为参考光的第二光束由针孔9到所述线阵CCD 10的光程相等。所述作为物光的第一光束与作为参考光的第二光束通过所述半透半反镜6后相互干涉，所形成的干涉条纹由设置在微位移平台11上并处于干涉区域的线阵CCD 10采集。

所述线阵CCD 10为一像素呈一维阵列分布的电荷耦合器件，其平行于干涉条纹方向放置并固定在所述可二维方向移动微位移平台11上。所述可二维方向移动微位移平台11可在所述计算机12控制下在垂直于所述线阵CCD 10像素排列方向上移动，并带动所述线阵CCD10对干涉区域进行连续扫描采集，从而获得多幅一维图像。所述多幅一维图像可由与所述线阵CCD 10电性连接的所述计算机12处理并合成一幅二维数字全息图。在所述线阵CCD 10扫描采集过程中，可以通过控制所述微位移平台11的步进精度的方式来控制垂直于干涉条纹方向的采样精度。所述微位移平台11的步进精度可以小于所述线阵CCD 10的单元像素尺寸，扫描采集多幅一维图像后利用数字图像处理技术将上述图像合成一幅二维数字全息图。最后，所述二维数字全息图可由所述计算机12通过快速傅里叶变换算法和数字图像处理等手段进行数值重构，即可以获得高分辨率数字全息再现像。

所记录的物体的尺寸相对于获得全息图的面积可以忽略时，数字全息再现像在某一方向上的分辨率可以表示为

$\mathrm{\Δv}=\frac{1}{\mathrm{\λ}}\·{(2+4\·{\left(\frac{z}{L}\right)}^2)}^{\frac{1}{2}}$

其中，L为该方向上所记录数字全息图的宽度，z为记录距离。

该实施方式中，选择8000像素，像素尺寸为7μm的线阵CCD记录全息图，记录距离选择z＝12cm时，选择波长为532nm的半导体激光照射物体，微位移平台步进7μm，采用线阵CCD推扫技术采集并合成一幅8000×8000像素数字全息图，经过数值重构之后对于边长为2.28mm的正方形物体，所获得的再现像分辨率可以达到339lp/mm，最小分辨距离可达1.2μm，远小于利用普通面阵CCD得到的再现像分辨率。本发明高分辨率数字全息像的获取装置的工作距离较长，在上述参数下获得的分辨率与M.Gustafsson等人的实验结果相比提高了1.8倍，同时其视场也扩大了2倍以上。

本发明高分辨率数字全息像的获取装置第一实施方式的主要工作过程为：所述氦氖激光器1发出的光束由所述分束镜2分为第一、二光束，所述第一光束被所述第一全反射镜3反射至所述扩束准直器4，经扩束并准直成平行光后照射所述样品5，并作为物光，所述第二光束被所述第二全反射镜7反射后出射至所述扩束镜8，并由所述扩束镜8会聚为一球面波，然后所述第二光束由设置在其焦点处的针孔9滤波后作为参考光，所述物光和参考光经过所述半透半反镜6后发生干涉，所形成干涉条纹由设置在所述微位移平台11上并处于干涉区域的所述可二维方向移动线阵CCD 10采集，并保证线阵CCD 10的像素排列方向与干涉条纹方向平行，所述作为物光的第一光束由样品5到所述线阵CCD 10的光程与所述作为参考光的第二光束由针孔9到所述线阵CCD 10的光程相等，所述可二维方向移动微位移平台11在所述计算机12控制下在垂直于所述线阵CCD 10像素排列方向上移动，并带动所述线阵CCD 10对干涉区域进行连续扫描采集，获得多幅一维图像，在所述扫描采集过程中，可以通过控制所述微位移平台11的步进精度的方式来控制垂直于干涉条纹方向的采样精度，所述微位移平台11的步进精度可以小于所述线阵CCD 10的单元像素尺寸，所述多幅一维图像可由与所述线阵CCD 10电性连接的所述计算机12利用数字图像处理技术处理并合成一幅二维数字全息图，所述线阵CCD 11采集的图像由所述计算机12通过快速傅里叶变换算法和数字图像处理等手段进行数值重构，最终获得高分辨率数字全息再现像。

本实施方式高分辨率数字全息像的获取装置在全息图记录过程中，利用线阵CCD推扫方式记录多幅一维图像，再将其处理并合成一幅大幅面二维数字全息图，因此所记录全息图面积较大。另外本实施方式采用球面光波作为参考光波，球面光波源点和物光自样品到线阵CCD的光程相等，避免了使用线阵CCD推扫方式记录的全息图边缘部分发生欠采样，有利于较大面积全息图的记录及再现，可以获得较高分辨率的数字全息再现像。本实施方式高分辨率数字全息像的获取装置在全息图记录过程中，由于采用平行光作为物光照射样品获得数字全息图，在对所述数字全息图数值重构之后，可以直接获得透过所述样品的物光波的相位以及强度分布信息。

装置实施例2：参阅图2，所述高分辨率数字全息像的获取方法与装置包括一半导体激光器13、一分束镜2、一第一全反射镜3、一第二全反射镜7、一扩束准直器4、一样品5、一扩束镜8、一针孔9、一线阵CCD 10、一可二维方向移动微位移平台11、一计算机12。

将图2所示第二实施方式与图1所示第一实施方式比较可以发现，所述半导体激光器13所形成的作为物光的第一光束与作为参考光的第二光束，未经过本发明第一实施方式中所述的半透半反镜6，而直接发生干涉。所形成的干涉条纹由处于干涉区域的线阵CCD 10通过微位移平台11的移动实现推扫采集，并将所采集的一维图像合成一幅二维数字全息图。然后所述二维数字全息图由计算机12进行数值重构，获得高分辨率数字全息再现像。

装置实施例3：参阅图3，所述高分辨率数字全息像的获取方法与装置包括一氦氖激光器1、一分束镜2、一第一全反射镜3、一第二全反射镜7、一扩束准直器4、一样品14、一显微物镜8、一针孔9、一半透半反镜6、一线阵CCD组合15、一可二维方向移动微位移平台11、一计算机12。

将图3所示实施方式与图所示1实施方式进行比较可以发现，其中，所述第一全反射镜2设置在第一光束光路上，并将该第一光束反射至所述扩束准直器4。所述第一光束经由所述扩束准直器4扩束并准直成平行光后，穿过所述半透半反镜6，再照射所述样品14。从所述样品14反射的第一光束作为物光出射至所述半透半反镜6。其中，所述样品14为一不透明状态的反射型样品。

同时，所述第二光束由第二全反射镜7反射后出射至所述扩束镜8，并由所述扩束镜8会聚后形成一球面波，然后所述第二光束由设置在其焦点处的针孔9滤波，再作为参考光出射至半透半反镜6。

所述线阵CCD组合15为两个线阵CCD横向并排固定而成，等效为一组拥有更大尺寸的线阵CCD。所述作为物光的第一光束与作为参考光的第二光束通过所述半透半反镜6后相互干涉，所形成的干涉条纹由处于干涉区域的线阵CCD组合15通过微位移平台11的移动实现推扫采集，并将所采集的一维图像合成一幅二维数字全息图。然后所述二维数字全息图由计算机12进行数值重构，以获得高分辨率数字全息再现像。

另外，与本发明高分辨率数字全息像的获取装置第一实施方式类似，所述作为物光的第一光束由样品14到所述线阵CCD组合15的光程与所述作为参考光的第二光束由针孔9到所述线阵CCD组合15的光程相等。

装置实施例4：参阅图4，所述高分辨率数字全息像的获取方法与装置包括一氦氖激光器1、一光纤耦合器16、一第一光纤17、一第二光纤19、一第三光纤20、一光纤分束器18、一扩束镜21、一样品22、一线阵CCD 10、一可二维方向移动微位移平台11和一计算机12。

其中，所述光纤耦合器16设置在所述氦氖激光器1所发出光束的光路上，其可把该光束耦合进所述第一光纤17。所述光纤分束器18设置在所述第一光纤17末端，其可将该光束分成第一光束和第二光束。所述第一光束通过所述第二光纤19后照射所述样品22，并由样品11反射，所反射的光束作为物光出射至所述线阵CCD 10。其中，所述样品22为一不透明状态的反射型样品。

同时，所述第二光束经过所述第二光纤20，再经过所述扩束镜21后形成一球面光波，并作为参考光出射至所述线阵CCD 10。

所述作为物光的第一光束与作为参考光的第二光束相互干涉，所形成的干涉条纹由处于干涉区域的所述线阵CCD 10通过所述微位移平台11的移动实现推扫采集，并将所采集的一维图像合成一幅二维数字全息图。然后由所述计算机12对所述二维数字全息图进行数值重构，以获得高分辨率数字全息再现像。

其中，所述光纤耦合器16为一光纤耦合装置，其能将激光束耦合进光纤。所述光纤分束器18为一光纤分束装置，其能将单根光纤中的光束分至两根或两根以上光纤。所述第一光纤17、第三光纤20为单模光纤。所述第二光纤19为单模或多模光纤。所述作为物光的第一光束由样品22到所述线阵CCD 10的光程与所述作为参考光的第二光束经过所述第二光纤20和扩束镜21后形成一球面光波的点源到所述线阵CCD 10的光程相等。

本发明高分辨率数字全息像的获取装置第四实施方式获取全息像的主要工作过程为：所述氦氖激光器1发出的光束经过所述光纤耦合器16进入光纤后，被所述光纤分束器18分为第一光束和第二光束，所述第一光束通过所述第二光纤19后照射所述样品22，并由样品22反射，所反射的光束作为物光出射至线阵CCD 10，所述第二光束经过所述第二光纤20和所述扩束镜21后形成一球面光波，并作为参考光出射至所述线阵CCD 10，所述线阵CCD 10置于所述物光和参考光所形成的干涉区域内，并保证可二维方向移动线阵CCD 10的像素排列方向与干涉条纹方向平行，所述作为物光的第一光束由样品22到所述线阵CCD 10的光程与所述作为参考光的第二光束所形成球面波的点源到所述线阵CCD 10的光程相等，所述微位移平台11在所述计算机12控制下在垂直于所述线阵CCD 10像素排列方向上移动，并带动所述线阵CCD 10对干涉区域进行连续扫描采集，获得多幅一维图像，在所述扫描采集过程中，可以通过控制所述可二维方向移动微位移平台11的步进精度的方式来控制垂直于干涉条纹方向的采样精度，所述可二维方向移动微位移平台11的步进精度可以小于所述线阵CCD10的单元像素尺寸，所述多幅一维图像可由与所述线阵CCD 10电性连接的所述计算机12利用数字图像处理技术处理并合成一幅二维数字全息图，所述线阵CCD 10采集的图像由所述计算机12通过快速傅里叶变换算法和数字图像处理等手段进行数值重构，即可以获得高分辨率数字全息再现像。

另外，本发明高分辨率数字全息装置可作如下改进，其中线阵CCD可以更改为一一维CMOS图像传感器，实现全息图的推扫采集。其中分束镜可为一分光比可调分束镜，其设置在激光器所发出光束的光路上，并可将该光束分成强度比可调的第一光束和第二光束。

本发明高分辨率数字全息装置通过微位移平台带动线阵CCD对干涉区域进行推扫采集从而获得多幅一维图像，并由计算机将该多幅一维图像合成一幅二维数字全息图。当线阵CCD的尺寸及像元数较大时，该方法可获得较大幅面的全息图，从而可增加全息图记录的信息量。另外，本发明高分辨率数字全息装置采用球面光波作为参考光波，球面光波源点和物光自样品到线阵CCD的光程相等，避免了使用线阵CCD推扫方式记录的全息图边缘部分发生欠采样，有利于较大面积全息图的记录及再现，可以获得较高分辨率的数字全息再现像。

Claims (8)

1.高分辨率数字全息像的获取装置，包括激光器，一样品，至少一线阵CCD，一可二维方向移动微位移平台，一分束装置，一扩束装置和一计算机，其特征在于：所述激光器发出的光束由所述分束装置分为第一、二光束，第一光束照射样品，第二光束经过扩束装置转化为球面光波后与照射样品后的第一光束相互干涉并形成一干涉区域，所述线阵CCD设置在可二维方向移动微位移平台上并位于所述干涉区域内，且所述球面光波的点源到所述线阵CCD的光程与物光波自样品到线阵CCD的光程相等，所述计算机与线阵CCD和微位移平台电性连接。

2.根据权利要求1所述的高分辨率数字全息像的获取装置，其特征在于：所述的线阵CCD为像素呈一维阵列分布的电荷耦合器件，也可以用一线阵CMOS替代。

3.根据权利要求1所述的高分辨率数字全息像的获取装置，其特征在于：所述的可二维方向移动微位移平台为一可以沿两个固定的相互正交的方向精密移动，并可重复定位的平台。

4.根据权利要求1所述的高分辨率数字全息像的获取装置，其特征在于：所述的线阵CCD固定于所述可二维方向移动微位移平台上，其像素方向平行于干涉条纹方向，其推动扫描方向垂直于条纹方向。

5.根据权利要求1所述的高分辨率数字全息像的获取装置，其特征在于：所述的高分辨率数字全息像的获取装置中的样品为透明状态的透射型样品或不透明状态的反射型样品。

6.根据权利要求1所述的高分辨率数字全息像的获取装置，其特征在于：所述的分束装置为光纤分束器或固定分光比分束镜，或者是分光比可调分束镜。

7.根据权利要求1所述的高分辨率数字全息像的获取装置，其特征在于：所述的扩束装置为一扩束镜。

8.根据权利要求1所述的高分辨率数字全息像的获取装置，其特征在于：所述的激光器是气体激光器或半导体激光器。

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