CN101477325A - 多彩离轴数字全像系统及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多彩离轴数字全像系统及其成像方法，该系统包含数个发光二极管、一干涉物镜组、一彩色取像组件及一处理单元；该数个发光二极管可提供R(红色)、G(绿色)及B(蓝色)光束；该干涉物镜组可接收R、G、B光束形成带有干涉信号的光束；该彩色取像组件可接收该带有干涉信号的光束并在彩色取像组件表面形成全像干涉，记录为全像片后传送至处理单元；处理单元对全像片作补零处理并重建，分别得到R、G、B的相位；将R、G和G、B相位信息及波长带入计算成为合成波长RG和GB的三维表面轮廓；再将合成波长RG及其相位，与合成波长GB及其相位带入计算，即可得到合成波长的表面三维轮廓。

Description

多彩离轴数字全像系统及其成像方法

技术领域

本发明涉及一种多彩离轴数字全像系统及其成像方法，特别是涉及一种以红色、绿色、蓝色三发光二极管作为光源，并搭配彩色取像组件的全像系统及其成像方法。

背景技术

光学测量具有非接触性以及高分辨率的特性，在检测相关工程应用上扮演着相当重要的角色，而数字全像术为光学测量其中一种方式；数字全像术使用CCD(Charge Coupled device，电荷耦合组件)做为记录影像的工具，仅需拍摄一张图像即可记录拍摄物体信息，免除了传统全像术底片冲洗复杂过程，再搭配计算机高速计算能力，可快速分析全像片得到重建结果，进而得知物体的三维表面轮廓；此外，数字全像术可以改善传统光学测量需要逐点扫瞄(SEM)或逐层扫描(白光干涉仪)所花费的时间，因此非常适合于工厂生产在线的测量。

数字全像术可分为两种架构，一为同轴数字全像，另一种为离轴数字全像，两种共同处为使用CCD做为记录图像装置，将全像片利用程序重建，重建后图像包含了实像、虚像与参考光直流项(DC term)；同轴数字全像大多是使用相移法将虚像及直流项移除，再代入重建程序中，但因为相移法需先拍得三张以上的全像片，造成测量时花费的时间变长；而离轴数字全像则是利用参考光与光轴呈一夹角，拍摄一张全像片代入重建程序中，因为夹角的关系会造成重建后实像、虚像和直流项会分开，与同轴相比仅需要一张全像片即可□用程序重建，但参考光夹角参数正确与否会影响重建结果，且参考光夹角受限于CCD像素大小(Pixel size)。

再有，公知数字全像术均采用单波长光源作为照明，使得数字重建时有其高度限制，也就是，若待测物体高度超出光源波长一半时，则会产生相位混淆的状况；再由于采用单色CCD，一次仅能记录一张全像片，因此必须分别针对R、G、B三色记录三张全像片，再将三张不同波长全像片重建后带入算法以消除相位混淆，其处理步骤不仅复杂与困难，也使得测量速度无法有效提升。

已公开文献及公知专利，例如，2003年Myung K.Kim和S.De Nicola等人提出论文，其使用两个以上波长做为光源，用于离轴数字全像术或数字全像显微术上，记录得到两张以上的全像图形，利用两张以上全像图形经由数值运算降低相位混淆的现象，增加不会产生相位混淆的物体表面深度变化范围。

2004年Lingfeng Yu和M.K.Kim等人提出论文，其使用三色LED做为光源采用同轴数字全像显微术，利用phase shifting方式重建物体轮廓并实际用于生物细胞的测量上。

2007年Myung K.Kim和N.Warnasooriya等人提出论文，其使用多波段的LED作为全像照明光源，并且经由两次合成波长运算后，轴向深度可以达到7.84微米而不产生相位混淆。

此外，美国发明专利6809845号“Phase imaging using multi-wavelengthdigital holography”，该案揭露一种双波长激光光全像术，可增大轴向测量距离，并减少因子值运算降低相位混淆时的噪声。

依据上述文献及专利可知，公知应用于测量方面的多彩数字全像技术，其目的均在于解决相位混淆问题，且由于均使用黑白CCD，因此一次仅能记录一张特定波长的全像片，因此必须重复拍摄不同波长的全像片，导致处理步骤复杂困难，测量速度也无法有效提升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多彩离轴数字全像系统及其成像方法，每拍摄一张照片即可包含三种不同波长的全像片，可有效解决相位混淆问题，提升测量速度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种多彩离轴数字全像系统及其成像方法，该系统包含数个发光二极管、一干涉物镜组、一彩色取像组件及一处理单元；该数个发光二极管可提供R(红色)、G(绿色)及B(蓝色)光束；该干涉物镜组可接收R、G、B光束形成带有干涉信号的光束；该彩色取像组件可接收该带有干涉信号的光束并于彩色取像组件表面形成全像干涉，由该彩色取像组件记录为全像片后传送至处理单元；由处理单元对全像片作补零处理并作重建，分别得到R、G、B的相位；将R、G相位信息及波长代入计算成为合成波长RG的三维表面轮廓；将G、B的相位信息及波长带入计算成为合成波长GB的三维表面轮廓；再将合成波长RG及其相位，与合成波长GB及其相位带入计算，即可得到合成波长的表面三维轮廓。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的多彩离轴数字全像系统的一实施例的架构示意图；

图2为本发明的多彩离轴数字全像成像方法的流程图；

图3为本发明的多彩离轴数字全像系统另一实施例的架构示意图。

其中，附图标记：

10、30-多彩离轴数字全像系统

11、31-红色发光二极管

12、32-绿色发光二极管

13、33-蓝色发光二极管

14、34-干涉物镜组

141a~141c、341a~341d-分光镜

142、342-物镜

143、343a、343b-反射镜

15、35-彩色取像组件

16、36-处理单元

161-屏幕

162-键盘

17、37-样本

21~25-多彩离轴数字全像成像方法步骤

L1-物光

L2-参考光

L3-带有干涉信号的光束

实施方式

请参考图1，为本发明提供的多彩离轴数字全像系统的一实施例的架构，该系统10包含数个发光二极管11、12、13、一干涉物镜组14、一彩色取像组件15及一处理单元16；该数个发光二极管11、12、13分别为一红色发光二极管11、绿色发光二极管12及蓝色发光二极管13，可分别提供R(红色)、G(绿色)及B(蓝色)光束；该干涉物镜组14包括三分光镜141a~141c、一物镜142以及一反射镜143，该三分光镜141a~141c用以接收该R、G及B光束，并提供分光作用以形成物光L1及参考光L2；该物镜142用以接收该物光L1并投射于一样本17上，由样本17产生散射物光再通过该物镜142；该反射镜143用以接收该参考光L2并产生反射光，该反射光可前述该由样本17产生的散射物光会合形成带有干涉信号的光束L3投射至该彩色取像组件15，该彩色取像组件15可为彩色CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合组件)或彩色CMOS(互补氧化金属半导体)图像感测组件，用以接收该带有干涉信号的光束并在该彩色取像组件15表面形成全像干涉，该彩色取像组件15将全像干涉记录为全像片，必须强调的是，由于该彩色取像组件15分别取得R、G、B全像片，因此必须将R、G、B全像片传送至该处理单元16进行重建计算；通常，该处理单元16为一计算机处理系统，搭配有屏幕161用以显示处理状态，及键盘162作为输入装置用以输入控制指令。

借助上述本发明所提供的多彩离轴数字全像系统10，可归纳出多彩离轴数字全像成像方法流程20，如图2所示，其包含以下步骤：

步骤21：由彩色取像组件分别得到R、G、B的全像片；借助图一所示该多彩离轴数字全像系统10即可完成本步骤，由该彩色取像组件15取得R、G、B全像片；

步骤22：对R、G、B全像片作补零处理；

步骤23：分别对补零后的R、G、B全像片作重建，并分别得到R、G、B的相位；

步骤24：将R、G重建后的相位信息及波长带入计算成为合成波长RG的三维表面轮廓；将G、B重建后的相位信息及波长带入计算成为合成波长GB的三维表面轮廓；

步骤25：将合成波长RG及其相位，与合成波长GB及其相位带入计算，得到合成波长的表面三维轮廓。

以下再分别针对步骤22进行的补零处理、步骤23进行的重建，以及步骤24、25进行的表面三维轮廓成型作进一步说明。

该步骤22进行的补零处理，由于重建图像的分辨率会随波长与重建距离不同而改变，为了将不同波长重建图形的分辨率固定为一值，其演算方法如下：

设定一重建距离，对于不同波长λ₁与λ₂的光束

N2＝int(N1*λ₂/λ₁)、M2＝int(M1*λ₂/λ₁)……(1)

其中，

int代表取整数；

N1*M1为波长λ的全像片的像素；

波长λ₂的全像片需经由补零将图片像素扩大为N2*M2，得到新的全像片再代入重建公式进行重建；经补零处理后，波长λ₂的重建图像分辨率与波长λ₁的重建图像分辨率几乎相同。

以下举例说明，假设使用两波长做为光源，其分别为红光625nm和绿光525nm，彩色取像组件的像素为1024*1024；为使重建后分辨率相同，必须将红光的全像片补零，使得全像片像素数由1024*1024扩大为1219*1219，再代入重建下列公式(2)进行重建。

该步骤23依据以下数字全像的重建公式进行重建：

$\mathrm{FFT}{\{R(k,l)I_H(k,l)\×\exp \left[\frac{\mathrm{i\π}}{\mathrm{\λd}}(k^2{\mathrm{\Δx}}^2+l^2{\mathrm{\Δy}}^2)\right]\}}_{m,n}\·\·\·\left(2\right)$

其中：

λ为波长；

d为重建距离；

m、n、k、l为CCD像素数目(Pixel number)；

Δξ＝Δη＝λd/L为重建后分辨率，其中L为彩色取像组件尺寸；

Δx、Δy为彩色取像组件像素尺寸(Pixel size)；

A＝exp(i2πd/λ)为复数常数；

FFT{}：表示对括号内的信息进行傅立叶运算(Fourier operator)；

为相位屏蔽，目的为补偿物镜像差；

R(k，l)＝A_R exp[i(2π/λ)(k_xkΔx+k_ylΔy)]为参考光；

I_H(k，l)为全像片。

该步骤24及步骤25为解决相位混淆问题；假设φ_R为红光波长λ_R的重建相位函数，φ_G为绿光波长λ_G的重建相位函数，φ_B为蓝光波长λ_B的重建相位函数，则λ_R与λ_G的表面轮廓函数Z’_RG，λ_G与λ_R的表面轮廓函数Z’_GB为：

Λ_RG＝(λ_R*λ_G)/|λ_R-λ_G|

其中当

则

当则

Λ_GB＝(λ_G*λ_B)/|λ_G-λ_B|

其中当则

当

则

其中，Λ_RG、Λ_GB为分别取两个波长估算出的合成波长。

接着，再将Λ_RG、

Λ_GB、做计算以求得更佳的表面轮廓重建高度Z’_RG，GB：

Λ_RG，GB＝(Λ_RG*Λ_GB)/|Λ_RG-Λ_GB|

例如，当λ_R＝627nm、λ_G＝530nm、λ_B＝470nm时，Λ_RG＝3.426μm、Λ_GB＝4.152μm，而Λ_RG，GB＝19.593μm，换言之，重建后可以达到19.593μm而不产生相位混淆。

请参考图3所示本发明提供的多彩离轴数字全像系统另一实施例的架构，该系统30包含一红色发光二极管31、绿色发光二极管32及蓝色发光二极管33、一干涉物镜组34、一彩色取像组件35及一处理单元36；本实施例与图一该实施例的不同点在于，该干涉物镜组34包括四分光镜341a~341d、一物镜342以及二反射镜343a、343b，其中该分光镜341a~341c用以接收该R、G及B光束，并提供分光作用以形成物光L1及参考光L2；该二反射镜343a、343b用以分别接收该物光L1及参考光L2；其中，该物光L1可通过该物镜342投射于样本37上，由样本37产生散射物光再通过该物镜342；而该反射镜343b接收该参考光L2并产生反射光再通过该物镜342，该反射光可前述该由样本37产生的散射物光会合形成带有干涉信号的光束L3投射至该彩色取像组件35，由该彩色取像组件35将全像干涉记录为R、G、B全像片，再传送至该处理单元36进行重建计算，关于该重建计算的流程与图1所示该实施力所实行的流程相同，不再予以赘述。

综上所述，本发明所提供的多彩离轴数字全像显微镜，以R、G、B三色发光二极管作为照明光源，R、G、B三色混合于同一光路中，并搭配彩色彩色取像组件记录全像片，每拍摄一张照片即可包含三种不同波长的全像片，达到实时测量且提升重建速度等目的，且可避免激光所造成的光斑噪声及重建误差；再有，使用多波长作为照明光源，利用不同波长照明重建后的相位，以算法重新计算其等效波长及相位以产生新的表面三维轮廓，可有效改善重建高度的限制以及相位混淆问题。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1、一种多彩离轴数字全像系统，其特征在于，包含：

数个发光二极管，用以提供R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)光束；

一干涉物镜组，用以接收该R、G、B光束，并形成带有干涉信号的光束；

一彩色取像组件，用以接收该带有干涉信号的光束，并在该彩色取像组件表面形成全像干涉，再由该彩色取像组件记录为全像片；

一处理单元，用以接收该全像片并进行重建计算。

2、根据权利要求1所述的多彩离轴数字全像系统，其特征在于，该干涉物镜组包含：

三分光镜，用以接收该R、G、B光束，并提供分光作用以形成物光及参考光；

一物镜，用以接收该物光并投射于一样本上，由样本产生散射物光再通过该物镜；

一反射镜，用以接收该参考光并产生反射光；该反射光可与前述该散射物光会合形成带有干涉信号的光束。

3、根据权利要求1所述的多彩离轴数字全像系统，其特征在于，该干涉物镜组包含：

四分光镜，包括三用以接收该R、G、B光束，并提供分光作用以形成物光及参考光；

二反射镜，分别用以接收该物光及参考光；

一物镜，用以接收该物光并投射于一样本上，由样本产生散射物光再通过该物镜。

4、根据权利要求1所述的多彩离轴数字全像系统，其特征在于，该彩色取像组件可为彩色电荷耦合组件或彩色互补氧化金属半导体图像感测组件。

5、一种多彩离轴数字全像成像方法，其特征在于，包含以下步骤：

A.由彩色取像组件分别得到R、G、B的全像片；

B.对R、G、B的全像片作补零处理；

C.分别对补零后的R、G、B全像片作重建，并各别得到R、G、B的相位；

D.将红色、绿色重建后的相位信息及波长带入计算成为合成波长RG的三维表面轮廓；将绿色、蓝色重建后的相位信息及波长带入计算成为合成波长GB的三维表面轮廓；

E.将合成波长RG及其相位，与合成波长GB及其相位，带入计算得到合成波长的表面三维轮廓。

6、根据权利要求5所述的多彩离轴数字全像成像方法，其特征在于，该步骤A通过一多彩离轴数字全像系统达成，该多彩离轴数字全像系统包含：

数个发光二极管，用以提供红色、绿色及蓝色光束；

一干涉物镜组，用以接收该红色、绿色及蓝色光束，并形成带有干涉信号的光束；

一彩色取像组件，用以接收该带有干涉信号的光束，并于该彩色取像组件表面形成全像干涉，再由该彩色取像组件记录为全像片；

一处理单元，用以接收该全像片并进行重建计算。

7、根据权利要求6所述的多彩离轴数字全像成像方法，其特征在于，该干涉物镜组包含：

三分光镜，用以接收该红色、绿色及蓝色光束，并提供分光作用以形成物光及参考光；

一物镜，用以接收该物光并投射于一样本上，由样本产生散射物光再通过该物镜；

一反射镜，用以接收该参考光并产生反射光；该反射光可与前述该散射物光会合形成带有干涉信号的光束。

8、根据权利要求6所述的多彩离轴数字全像成像方法，其特征在于，该干涉物镜组包含：

四分光镜，包括三用以接收该红色、绿色及蓝色光束，并提供分光作用以形成物光及参考光；

二反射镜，分别用以接收该物光及参考光；

一物镜，用以接收该物光并投射于一样本上，由样本产生散射物光再通过该物镜。

9、根据权利要求6所述的多彩离轴数字全像成像方法，其特征在于，该彩色取像组件可为彩色电荷耦合组件或彩色互补氧化金属半导体图像感测组件。

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