CN102467922A - 大视场数字全息图记录方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大视场数字全息图记录方法及装置。其利用4F相干图像处理系统记录数字全息图，在空间频谱面设置可移动的滤波孔，随着孔径的移动，记录不同谱段的子全息图。再现时，先对子全息图数字逆傅里叶变换，重构对应的频谱段，并对频谱段进行拼接形成完整的物光频谱，最后对整个频谱再进行傅里叶变换，从而实现像的重构。装置构成包括：光路系统、数据采集器和计算机，光路系统由激光器LD、反射镜M2、分束镜BS1、分束镜BS2、凸透镜L1、设在二维移动平台P上的矩形孔滤波器SF、凸透镜L2、分束棱镜BS3、二维移动平台P所构成。此技术和装置不但解决了数字再现物体视角受到记录器件分辨率限制的问题，还可以应用到显微数字全息测量领域中以得到微观物体的全局信息，实现在数字全息中扩大测量面积的效果。

Description

大视场数字全息图记录方法及装置

技术领域

本发明属于数字全息术应用于面形检测设备，具体是一种大视场数字全息图记录方法及装置。

技术背景

数字全息最大的特点是可以对三维或相位物体的结构信息进行定量分析，但是由于记录器件有限的像素数，使得全息图的高频信息不能被有效的记录，因而重构像的分辨率被限制。对面形检测而言，分辨率与视角相对应，或者说全息图视角问题的本质就是分辨率问题。另外，因为高频全息图欠采样或者无效采样，将降低全息图的信噪比。增大再现视角和信噪比的一个有效方法是综合孔径技术。若要对物体面形或相位信息进行定量分析，必须采用复振幅叠加方法，这种方法要求各个再现光场有相对固定的相位关系，对记录系统的稳定性和光电成像装置的位移精度有着非常高的要求，如有误差，将增加数字修正的难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用空间频谱拼接、拼接修正容易的大视埸数字全息图的记录方法。

本发明的另一目的在于提供一种采用空间频谱拼接、拼接修正容易的大视埸数字全息图的记录装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案原理是利用4F相干图像处理系统记录数字全息图，在空间频谱面设置可移动的滤波孔，随着孔径的移动，记录不同谱段的子全息图。再现时，首先对子全息图进行数字逆傅里叶变换，重构对应的频谱段，并对频谱段进行拼接形成完整的物光频谱，最后对整个频谱再次进行傅里叶变换，从而实现像的重构，具体方法步骤如下：

1)由凸透镜对物光波进行光学傅立叶变换；

2)由配备矩形孔滤波器、凸透镜、分束镜、光电转换器和二维移动平台等的子孔径分割采样装置在物光波的空间频谱面移动，进行子孔径分割采样；

3)将各个子孔径的采样结果分别先乘以参考光、数字逆傅立叶变换、移位，再进行拼接；

4)将拼接后的物光波空间频谱分布进行数字傅立叶变换得到全息图的重构像。

上述的记录方法中子孔径分割和拼接在物光波的空间频率域进行。

上述的记录方法中拼接过程中使用数字逆傅立叶变换。

上述拼接修正容易的大视埸数字全息图的记录装置具体构成包括：光路系统、数据采集器和计算机三大部分，光路系统由激光器LD、反射镜M2、分束镜BS1、分束镜BS2、凸透镜L1、矩形孔滤波器SF、凸透镜L2、分束棱镜BS3、二维移动平台P所构成，分束棱镜BS2、凸透镜L1、矩形孔滤波器SF、凸透镜L2、分束棱镜BS3、光电转换器CCD依次排列设置，矩形孔滤波器SF、凸透镜L2、分束棱镜BS3是连接在二维移动平台P上的，激光器LD发出激光束投向分束镜BS1产生两束激光束，其中激光束1经分束棱镜BS2反射照射到待测物体上，其反射光再经分束棱镜BS2后被透镜L1傅立叶变换到空间频率域，部分空间频谱穿过矩形孔滤波器SF，再经过透镜L2到达分束棱镜BS3，而激光束2经过反射镜M2投向分束棱镜BS3，两束光在光电转换器CCD1表面干涉形成全息图，并被光电转换器接收，经模数转换得到数字全息图。

上述的二维移动平台可以是由台板P1、台板P2、水平方向移动机构1、垂直方向移动机构2所组成的，水平方向移动机构1连接在台板P1侧面或下方，垂直方向移动机构2连接在台板P1上，台板P2连接在垂直方向移动机构2上的。

本发明的大视场数字全息图记录方法，其在空间频谱面设置了可精确控制移动的滤波孔，能均匀地记录下不同谱段的子全息图，通过把子全息图进行数字逆傅里叶变换，重构成对应的频谱段，并对频谱段进行拼接形成完整的物光频谱，然后对整个频谱再次进行傅里叶变换，从而获得像的重构，此技术和装置不但解决了数字再现物体视角受到记录器件分辨率限制的问题，还可以应用到显微数字全息测量领域中以得到微观物体的全局信息，实现在数字全息中扩大测量面积的效果。且具有对设备精度、环境震动等要求较现有方法低，结构检测精度高，系统体积小，自动化程度高的优点。

附图说明

图1是本发明实施例的大视场数字全息图记录装置结构和光路示意图

图2是本发明实施例的大视场数字全息图记录频谱混叠未滤波结果(a)频谱，(b)再现面形分布

图3是本发明实施例的大视场数字全息图记录各滤波孔径的频谱和再现面形分布

图4是本发明实施例的大视场数字全息图记录最终拼接结果.(a)频谱，(b)面形分布

图5是本发明实施例的大视场数字全息图记录满足分离条件未滤波的再现面形分布

图6是本发明实施例的大视场数字全息图记录装置部件主视图

图7是本发明实施例的大视场数字全息图记录装置部件附视图

图8是本发明实施例的大视场数字全息图记录装置部件仰视图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。下述实施例仅用于说明本发明的技术方案，但对本发明并没有限制。

实施例

本发明的大视场数字全息图记录方法，原理是利用4F相干图像处理系统记录数字全息图，在空间频谱面设置可移动的滤波孔，随着孔径的移动，记录不同谱段的子全息图。再现时，首先对子全息图进行数字逆傅里叶变换，重构对应的频谱段，并对频谱段进行拼接形成完整的物光频谱，最后对整个频谱再次进行傅里叶变换，从而实现像的重构，具体方法步骤如下：

1)由凸透镜对物光波进行光学傅立叶变换；

2)由配备矩形孔滤波器、凸透镜、分束镜、光电转换器和二维移动平台等的子孔径分割采样装置在物光波的空间频谱面移动，进行子孔径分割采样；

3)将各个子孔径的采样结果分别先乘以参考光、数字逆傅立叶变换、移位，再进行拼接；

4)将拼接后的物光波空间频谱分布进行数字傅立叶变换得到全息图的重构像。

根据图1所示，大视埸数字全息图的空间频谱拼接装置，包括光路系统、图像数据采集器、计算机三大部分，光路系统由激光器LD、反射镜M2、分束镜BS1、分束镜BS2、聚焦透镜L1、矩形孔过滤器SF、聚焦透镜L2、分束镜BS3、二维移动平台P所构成，分束镜BS2、聚焦透镜L1、矩形孔过滤器SF、聚焦透镜L2、分束镜BS3、光电转换器CCD依次排列设置，此时，子孔径分割采样装置中的矩形孔滤波器位于凸透镜[L1]的后焦面。子孔径分割采样装置中的矩形孔滤波器设于凸透镜[L2]的前焦面，光电转换器设于凸透镜L2的后焦面。矩形孔过滤器SF、聚焦透镜L2、分束镜BS3是连接在二维移动平台P上的可在X和Y轴方向来回移动，由图6至图8中可知，二维移动平台是由台板P1、台板P2、水平方向移动机构1、垂直方向移动机构2所组成的，水平方向移动机构1连接在台板P1侧面或下方，垂直方向移动机构2连接在台板P1上，这样平台1可以带动垂直方向移动机构2水平移动，台板P2连接在垂直方向移动机构2上，这样台板P2就既可上下移动也可水平移动了，由图中可知，水平方向移动机构1是由支架及外壳1a、丝杆螺母1b、丝杆1c、铰支座1d、电机1e所组成的，垂直方向移动机构2是由支架及外壳2a、丝杆螺母2b、丝杆2c、铰支座2d、电机2e所组成的，电机1e连接丝杆1c，电机1e带动丝杆1c转动，丝杆螺母1b沿丝杆1c的轴向移动同时带动连接在丝杆螺母1b上的台板P1移动。垂直方向移动机构2的支架及外壳2a连接在台板P1上，丝杆螺母2b连接台板P2，电机2e连接丝杆2c，电机2e带动丝杆2c转动，丝杆螺母2b沿丝杆2c的轴向移动同时带动连接在丝杆螺母2b上的台板P2轴向移动即上下移动。

将待测物体物体置于凸透镜[L1]的前焦面，激光器LD发出激光束投向分束镜BS1产生两束激光束，其中激光束1经分束镜BS2反射照射到待测物体上，其散射光再经分束镜BS2反射后被透镜组L1放大成像，穿过矩形孔过滤器SF，再经过透镜组L2到达分束镜BS3，而激光束2经过反射镜M2投向分束镜BS3，由光电转换器CCD1接收，数据采集系统为电荷耦合器件即为光电转换器CCD。

实验中使用He-Ne激光，波长为632.8nm，功率约为60mw。2个双胶合透镜的焦距分别为50mm和180mm，孔径分别为30mm和50mm，组成的4F相干图像处理系统的放大倍率约为3.6倍。CCD是由PointGrey公司生产的Grasshopper-50S5型，像素数为1024×1024，像敏单元尺寸为3.45um×3.45um。数控平台的型号是Zolix TSA 300-B，分辨率为2.5um，重复定位精度：＜3um。记录物体是圆柱形表面(光滑的缝纫针)，半径为390um，用平行光照明针柱表面，在SP面上形成了比较宽的谱分布，空间频谱的宽度反映了物体表面可以被测的高度和宽度。根据几何光学可以估算在此光学系统中，被测物体的面型高度约为4.1um，面型宽度约为113.3um。采用离轴像面全息，参考光为平行光，参物夹角根据(16)式选为4.2°，滤波孔径根据(17)、(18)式选为5mm×8mm。

图5是在没有采取滤波记录让所有频谱同时被记录的情况，图5(a)是再现的谱，图5(b)是其再现像，显然谱和零级项发生了严重的交叠。

利用本文所提出的技术，在记录过程中，移动数控平台使得虚线框内系统移动，当将频谱面上所有频谱分量都覆盖时，移动结束。各滤波孔径再现的面型分布情况如图6.图中(d)，(e)，(f)分布再现了圆柱面的各个部分，从左侧面到中间再到右侧面。将各个滤波孔径频谱进行拼接，重现SF平面的原频谱分布，而后数字再现获取的面型分布如图7.面型高度为4.036um。按照信噪比公式：

$\mathrm{SNR}=10\mathrm{lo}{g}_{10}{\left(\frac{A_{\mathrm{ideal}}}{A_{\mathrm{noise}}}\right)}^2={10\log }_{10}{\left(\frac{A_{\mathrm{ideal}}}{A_{\mathrm{ideal}}-A_{\mathrm{real}}}\right)}^2---\left(19\right)$

式中，A_ideal：理想面型分布，A_noise：噪声分布，A_real：实验获取的面型分布计算可得拼接面型分布的信噪比为266.9764dB。

作为比较不采用滤波记录，但改变参物夹角以使再现谱不重叠，因高频信息被截止且未被有效记录造成再现像信噪比下降，其再现像(图8)的面型高度下降，并且信噪比降为254.2557dB。三维面型分布实际上反映了物体空间频率的高低，或者反映了再现物体视角的大小，因而结果验证了基于滤波成像的大视角数字全息技术的可行性

本文提出了一种基于滤波成像的大视角数字全息技术。建立了在4F相干图像处理系统中一般物体的频谱拼接模型，以圆柱形表面(光滑的缝纫针)为物体，利用该技术达到了预期的目标，此技术不但可以解决数字再现物体视角受到记录器件分辨率限制的问题，还可以应用到显微数字全息测量领域中以得到微观物体的全局信息，实现在数字全息中扩大测量面积。实际物体的频谱拼接误差和矫正技术将是下一步工作的重点。

由于记录器件有限的像素数，使得全息图的高频信息不能被有效的记录，因而重构像的分辨率被限制。对面型检测而言，分辨率与视角相对应，或者说全息图视角问题的本质就是分辨率问题。另外，因为高频全息图欠采样或者无效采样，将降低全息图的信噪比。增大再现视角和信噪比一个有效的方法是综合孔径技术，若要对物体面型或相位信息进行定量分析，必须采用复振幅叠加方法，这种方法要求各个再现光场有相对固定的相位关系，对记录系统的稳定性和CCD的位移精度有着非常高的要求，如有误差，将增加数字修正的难度。

我们提出利用4F相干图像处理系统记录数字全息图，在空间频谱面设置可移动的滤波孔，随着孔径的移动，记录不同谱段的子全息图。再现时，首先对子全息图进行数字傅里叶变换，重构对应的频谱段，并对频谱段进行拼接形成完整的物光频谱，最后对整个频谱再次进行傅里叶变换，从而获得像的重构。根据傅里叶变换的相移性质，如果全息图在记录过程中发生了相位移动，其频谱将发生空间位移，这样可以直观的在谱面上反映出来，便于进行拼接修正。

Claims (4)

1.一种采用空间频谱拼接的大视场数字全息图记录方法，包括以下步骤：

1)由凸透镜对物光波进行光学傅立叶变换；

2)由配备矩形孔滤波器、凸透镜、分束镜、光电转换器和二维移动平台等的子孔径分割采样装置在物光波的空间频谱面移动，进行子孔径分割采样；

3)将各个子孔径的采样结果分别先乘以参考光、数字逆傅立叶变换、移位，再进行拼接；

4)将拼接后的物光波空间频谱分布进行数字傅立叶变换得到全息图的重构像。

2.如权利要求1所述的大视场数字全息图记录方法，其特征在于：所述的子孔径分割和拼接在物光波的空间频率域进行。

3.一种用于采用空间频谱拼接的大视场数字全息图记录方法的装置，包括光路系统、图像数据采集器、计算机三大部分，其特征在于：光路系统由激光器[LD]、反射镜[M2]、分束镜[BS1]、分束镜[BS2]、凸透镜[L1]、矩形孔滤波器[SF]、凸透镜[L2]、分束棱镜[BS3]、二维移动平台[P]所构成，分束棱镜[BS2]、凸透镜[L1]、矩形孔滤波器[SF]、凸透镜[L2]、分束棱镜[BS3]、光电转换器[CCD]依次排列设置，矩形孔滤波器[SF]、凸透镜[L2]、分束棱镜[BS3]是连接在二维移动平台[P]上的，激光器[LD]发出激光束投向分束镜[BS1]产生两束激光束，其中激光束[1]经分束棱镜[BS2]反射照射到待测物体上，其反射光再经分束棱镜[BS2]后被透镜[L1]傅立叶变换到空间频率域，部分空间频谱穿过矩形孔滤波器[SF]，再经过透镜[L2]到达分束棱镜[BS3]，而激光束[2]经过反射镜[M2]投向分束棱镜[BS3]，两束光在光电转换器[CCD1]表面干涉形成全息图，并被光电转换器接收，经模数转换得到数字全息图。

4.如权利要求3所述的大视场数字全息图记录方法，其特征在于：所述的二维移动平台是由台板[P1]、台板[P2]、水平方向移动机构[1]、垂直方向移动机构[2]所组成的，水平方向移动机构[1]连接在台板[P1]侧面或下方，垂直方向移动机构[2]连接在台板[P1]上，台板[P2]连接在垂直方向移动机构[2]上。

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