CN102506755A - 基于方向频谱分离的数字全息层析图像记录装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于方向频谱分离的全息层析图像记录装置。该装置中，激光器发出的一束光经过分束镜分束分别从三个方向通过物体，所形成的三组全息信号记录在一幅图像中，它由三个激光器、三个扩束器件、三个菲涅耳双棱镜以及一个CCD摄像机等部分组成。三束光其中一部分光经过被测物体，通过菲涅耳双棱镜后彼此干涉后形成的信息由CCD摄像机记录，经过频谱分离各方向的干涉信息后通过层析算法得出被测物体的轮廓和内部结构的动态信息。该装置动态性好，抗干扰能力强，并容易实现系统小型化，在生物、医学领域的实时检测方面有重要的应用前景。

Description

基于方向频谱分离的数字全息层析图像记录装置

技术领域

本发明涉及一种基于方向频谱分离的全息层析图像记录装置。该装置中激光器发出的光分别从空间的三个方向通过物体，通过频谱分离获得三个方向的信息，并利用数字全息层析算法重建透明物体的三维结构。

背景技术

基于数字全息层析技术实现透明物体内部三维结构检测时，需要获得多个投射方向的投影信息。目前的方法是分时采集不同方向的信息或在空间分布多个CCD进行同时采集。第一种方式无法实现动态测量，第二种方式系统复杂且匹配标定困难。基于这样的问题，本发明提出一种基于方向频谱分离的全息层析图像记录装置。该装置中激光器发出的光分别从空间的三个方向通过物体，每个方向通过菲涅耳棱镜放置方向的不同实现不同的载波，所形成三组全息图像并被同一个CCD摄像机所记录。在数据处理时，通过傅立叶频谱分离的方法分别获得三个方向信息，并利用数字全息层析算法重现透明物体的三维结构。

本发明装置的特点是：（1）装置通过合理放置三路投射光路中的菲涅耳棱镜，实现全息图的不同载波方向，从而为三路投影信息的分离建立基础；（2）三路投射光路的信息为同一个CCD同时接收，满足了测量动态性的要求；（3）由于三路信息载波方向的不同，采用傅立叶变换频谱分离的方法实现了三路投射信息的分离，从而可以用数字全息层析算法重构物体的三维结构。该装置动态性好，抗干扰能力强，并容易实现系统小型化，在生物、医学领域的实时检测方面有重要的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种基于方向频谱分离的数字全息层析图像记录装置，采用数字全息层析方法测量物体三维结构，实现具有动态性全息层析图像记录。

为达到上述目的，本发明的构思是：

(一)激光器经过分束器分分成三个光强相同的光束并经过扩束照射到被测物体；(二)经过物体的各光束光路在菲涅耳双棱镜作用下产生干涉图样；(三)利用CCD收集干涉图样；(四)利用不同的频谱方向对不同方向的振幅和相位信息分别提取；(五)计算机处理信号并进行结构重建，获得被测物体的层析图像。

根据上述发明构思，本发明采用如下的技术方案：一种基于方向频谱分离的全息层析图像记录装置由一个激光器、一个分束器、三个由空间滤波器和负透镜构成的光束扩束组件、三个菲涅耳双棱镜、三个遮光板、两个平面反射镜和一个CCD摄像机。具体实现过程的光路（见图1），激光器发出的光束经过分束器分成三束光，之后三个方向光路的每一光路的空间滤波器和一个负透镜后扩展光束，然后共同投射到被测物体上，之后沿原方向通过一个所述菲涅耳双棱镜分波前后干涉，无效的光束被遮挡板遮挡；然后经过一个所述平面反射镜的作用下，三个方向的光束共同照射到CCD摄像机，通过数据采集卡将数据传输至计算机，在所述计算机中经过分离频谱提取各方向干涉信息后由层析算法重建被测图像信息。所述三方向光路中三个光束扩束组件和三个菲涅耳双棱镜分别分布于空间的平面的一个正六边形的六个边上，三个菲涅耳双棱镜放置在该六边形相邻的三个边上，三个空间滤波器放置在另外的三个相邻边上，相对的菲涅耳双棱镜和空间滤波器与之间的负透镜构成其中一束光路的引导器件。其中各光束的光束扩束组件和菲涅耳双棱镜距离相同，三束光路之间夹角为π/3，旁边两束光路中的菲涅耳双棱镜与中间光路的菲涅耳双棱镜之间夹角为π/4，同时各路相同器件位置需放置在以O点为圆心的圆周上，O点为三束光路光轴的交点。

上述的数字全息层析图像记录装置中，所述的被测物体依据菲涅耳双棱镜的原理对放置位置有一定要求，物体应放置在负透镜和菲涅耳双棱镜之间并且在三束光轴一侧的重叠区，保证通过被测物体的波前在分束后仍然完整同时被三束光路记录。

上述的数字全息层析图像记录装置中，所述的菲涅耳双棱镜的位置要求是，其位置的方向要求三个菲涅耳双棱镜在与传播光光轴垂直平面上两边光路与中间光路的菲涅耳双棱镜彼此方向夹角为π/4。

上述的数字全息层析图像记录装置中，所述的菲涅耳双棱镜的结构要求是，其顶角的大小要求在采集过程中引入适当的载波频率，保证再现采集的全息图中物波能从零级及共轭像中分离出来。

上述的数字全息层析图像记录装置中，所述的CCD摄像机需根据采用采集频率要求来确定其采集所用的分辨率，同时所述的CCD摄像机连接装有图像采集卡的计算机。

上述的数字全息层析图像记录装置中，全息图的载波频率、频谱倾斜依靠菲涅尔双棱镜控制，需要测试者对测量原理有一定的理解。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的进步：本发明使用一个激光器、三个光束扩束组件、三个菲涅耳双棱镜、一个CCD摄像机和一个计算机等构成。本发明是一种三方向同频率光同轴式的数字全息图记录系统，三路信息载波方向的不同，采用傅立叶变换频谱分离的方法实现了三路投射信息的分离，从而可以用数字全息层析算法重构物体的三维结构，该装置动态性好，抗干扰能力强，并容易实现系统小型化。

附图说明

图1是系统结构图。

图2是图1中菲涅耳双棱镜的空间放置关系图。

图3是图1中单束光路分析图。

图4是采集图像处理流程图。

具体实施方式

本发明的优先实施例详述如下：

实施例一：

参见图1，本基于方向频谱分离的全息层析图像记录装置，包括一个激光器(1)、一个分束器(2)、三个空间滤波器(3)、三个负透镜(4)、三个菲涅耳双棱镜(6)、三个遮挡板(7)、两个平面反射镜(8)和一个CCD摄像机(9)。所述三方向光路中三个光束扩束组件和三个菲涅耳双棱镜分别分布于空间的平面的一个正六边形的六个边上，三个菲涅耳双棱镜(6)放置在该六边形相邻的三个边上，三个空间滤波器(4)放置在另外的三个相邻边上，相对的菲涅耳双棱镜(6)和空间滤波器(3)与之间的负透镜(4)构成其中一束光路的引导器件。其中各光束的光束扩束组件(3、4)和菲涅耳双棱镜(6)距离相同，三束光路之间夹角为π/3，旁边两束光路中的菲涅耳双棱镜(6)关于中间光路对称且两边光路与中间光路的菲涅耳双棱镜(6)之间夹角为π/4，同时各路相同器件位置需放置在以O点为圆心的圆周上，O点为三束光路光轴的交点；光束扩束组件由空间滤波器(3)和负透镜(4)组成，可通过两者的位置关系调节光束的张角；其核心部件菲涅耳双棱镜(6)实现了分波面、载频和改变频谱方向的功能。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述的被测物体(5)放置在负透镜(4)和菲涅耳双棱镜(6)之间并且在三束光轴一侧的重叠区，保证通过被测物体(5)的波前在分束后仍然完整同时被三束光路记录。所述的菲涅耳双棱镜(6)在与传播光光轴垂直平面上。所述的菲涅耳双棱镜(6)的顶角大小要求在采集过程中引入的载波频率能保证再现采集的全息图中物波能从零级及共轭像中分离出来。所述CCD摄像机(9)需根据采用采集频率要求来确定其采集所用的分辨率，同时所述的CCD摄像机(9)连接装有图像采集卡的计算机(10)。

工作原理如下：

本方法的具体实施步骤为：激光器(1)发出的光束经过分束器(2)分成三束光，之后各个光束通过各自光路的空间滤波器(3)和负透镜(4)后扩展光束，然后共同投射到被测物体(5)上，之后沿原方向通过菲涅耳双棱镜(6)分波前后干涉，无效的光束被遮挡板(7)遮蔽。经过平面反射镜(8)的作用下照射到CCD摄像机(9)，通过数据采集卡将数据传输至计算机(10)后经过分离频谱提取各方向干涉信息后层析算法。

如图1所示，经过分束器(2)分束的激光分别经过扩束并照射透明物体或者可透射物体(5)，后各束光路在菲涅耳双棱镜(6)作用下产生干涉图样，在平面镜(9)作用下将三束光路汇集并CCD摄像机(9)采集。

如图1所示，所述的整个系统三方向光路中各光束的空间滤波器(3)、负透镜(4)和菲涅耳双棱镜(6)距离比例相同，旁边两束光路关于中间光路对称且之间夹角为π /3；同时各路相同器件空间滤波器(3)、负透镜(4)、菲涅耳双棱镜(6)位置需放置在以O点为圆心的圆周上，O点为三束光路光轴的交点；其中光束扩束组件中的空间滤波器(3)和负透镜(4)之间的距离由被测物体(5)大小决定。

如图2所示，所述的三个菲涅耳双棱镜(6)的空间摆放位置不同，A图中菲涅耳双棱镜(6)的棱锥与水平面垂直，B图中菲涅耳双棱镜(6)的棱锥与水平面方向平行，C图中菲涅耳双棱镜(6)的棱锥与水平面方向成π/4角，因此三者形成的空间频谱方向彼此不同。

如图3所示，激光器(1)发出的光束经过扩束器(2)，在空间滤波器(3)滤波聚焦于点S，在负透镜(4)作用下是光束以一定角度传播，S’为经过负透镜 (4)后光束会聚点。对于一束光路，设空间滤波器(4)的光束会聚点S与负透镜(4)之间的距离为-l，负透镜(4)的焦距为f’，则根据光学成像理论，虚像点S’与负透镜(4)之间的距离

为：

(1)

如图3所示，考察一束经过菲涅耳双棱镜(6)后两束光的重叠区（即由CCD摄像机(9)接收的区域），并设菲涅耳双棱镜(6)的夹角为𝜃，棱镜的折射率为n，则对应重叠区的光束的张角

为：

(2)

(3)

如图3所示，设负透镜(4)与菲涅耳双棱镜(6)底面之间的距离为p，菲涅耳双棱镜(6)底面与CCD接收面之间的距离为q，则干涉区域宽度，即CCD应该接收的范围是：

(4)

如图2所示，该装置三个方向的投影数据可根据不同干涉方向进行分离，图中的三个菲涅耳双棱镜(6)之间存在夹角，由菲涅耳双棱镜(6)特性可知，其干涉方向与其棱锥方向相同。对于单束光束，经过菲涅耳双棱镜之后到达CCD出的干涉相位信息为：

(5)

其中和

取决于菲涅耳双棱镜的放置位置。则由三束光空间各自相干方向关于光轴方向位置不同可将三束光的频谱分离，提取各个方向的干涉信息。

如图1所示，有上段所述数据采集方向较少，因此再现过程我们采用代数迭代算法重建模型最终得结构相位分布。设需重建的单层原始图像被离散化为N=n×n 个像素组成的一维数组

，投影射线总数为M=3，则图像第i条射线的投影可以表示如下：

(i=1,2, 3) (6)

式中,

为第i 条射线的投影值，

为加权因子，表示第( i ， j) 个像素点对第i条射线投影值的贡献，

为第( i ， j) 个像素点的投影值。(6) 式中的

为已知值，加权因子

为自赋值，

为待求解的投影值. 为求出

，对

(i=1,2, 3) 方程组采用代数迭代法进行迭代求解. 迭代方程如下:

(7)

式中t 为迭代次数，ζ 为松弛因子，ζ 在根据实验条件标定后取值. 代入

投影值和给定的初始值

( 一般选取 = 0)就可进行迭代运算. 当满足下列条件时迭代结束:

(i=1,2, 3…,n) (8)

此时，

即为所需重建图像. 对于本装置而言，全息图数值重建波前相位信息即为值，对采集的数据信息进行分别层析重建可获得被测物体的内部的完整结构。

Claims (5)

1.一种基于方向频谱分离的全息层析图像记录装置包括一个激光器(1)、一个分束器(2)、三个由空间滤波器(3)和负透镜(4)构成的光束扩束组件、三个菲涅耳双棱镜(6)、三个遮光板(7)、两个平面反射镜(8)和一个CCD摄像机(9)，具体实现过程的光路：所述激光器(1)发出的光束经过所述分束器(2)分成三束光，之后三个方向光路的光束分别通过一个空间滤波器(3)和一个负透镜(4)后扩展光束，然后共同投射到被测物体(5)上，之后沿原方向通过菲涅耳双棱镜(6)分波前后干涉，无效的光束被遮挡板(7)遮挡，然后经过一个所述平面反射镜(8)的作用下，三方向光路的光束共同照射到CCD摄像机(9)，通过数据采集卡将数据传输至计算机(10)，在所述计算机(10)中经过分离频谱提取各方向干涉信息后由层析算法重建被测图像信息；所述三方向光路中三个光束扩束组件和三个菲涅耳双棱镜分别分布于空间的平面的一个正六边形的六个边上，三个空间滤波器(3)放置在该六边形相邻的三个边上，三个菲涅耳双棱镜(6)放置在另外的三个相邻边上，相对的空间滤波器(3)和菲涅耳双棱镜(6)与之间安置的负透镜(4)；其中各光束的光束扩束组件和菲涅耳双棱镜(6)距离相同，三束光路之间夹角为π /3，旁边两束光路中的菲涅耳双棱镜(6)与中间光路的菲涅耳双棱镜(6)之间夹角为π /4，同时各路相同器件位置需放置在以O点为圆心的圆周上，O点为三束光路光轴的交点。

2.根据权利1所述的基于方向频谱分离的全息层析图像记录装置中，其特征在于所述的被测物体(5)放置在负透镜(4)和菲涅耳双棱镜(6)之间并且在三束光轴一侧的重叠区，保证通过被测物体(5)的波前在分束后仍然完整同时被三束光路记录。

3.根据权利1所述的基于方向频谱分离的全息层析图像记录装置中，其特征在于所述的菲涅耳双棱镜(6)在与传播光光轴垂直平面上。

4.根据权利1所述的基于方向频谱分离的全息层析图像记录装置中，其特征在于所述的菲涅耳双棱镜(6)的顶角大小要求在采集过程中引入的载波频率能保证再现采集的全息图中物波能从零级及共轭像中分离出来。

5.根据权利1所述的基于方向频谱分离的全息层析图像记录装置中，其特征在于所述CCD摄像机(9)需根据采用采集频率要求来确定其采集所用的分辨率，同时所述的CCD摄像机(9)连接装有图像采集卡的计算机(10)。

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