CN103092049A - 降低散斑噪声的全固态数字全息成像系统 - Google Patents
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Abstract
降低散斑噪声的全固态数字全息成像系统，属于光学衍射成像和数字全息技术领域，包括全息图拍摄光路、空间光调制器、待测样品、图像传感器和计算机。其中，所述全息图拍摄光路中的参考光直接入射到所述图像传感器，所述全息图拍摄光路中的物光经所述空间光调制器、待测样品后入射到所述图像传感器，图像传感器与空间光调制器均与所述计算机相连，在计算机提供的不同相位信息控制下，空间光调制器加载不同的随机相位掩模板，每加载一次随机相位掩模板，控制图像传感器记录一次全息图，连续自动获取多幅全息图，并将所有全息图的再现像叠加。本发明可以自动降低数字全息成像系统的再现像的散斑噪声，可用于对实时性和分辨率要求较高的成像检测中。
Description
技术领域
本发明公开了一种基于空间光调制器实现全固态降低散斑噪声的数字全息成像系统，属于光学衍射成像和数字全息技术领域。
背景技术
在数字全息记录过程中，由于样品表面相对于照明光波长存在“随机”粗糙，利用相干光照明会引入较强的散斑噪声，导致难以分辨被散斑噪声覆盖的再现像细节，严重影响了数字全息成像系统的成像质量。目前已经提出了多种降低散斑噪声的方法，Kim等人基于波长扫描干涉全息术原理，采用环形染料激光器，降低合成图像的散斑噪声，但是这种方法需要先后记录物光、参考光和全息图，无法用于实时观测；Rong等人通过手动旋转偏振片获得不同偏振方向下的全息图来抑制散斑噪声；Quan等人通过改变反射镜照射物体的角度获得多幅离轴全息图，将多幅强度再现图像平均叠加，可以较好的抑制散斑噪声，但这种方法需要手动机械精确旋转反射镜获取倾斜照明光。Kebbel等人通过在照明光路上安装毛玻璃，通过旋转毛玻璃获得多幅散斑图案互不相关的全息图，这种方法需要在实验中机械移动毛玻璃；可见，为了记录多幅散斑图案不相关的数字全息图，大多需要手动机械调整偏振片、反射镜、毛玻璃等光学元件，然而引入机械调整往往受限制于器件本身的响应速度，精度，稳定性等因素，使得成像速度不高，且成像系统复杂。
发明内容
为了消除机械调整对数字全息成像系统精度和速度的影响，实现自动地获取多幅不相关的数字全息散斑图，本发明提供一种基于空间光调制器降低散斑噪声的全固态数字全息成像系统。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
降低散斑噪声的全固态数字全息成像系统，包括全息图拍摄光路、空间光调制器、待测样品、图像传感器和计算机。其中，所述全息图拍摄光路中的参考光直接入射到所述图像传感器，所述全息图拍摄光路中的物光经过所述空间光调制器、待测样品后入射到所述图像传感器，图像传感器与空间光调制器均与所述计算机相连，在计算机提供的不同相位信息控制下，空间光调制器加载不同的随机相位掩模板，每加载一次随机相位掩模板，控制图像传感器记录一次全息图，连续自动获取多幅全息图，并将所有全息图的再现像叠加。
所述全息图拍摄光路由激光器，衰减器，半波片，偏振分束棱镜，扩束准直器，反射镜6，分束棱镜，衰减器，反射镜，合束晶体组成，所述器件中，激光器出射端依次装配衰减器和半波片，激光器的出射光束与衰减器和半波片元件垂直，半波片的出射光束垂直入射偏振分束棱镜，偏振分束棱镜前方安装扩束准直器，扩束准直器的出射光束以45°入射反射镜，反射镜下方装配分束晶体，分束晶体的左侧安装衰减器，衰减器左侧安装倾斜45°安装的反射镜，分束晶体的下方倾斜45°安装所述空间光调制器，在空间光调制器左侧放置所述待测样品，在样品左侧平行放置合束晶体，且合束晶体与反射镜的反射光束正交安装，在合束晶体下方放置所述图像传感器。
所述合束晶体倾角可调，并使得入射到图像传感器的所述参考光和物光有2°～5°范围的可调夹角。
所述空间光调制器为纯相位反射式空间光调制器，且光束尺寸均大于待测样品的检测区域。
所述激光器采用单纵模激光光源，波长为532nm，输出光功率为300mw。
所述空间调制器采用分辨率为1920×1080像素，像元尺寸为8μm×8μm的纯相位空间调制器，其线性调制范围为0-2π。
所述图像传感器采用CCD为4016×2672像素，像原尺寸为9μm×9μm的CCD相机。。
本系统的主要优点在于：采用由计算机提供不同相位信息控制空间光调制器加载不同的随机相位掩模板，从而在记录多幅全息图的过程中无需移动任何部件，即可提高成像系统的信噪比。本发明可以自动降低数字全息成像系统的再现像的散斑噪声，可用于对实时性和分辨率要求较高的成像检测中。
附图说明
图1降低散斑噪声的全固态数字全息成像系统的一个优选实施例的结构原理图；
图2单幅散斑全息图与其它随机相位调制的全息图的互相关系数。
图中：1、激光器，2、衰减器，3、半波片，4、偏振分束棱镜，5、扩束准直器，6、反射镜，7、分束棱镜，8、衰减器，9、反射镜，10、空间光调制器，11、待测样品，12、合束晶体，13、图像传感器，14、计算机。
具体实施方式
下面结合附图对优选一个实施例做进一步的说明：
本实施例的布置方式如图1所示：降低散斑噪声的自动数字全息成像系统，包括有激光器1，衰减器2，半波片3，偏振分束棱镜4，扩束准直器5，反射镜6，分束棱镜7，衰减器8，反射镜9，空间光调制器10、待测样品11，合束晶体12，图像传感器13和计算机14，激光器1出射端依次装配衰减器2和半波片3，激光器1的出射光束与衰减器2和半波片3元件垂直，半波片3的出射光束垂直入射偏振分束棱镜4，偏振分束棱镜4前方安装扩束准直器5，其出射光束以45°入射反射镜6，反射镜6下方装配分束晶体7，分束晶体7的左侧安装衰减器8，衰减器8左侧安装倾斜45°安装的反射镜9，分束晶体7的下方倾斜45°安装空间光调制器10，在空间光调制器10左侧放置待测样品11，在样品左侧平行放置合束晶体12，且合束晶体12与反射镜9的反射光束正交安装，在合束晶体12下方放置图像传感器13，图像传感器13与空间光调制器10均与计算机14相连。
激光器1的出射光通过衰减器2、半波片3和偏振分束棱镜4调整出射光束的偏振态和光强，出射光束经过扩束准直器5扩束为与待测物体观察范围相匹配的宽光束，经过反射镜6后利用分束棱镜7将光路分为两路：第一路是由反射镜9反射后入射合束晶体12的透射平面光波作为参考光波；第二路是由空间光调制器10的反射光束照射待测样品11，其透射光束经过合束晶体12反射后入射图像传感器13的光束作为物光波，物光波与参考光波形成的干涉图样由图像传感器13记录。
在计算机14的控制下，通过改变加载在空间光调制器10的相位信息加载不同的随机相位掩模板，每加载一次随机相位掩模板，控制图像传感器13记录一次全息图，连续自动获取多幅全息图，将所有全息图的再现像叠加，降低散斑噪声。
实验中使用中心波长为532nm单纵模激光光源，其输出光功率为300mw，采用的空间调制器的分辨率为1920×1080像素，像元尺寸为8μm×8μm的纯相位空间调制器，线性调制范围为0-2π。将毛玻璃贴在分辨率板之前，并将毛玻璃和分辨率板的组合作为具有高散斑特性的测试样品。利用虚拟仪器软件LabView对整个实验进行了自动化控制，实验过程中无需机械调整。记录全息图的CCD为4016×2672像素，像原尺寸9μm×9μm的CCD相机。图2是单幅散斑图样同其他随机相位调制的全息图的互相关系数，图2表明每幅全息图之间具有很好的独立性。将散斑图样不相关的多幅全息图分别进行再现，再将再现像进行叠加，即可大大降低再现像的散斑噪声。
Claims (7)
1.降低散斑噪声的全固态数字全息成像系统，包括全息图拍摄光路、空间光调制器（10）、待测样品（11）、图像传感器（13）和计算机（14），其特征在于：所述全息图拍摄光路中的参考光直接入射到所述图像传感器（13），所述全息图拍摄光路中的物光经过所述空间光调制器（10）、待测样品（11）后入射到所述图像传感器（13），图像传感器（13）与空间光调制器（10）均与所述计算机（14）相连，在计算机（14）提供的不同相位信息控制下，空间光调制器（10）加载不同的随机相位掩模板，每加载一次随机相位掩模板，控制图像传感器（13）记录一次全息图，连续自动获取多幅全息图，并将所有全息图的再现像叠加。
2.降低散斑噪声的全固态数字全息成像系统，其特征在于：所述全息图拍摄光路由激光器（1），衰减器（2），半波片（3），偏振分束棱镜（4），扩束准直器（5），反射镜（6），分束棱镜（7），衰减器（8），反射镜（9），合束晶体（12）组成，所述器件中，激光器（1）出射端依次装配衰减器（2）和半波片（3），激光器（1）的出射光束与衰减器（2）和半波片（3）元件垂直，半波片（3）的出射光束垂直入射偏振分束棱镜（4），偏振分束棱镜（4）前方安装扩束准直器（5），扩束准直器（5）的出射光束以45°入射反射镜（6），反射镜（6）下方装配分束晶体（7），分束晶体（7）的左侧安装衰减器（8），衰减器（8）左侧安装倾斜45°安装的反射镜（9），分束晶体（7）的下方倾斜45°安装所述空间光调制器（10），在空间光调制器（10）左侧放置所述待测样品（11），在样品左侧平行放置合束晶体（12），且合束晶体（12）与反射镜（9）的反射光束正交安装，在合束晶体（12）下方放置所述图像传感器（13）。
3.如权利要求2所述的降低散斑噪声的全固态数字全息成像系统，其特征在于：所述合束晶体（12）倾角可调，并使得入射到图像传感器（13）的所述参考光和物光有2°～5°范围的可调夹角。
4.如权利要求1-3中任一项所述的降低散斑噪声的全固态数字全息成像系统，其特征在于：所述空间光调制器（10）为纯相位反射式空间光调制器，且光束尺寸均大于待测样品（11）的检测区域。
5.如权利要求2或3所述的降低散斑噪声的全固态数字全息成像系统，其特征在于：所述激光器（1）采用单纵模激光光源，波长为532nm，输出光功率为300mw。
6.如权利要求1-3中任一项所述的降低散斑噪声的全固态数字全息成像系统，其特征在于：所述空间调制器（10）采用分辨率为1920×1080像素，像元尺寸为8μm×8μm的纯相位空间调制器，其线性调制范围为0-2π。
7.如权利要求1-3中任一项所述的降低散斑噪声的全固态数字全息成像系统，其特征在于：所述图像传感器（13）采用CCD为4016×2672像素，像原尺寸为9μm×9μm的CCD相机。
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