CN103728868A - 数字全息记录与再现一体化成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字全息记录与再现一体化成像系统，包括一种离轴菲涅尔数字全息记录单元和一种数字全息再现成像单元，其离轴菲涅尔数字全息记录光路的物光光路和参考光光路分别固定配置，形成平行组合式物光臂和参考光臂，物光臂上间距固定地配置有空间光调制器、宽带分光棱镜以及图像采集器，参考光臂中配置一个反射镜，参考光与物光形成一定夹角共同入射到图像采集器的记录靶面上并相互干涉形成全息图；所述数字全息再现成像单元对数字全息图自动执行数值重构成像处理并显示。

Description

数字全息记录与再现一体化成像系统

技术领域

本发明涉及数字全息成像系统，属于数字三维成像领域，尤其涉及数字全息记录与再现一体化成像系统。

背景技术

数字全息技术是一种新型的三维成像显示技术，基于光学全息术基本原理，采用光敏电子成像器件代替光学全息记录材料记录全息图。数字全息术的记录过程和再现过程皆涉及数字化过程：数字全息的记录过程，将经由光敏电子成像器件记录的全息图强度信息转变成数字信号存入计算机；数字全息的再现成像过程，利用计算机模拟参考光对全息图进行再现成像。离轴菲涅耳数字全息成像技术涉及物体信息记录过程和物体成像再现过程两部分。物体信息记录过程中，物光和参考光干涉后产生干涉条纹，被诸如电荷耦合器件（图像采集器图像采集器）的图像采集器件记录；物体成像再现过程中，通过计算机数值模拟所记录数字全息图的光学衍射过程，实现物体成像重构。数字全息的成像再现过程要求实验技术人员具有图像处理专业知识，而且再现参数的选取与记录光路相关，限制了数字全息术的成像检测应用以及在实验演示和实验教学中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数字全息记录与再现一体化成像系统，该系统的特点是，记录全息图的主要光学器件固定配置在光学导轨上，实现了记录光路参数的固定，保证了不同物体的数字全息图的记录参数均相同；数字全息图重构成像的再现参数的数值取决于记录光路中光学器件的配置位置和相互之间的距离，因此所述数字全息记录与再现一体化成像系统，可以在预设定再现参数后对数字全息再现成像单元进行系统封装，封装后的数字全息再现成像单元便可以自动执行数值重构成像和显示；特别是通过配置记录光路中主要光学器件位置，实现数值再现“零调整”的数字全息成像系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种数字全息记录与再现一体化成像系统，该系统包括数字全息记录模块、再现一体化成像模块两部分；数字全息记录模块为一种离轴菲涅尔数字全息记录单元；再现一体化成像模块为一种数字全息再现成像单元；数字全息记录单元用于记录数字全息图，然后经由数字全息再现成像单元对数字全息图进行重构处理，成像并通过图像显示模块显示出物体的三维图像。

数字全息记录与再现一体化成像系统的离轴菲涅尔数字全息记录单元模块，该模块包括激光器、衰减片、半波片a、带针孔滤波的扩束准直器、光阑、偏振分光棱镜、反射镜a、半波片b、空间光调制器、宽带分光棱镜、反射镜b、图像采集器、光学导轨a、光学导轨b、计算机。

激光器发射出的激光束，经过衰减片进行适当衰减并通过半波片a后，激光束进入扩束准直器，扩束准直后得到的平行光束入射到光阑上，光阑用于调节光斑尺寸；激光光束经光阑后入射到偏振分光棱镜上，被偏振分光棱镜分束为透射和反射两束平行光，其中透射光束称为物光束，反射光束称为参考光束；从偏振分光棱镜透射后的物光束经反射镜a反射，反射的物光束通过半波片b后入射到空间光调制器上，空间光调制器上加载物像信息后作为待测物体，也可以选用其他物体替换空间光调制器作为待测物体。透过空间光调制器带有物像信息的物光束入射到宽带分光棱镜；参考光束经过反射镜b反射后也入射到宽带分光棱镜上；通过宽带分光棱镜反射后，参考光束与物光束成一定夹角共同入射到图像采集器的记录靶面上，相互干涉形成全息图。

反射镜a、半波片b、空间光调制器、宽带分光棱镜以及图像采集器依次布置并固定于光学导轨a上，构成刚性的物光臂；反射镜a固定在光学导轨a的一端，使得偏振分光棱镜透射得到物光束能够入射到其上，并且经反射镜a反射后其光路保持水平；空间光调制器与宽带分光棱镜之间的间距为设定值；图像采集器固定在光学导轨a另一端，且空间光调制器与图像采集器之间的间距为设定值。

经偏振分光棱镜分光的参考光光束，经由反射镜b反射后，入射到宽带分光棱镜上；偏振分光棱镜、反射镜b固定在光学导轨b上，构成刚性的反射臂；所述参考光臂与物光臂平行组合，其平行距离可根据需求进行选择，构成马赫泽德干涉仪结构；设定物光臂和参考光臂中光学器件的安置参数，使得数字全息再现成像过程的再现参数可以取设定值。

所述的离轴菲涅尔数字全息记录光路的配置包括有快门、空间光调制器、图像采集器，并且由通用接口连接到计算机；快门用于进行曝光控制，所述快门通过四针航空插头线连接到电平转换电路，再采用并口连接线与计算机中数模转换芯片相连，对快门的开启和关闭状态进行控制；空间光调制器在所述记录光路中作为待记录物体；空间光调制器加载图像信息后用作待测物体，所述空间光调制器通过分频显示器连接于计算机，实现对空间光调制器的图像加载；图像采集器通过其配套数据线与计算机相连，用于记录所述光路产生的全息图，并将全息图的光强度信号转化为数字电信号，称为数字全息图，传至计算机中保存，完成数字全息图的记录过程。

所述图像显示模块可以对再现成像过程各步骤结果进行图像顺序显示，也可以对再现成像过程的选定步骤结果进行图像选择性显示；所述的图像显示模块和重构成像模块互为表里，重构成像模块完成对所采集的全息图进行数值重构计算，实现数值成像重构；图像显示模块通过输出图像数据，完成对再现成像所获得的图像的显示。

将图像采集器记录的数字全息图输入计算机，由所述重构成像模块按步骤进行图像处理；对数字全息图的重构成像过程步骤包括：S1从图像采集器输入数字全息图并进行图像优化截取；S2对优化截取后的全息图进行傅里叶变换；S3得到所述全息图的频谱图；S4对所述频谱图进行频谱滤波；S5提取+1级频谱；S6对所述+1级频谱进行逆傅里叶变换；S7得到记录平面复振幅分布；S8对记录平面复振幅分布图取绝对值；S9得到记录平面振幅图；S10输入再现距离；S11对记录平面复振幅分布图数值模拟其光波在自由空间的角谱法传播；S12得到观察平面复振幅分布图；S13对观察平面复振幅分布图取绝对值；S14得到观察平面振幅图；S15对观察平面复振幅图进行Angel函数处理提取相位；S16得到带有包裹相位的二维相位图；S17对带有包裹相位的二维相位图进行相位解包裹；S18得到具有真实相位的二维相位图；S19对真实相位的二维相位图进行三维相位重构；S20得到所记录物体的三维相位图。再现成像过程中依次得到频谱图、+1级频谱图S5、记录平面振幅图、观察平面振幅图、包裹相位图、二维相位图、以及三维相位图，所述图像数据可以演示出再现成像处理的成像演变过程。

所述的图像显示模块与重构成像模块通信连接，所述图像显示模块负责对重构成像模块处理得到的图像数据进行显示与保存；图像数据的显示方式可以按照用户需要进行选择，包括顺序显示和选择显示两种模式；所述顺序显示模式配置为，将所述重构成像模块处理得到的图像数据实时传输给图像显示模块，按步骤顺序显示出频谱图、+1级频谱图、记录平面振幅图、观察平面振幅图、包裹相位图、二维相位图、以及三维相位图；所述选择显示模式配置为，根据输入显示指令，将处理得到的、指定的图像数据传输给图像显示模块，用以输出显示选定步骤的图像。

根据本发明的数字全息记录与再现一体化成像系统，其数字全息图记录过程和再现成像过程在计算机控制下自动完成，在变换物体的情况下，对其数字全息图通过数值模拟成像重构后，仍可以分步显示出再现的图像。

在实施例中，可使用配套数据线为12针排线的空间光调制器，但不限定于使用此类型空间光调制器作为待记录物体，任何具有一定透光能力且具有一定的相位变化的物体，皆可作为待记录物体替换使用；所述空间光调制器通过12针排线与计算机相连，由配套软件将图像信息加载到空间光调制器，带有图像信息的空间光调制器作为待记录物体；通过改变加载的图像，实现变换待记录物体的目的。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

本发明对数字全息记录光路和数值再现成像过程进行最优简化配置，采用光学导轨的轴向固定光路配置，实现对主要再现参数的固定；进而，对数字全息成像过程实现“零调整”数值再现成像，有利于数字全息术在成像检测中应用及其实验演示和实验教学的开展；本发明的数字全息记录与再现一体化成像系统可形成仪器，在光学信息处理与成像技术相关的实验演示和实验教学平台上使用，提高实验演示和实验教学效果和效率，具有较强的推广及应用价值。

附图说明

图1是数字全息记录与再现一体化成像系统的离轴菲涅尔数字全息记录光路示意图。

图2是数字全息记录与再现一体化成像系统的重构成像模块流程图。

图中：1、激光器，2、衰减片，3、半波片，4、带针孔滤波的扩束准直器，5、光阑，6、偏振分光棱镜，7、反射镜，8、半波片，9、空间光调制器，10、宽带分光棱镜，11、反射镜，12、图像采集器，13、光学导轨，14、光学导轨，15、计算机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

数字全息记录与再现一体化成像系统，该系统包括数字全息记录模块、再现一体化成像模块两部分；数字全息记录模块为一种离轴菲涅尔数字全息记录单元；再现一体化成像模块为一种数字全息再现成像单元；数字全息记录单元用于记录数字全息图，然后经由数字全息再现成像单元对数字全息图进行重构处理，成像并通过图像显示模块显示出物体的三维图像。

如图1所示，数字全息记录与再现一体化成像系统的离轴菲涅尔数字全息记录单元模块，该模块包括激光器1、衰减片2、半波片a3、带针孔滤波的扩束准直器4、光阑5、偏振分光棱镜6、反射镜a7、半波片b8、空间光调制器9、宽带分光棱镜10、反射镜b11、图像采集器12、光学导轨a13、光学导轨b14、计算机15。

激光器1发射出的激光束，经过衰减片2进行适当衰减并通过半波片a3后，激光束进入扩束准直器4，扩束准直后得到的平行光束入射到光阑5上，光阑5用于调节光斑尺寸；激光光束经光阑5后入射到偏振分光棱镜6上，被偏振分光棱镜6分束为透射和反射两束平行光，其中透射光束称为物光束，反射光束称为参考光束；从偏振分光棱镜6透射后的物光束经反射镜a7反射，反射的物光束通过半波片b8后入射到空间光调制器9上，空间光调制器9上加载物像信息后作为待测物体，也可以选用其他物体替换空间光调制器作为待测物体。透过空间光调制器9带有物像信息的物光束入射到宽带分光棱镜10；参考光束经过反射镜b11反射后也入射到宽带分光棱镜10上；通过宽带分光棱镜10反射后，参考光束与物光束成一定夹角共同入射到图像采集器12的记录靶面上，相互干涉形成全息图。

反射镜a7、半波片b8、空间光调制器9、宽带分光棱镜10以及图像采集器12依次布置并固定于光学导轨a13上，构成刚性的物光臂；反射镜a7固定在光学导轨a13的一端，使得偏振分光棱镜6透射得到物光束能够入射到其上，并且经反射镜a7反射后其光路保持水平；空间光调制器9与宽带分光棱镜10之间的间距为设定值；图像采集器12固定在光学导轨a13另一端，且空间光调制器9与图像采集器12之间的间距为设定值。

经偏振分光棱镜6分光的参考光光束，经由反射镜b11反射后，入射到宽带分光棱镜10上；偏振分光棱镜6、反射镜b11固定在光学导轨b14上，构成刚性的反射臂；所述参考光臂与物光臂平行组合，其平行距离可根据需求进行选择，构成马赫泽德干涉仪结构；设定物光臂和参考光臂中光学器件的安置参数，使得数字全息再现成像过程的再现参数可以取设定值。

所述的离轴菲涅尔数字全息记录光路的配置包括有快门、空间光调制器9、图像采集器12，并且由通用接口连接到计算机15；快门用于进行曝光控制，所述快门通过四针航空插头线连接到电平转换电路，再采用并口连接线与计算机15中数模转换芯片相连，对快门的开启和关闭状态进行控制；空间光调制器9在所述记录光路中作为待记录物体；空间光调制器9加载图像信息后用作待测物体，所述空间光调制器9通过分频显示器连接于计算机15，实现对空间光调制器的图像加载；图像采集器12通过其配套数据线与计算机15相连，用于记录所述光路产生的全息图，并将全息图的光强度信号转化为数字电信号，称为数字全息图，传至计算机中保存，完成数字全息图的记录过程。

所述图像显示模块可以对再现成像过程各步骤结果进行图像顺序显示，也可以对再现成像过程的选定步骤结果进行图像选择性显示；所述的图像显示模块和重构成像模块互为表里，重构成像模块完成对所采集的全息图进行数值重构计算，实现数值成像重构；图像显示模块通过输出图像数据，完成对再现成像所获得的图像的显示。

将图像采集器12记录的数字全息图输入计算机15，由所述重构成像模块按步骤进行图像处理；如图2所示，对数字全息图的重构成像过程步骤包括：S1从图像采集器12输入数字全息图并进行图像优化截取；S2对优化截取后的全息图进行傅里叶变换；S3得到所述全息图的频谱图；S4对所述频谱图进行频谱滤波；S5提取+1级频谱；S6对所述+1级频谱进行逆傅里叶变换；S7得到记录平面复振幅分布；S8对记录平面复振幅分布图取绝对值；S9得到记录平面振幅图；S10输入再现距离；S11对记录平面复振幅分布图数值模拟其光波在自由空间的角谱法传播；S12得到观察平面复振幅分布图；S13对观察平面复振幅分布图取绝对值；S14得到观察平面振幅图；S15对观察平面复振幅图进行Angel函数处理提取相位；S16得到带有包裹相位的二维相位图；S17对带有包裹相位的二维相位图进行相位解包裹；S18得到具有真实相位的二维相位图；S19对真实相位的二维相位图进行三维相位重构；S20得到所记录物体的三维相位图。再现成像过程中依次得到频谱图、+1级频谱图S5、记录平面振幅图、观察平面振幅图、包裹相位图、二维相位图以及三维相位图，所述图像数据可以演示出再现成像处理的成像演变过程。

所述的图像显示模块与重构成像模块通信连接，所述图像显示模块负责对重构成像模块处理得到的图像数据进行显示与保存；图像数据的显示方式可以按照用户需要进行选择，包括顺序显示和选择显示两种模式；所述顺序显示模式配置为，将所述重构成像模块处理得到的图像数据实时传输给图像显示模块，按步骤顺序显示出频谱图、+1级频谱图、记录平面振幅图、观察平面振幅图、包裹相位图、二维相位图、以及三维相位图；所述选择显示模式配置为，根据输入显示指令，将处理得到的、指定的图像数据传输给图像显示模块，用以输出显示选定步骤的图像。

根据本发明的数字全息记录与再现一体化成像系统，其数字全息图记录过程和再现成像过程在计算机控制下自动完成，在变换物体的情况下，对其数字全息图通过数值模拟成像重构后，仍可以分步显示出再现的图像。

所述空间光调制器9通过12针排线与计算机15相连，由配套软件将图像信息加载到空间光调制器9，带有图像信息的空间光调制器9作为待记录物体；通过改变加载的图像，实现变换待记录物体的目的；可使用配套数据线为12针排线的空间光调制器9，但不限定于使用此类型空间光调制器作为待记录物体，任何具有一定透光能力且具有一定的相位变化的物体，皆可作为待记录物体替换使用。

本发明的数字全息记录与再现一体化成像系统，采用单臂固定及双臂组合光路配置结构，具有易于组装、稳定性好的特点，有利于面向数字全息成像检测应用以及实验演示和实验教学的用户使用。用户可独立操作完成数字全息成像实验或物体样品成像检测的全部实验过程。

Claims (5)

1.数字全息记录与再现一体化成像系统，其特征在于：该系统包括数字全息记录模块、再现一体化成像模块两部分；数字全息记录模块为一种离轴菲涅尔数字全息记录单元；再现一体化成像模块为一种数字全息再现成像单元；数字全息记录单元用于记录数字全息图，然后经由数字全息再现成像单元对数字全息图进行重构处理，成像并通过图像显示模块显示出物体的三维图像；

数字全息记录与再现一体化成像系统的离轴菲涅尔数字全息记录单元模块，该模块包括激光器（1）、衰减片（2）、半波片a（3）、带针孔滤波的扩束准直器（4）、光阑（5）、偏振分光棱镜（6）、反射镜a（7）、半波片b（8）、空间光调制器（9）、宽带分光棱镜（10）、反射镜b（11）、图像采集器（12）、光学导轨a（13）、光学导轨b（14）、计算机（15）；

激光器（1）发射出的激光束，经过衰减片（2）进行适当衰减并通过半波片a（3）后，激光束进入扩束准直器（4），扩束准直后得到的平行光束入射到光阑（5）上，光阑（5）用于调节光斑尺寸；激光光束经光阑（5）后入射到偏振分光棱镜（6）上，被偏振分光棱镜（6）分束为透射和反射两束平行光，其中透射光束称为物光束，反射光束称为参考光束；从偏振分光棱镜（6）透射后的物光束经反射镜a（7）反射，反射的物光束通过半波片b（8）后入射到空间光调制器（9）上，空间光调制器（9）上加载物像信息后作为待测物体，也可以选用其他物体替换空间光调制器作为待测物体；透过空间光调制器（9）带有物像信息的物光束入射到宽带分光棱镜（10）；参考光束经过反射镜b（11）反射后也入射到宽带分光棱镜（10）上；通过宽带分光棱镜（10）反射后，参考光束与物光束成一定夹角共同入射到图像采集器(12)的记录靶面上，相互干涉形成全息图;

反射镜a(7)、半波片b（8）、空间光调制器（9）、宽带分光棱镜（10）以及图像采集器（12）依次布置并固定于光学导轨a（13）上，构成刚性的物光臂；反射镜a（7）固定在光学导轨a（13）的一端，使得偏振分光棱镜（6）透射得到物光束能够入射到其上，并且经反射镜a（7）反射后其光路保持水平；空间光调制器（9）与宽带分光棱镜（10）之间的间距为设定值；图像采集器（12）固定在光学导轨a（13）另一端，且空间光调制器（9）与图像采集器（12）之间的间距为设定值；

经偏振分光棱镜（6）分光的参考光光束，经由反射镜b（11）反射后，入射到宽带分光棱镜（10）上；偏振分光棱镜（6）、反射镜b（11）固定在光学导轨b（14）上，构成刚性的反射臂；所述参考光臂与物光臂平行组合，其平行距离可根据需求进行选择，构成马赫泽德干涉仪结构；设定物光臂和参考光臂中光学器件的安置参数，使得数字全息再现成像过程的再现参数可以取设定值。

2.根据权利要求1所述的数字全息记录与再现一体化成像系统，其特征在于：离轴菲涅尔数字全息记录光路的配置包括有快门、空间光调制器（9）、图像采集器（12），并且由通用接口连接到计算机（15）；快门用于进行曝光控制，所述快门通过四针航空插头线连接到电平转换电路，再采用并口连接线与计算机（15）中数模转换芯片相连，对快门的开启和关闭状态进行控制；空间光调制器（9）在所述记录光路中作为待记录物体；空间光调制器（9）加载图像信息后用作待测物体，所述空间光调制器（9）通过分频显示器连接于计算机（15），实现对空间光调制器的图像加载；图像采集器（12）通过其配套数据线与计算机（15）相连，用于记录所述光路产生的全息图，并将全息图的光强度信号转化为数字电信号，称为数字全息图，传至计算机中保存，完成数字全息图的记录过程。

3.根据权利要求1或2所述的数字全息记录与再现一体化成像系统，其特征在于：图像显示模块可以对再现成像过程各步骤结果进行图像顺序显示，也可以对再现成像过程的选定步骤结果进行图像选择性显示；所述的图像显示模块和重构成像模块互为表里，重构成像模块完成对所采集的全息图进行数值重构计算，实现数值成像重构；图像显示模块通过输出图像数据，完成对再现成像所获得的图像的显示；

将图像采集器（12）记录的数字全息图输入计算机（15），由所述重构成像模块按步骤进行图像处理；

对数字全息图的重构成像过程步骤包括，S1从图像采集器（12）输入数字全息图并进行图像优化截取；S2对优化截取后的全息图进行傅里叶变换；S3得到所述全息图的频谱图；S4对所述频谱图进行频谱滤波；S5提取+1级频谱；S6对所述+1级频谱进行逆傅里叶变换；S7得到记录平面复振幅分布；S8对记录平面复振幅分布图取绝对值；S9得到记录平面振幅图；S10输入再现距离；S11对记录平面复振幅分布图数值模拟其光波在自由空间的角谱法传播；S12得到观察平面复振幅分布图；S13对观察平面复振幅分布图取绝对值；S14得到观察平面振幅图；S15对观察平面复振幅图进行Angel函数处理提取相位；S16得到带有包裹相位的二维相位图；S17对带有包裹相位的二维相位图进行相位解包裹；S18得到具有真实相位的二维相位图；S19对真实相位的二维相位图进行三维相位重构；S20得到所记录物体的三维相位图。再现成像过程中依次得到频谱图、+1级频谱图S5、记录平面振幅图、观察平面振幅图、包裹相位图、二维相位图以及三维相位图，所述图像数据可以演示出再现成像处理的成像演变过程。

4.根据权利要求1或2或3所述的数字全息记录与再现一体化成像系统，其特征在于：所述的图像显示模块与重构成像模块通信连接，所述图像显示模块负责对重构成像模块处理得到的图像数据进行显示与保存；图像数据的显示方式可以按照用户需要进行选择，包括顺序显示和选择显示两种模式；所述顺序显示模式配置为，将所述重构成像模块处理得到的图像数据实时传输给图像显示模块，按步骤顺序显示出频谱图、+1级频谱图、记录平面振幅图、观察平面振幅图、包裹相位图、二维相位图、以及三维相位图；所述选择显示模式配置为，根据输入显示指令，将处理得到的、指定的图像数据传输给图像显示模块，用以输出显示选定步骤的图像；

根据本发明的数字全息记录与再现一体化成像系统，其数字全息图记录过程和再现成像过程在计算机控制下自动完成，在变换物体的情况下，对其数字全息图通过数值模拟成像重构后，仍可以分步显示出再现的图像。

5.根据权利要求1或2所述的数字全息记录与再现一体化成像系统，其特征在于：所述空间光调制器（9）可通过12针排线与计算机（15）相连，由配套软件将图像信息加载到空间光调制器（9），带有图像信息的空间光调制器（9）作为待记录物体；通过改变加载的图像，实现变换待记录物体的目的；可使用配套数据线为12针排线的空间光调制器（9）。

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