CN103955126A - 基于相移干涉的数字全息图采集处理方法 - Google Patents

Abstract

一种基于相移干涉的数字全息图采集处理方法，包括如下步骤：搭建数字全息图采集平台；预先记录参考光强度；利用相机记录第一幅数字全息图；引入任意微相移，利用相机记录第二幅数字全息图；提取物体振幅信息；提取物体相位信息；对数字全息图进行再现与显示。本发明优点如下：采用同轴装置记录真实存在物体，相比离轴装置，记录条件宽松，记录带宽大；采用两步相移替代固定步长的多步参考光相移，其操作简便，对于记录装置稳定性要求宽松，便于搭建固定的采集系统；采用数值计算的方式代替物体光强的记录，降低了记录的复杂性，节省了成本；采用正交标准化算法，可准确提取干涉图的相位信息，能较好地兼顾图像质量和实时性。

Description

基于相移干涉的数字全息图采集处理方法

技术领域

本发明属于全息摄影技术领域，具体涉及一种数字全息技术中的相移干涉、数字处理等相关方法。

背景技术

数字全息Digital holography(DH)是采用电荷耦合器件记录和处理三维物体信息的技术。相对于光学全息，数字全息不需要光学干板记录和定影等复杂操作，并且由电荷耦合器件直接记录物体信息，为实时记录与再现真实的三维彩色物体提供了可能。

该技术现存在的主要问题，是关于如何降低或消除直流项和共轭像，从而提高再现像质量。本发明正是针对于解决此问题，参考文献1由美国科学家提出了一种利用两步正交相移干涉解决再现像质量的问题，称之为正交相移数字全息，本发明针对这种数字全息技术，对其进行改进，参考文献2是其中使用到数字处理的方法抑制数字全息再现像中的零级光斑。整体系统接近于参考文献3所述。

发明内容

术语：相移数字全息技术Phase-shiftingDigital Holography(PSDH)，数值抑制NumericalSuppression，相位提取Phase determination。

本发明的目的是提供一种新的混合优化方法，用以提高数字全息技术在采集和再现过程中图像质量的问题。

具体技术方案如下：

一种基于相移干涉的数字全息图采集处理方法，包括如下步骤：

1)搭建数字全息图采集平台；

2)预先记录参考光强度；

3)利用相机记录第一幅数字全息图；

4)引入任意微相移，利用相机记录第二幅数字全息图；

5)提取物体振幅信息；

6)提取物体相位信息；

7)对数字全息图进行再现与显示。

优选的：

步骤1)的做法是：建立基于马赫-曾德尔干涉仪的图像采集平台。

步骤2)的做法是：将相机放置在参考光光路的末端，记录参考光强度。

步骤3)的做法是：将相机放置在物光和参考光干涉后的末端，记录第一幅全息图。

步骤4)的做法是：调节参考光光路上的相移片，获得任意相移，重新按照步骤3)的方法记录第二幅全息图。

步骤5)的做法是：根据预先记录的参考光强度图和两幅数字全息图，采用数字处理方法提取物体振幅信息。

步骤6)的做法是：根据预先记录的参考光强度图和两幅数字全息图，采用正交归一化方法提取物体相位信息。

步骤7)的做法是：将获得的物体振幅和相位信息进行菲涅尔衍射，获得物体的再现图。

通过本发明所提供的方案，有效地将相移全息和数字处理方法引入数字全息技术中，其优点如下：(1)采用同轴装置记录真实存在物体，相比离轴装置，记录条件宽松，记录带宽大；(2)采用两步相移替代固定步长的多步参考光相移，其操作简便，对于记录装置稳定性要求宽松，便于搭建固定的采集系统；(3)采用数值计算的方式代替物体光强的记录，降低了记录的复杂性，节省了成本；(4)采用正交标准化算法，可准确提取干涉图的相位信息，能较好地兼顾图像质量和实时性。

附图说明

图1数字全息采集方法示意图

其中Syn：同步控制装置；CCD：电荷耦合器件；M：反射镜；Retarder：光延迟片；PBS：偏振分束镜；Object：被记录物体；Lens：准直透镜；BE，扩束镜；BS，分束镜；Filter：空间光滤波器；Laser：激光器。

图2被记录物体示意图

图3记录的参考光强度图、零相移数字全息图、任意微相移数字全息图

图4本方法提取所得振幅、相位和再现图

具体实施方式

本发明的具体实施方式如下：

1)搭建数字全息图采集平台；

搭建数字全息图采集平台，采用线偏振光源，将物光和参考光光程差调节到接近零，光轴与光学平台平面平行，物光与参考光之间的夹角为零，物光和参考光的光强比接近一比一。其中参考光光路上放置可调节的相移片，初始相移为零。采集平台如图1所示。其中经分束器BS往下偏折的光路表示物光光路，经BS直接透射的光路表示为参考光光路，Retarder表示为可调节光延迟片，其具体操作后续步骤会详细说明。实线的相机代表记录数字全息图时候的摆放位置，虚线的相机代表预先拍摄参考光强度时的相机位置，后续步骤会详细说明。

2)预先记录参考光强度；

布置好拍摄光路后，遮挡物光光路，将相机放置到参考光光路末端(如图1中虚线的CCD所示位置)，记录参考光光强I_R。

3)利用相机记录第一幅数字全息图；

选取物体或场景进行图像采集，采集平台与物体距离(即记录距离)须根据相机的解像度和物体尺寸计算得到最小值，以满足奈奎斯特采样定理。定义获得的第一幅数字全息图表达式为

其中，I₁表示相机采集得到的第一幅全息图的光强，表示采集该全息图时的参考光光强，其数值由I_R表示，表示物光光强，a_O表示物体的振幅信息，表示物体的相位信息。

4)引入任意微相移，同时利用相机记录第二幅数字全息图；

使用同步装置Syn调节参考光光路中的相移片，得到任意相移并同步触发CCD按照步骤3)中的方法记录第二幅数字全息图。定义获得的第二幅数字全息图表达式为

其中，I₂表示相机采集得到的第二幅全息图的光强。

5)提取物体振幅信息；

利用任意两步相移得到的两幅全息图，以及预先记录的参考光光强，可以计算到物光的光强对其开方即可得到物体的振幅信息a_O。部分推导过程参见参考文献2。

$a_O^2\≅\frac{{(I_1-I_R)}^2}{(I_1+I_R)}---\left(3\right)$

6)提取物体相位信息；

利用任意两步相移得到的两幅全息图，减去由步骤2)获得的参考光强度和步骤5)得到的物光强度，得到两幅减去直流分量的处理后的全息图。对这两幅处理后的全息图进行正交归一化操作，然后提取到物体的相位信息。具体操作过程如下所述。

由步骤2)记录得到的IR，步骤3)记录得到的I₁，步骤4)记录得到的I₂以及步骤5)计算得到的，可以得到通过数值方法去除零级亮斑后可得到的两个表达式。

为讨论方便将上式进一步改写为

I'₁＝acos(φ)          (6)

其中a＝2a_Ra_O，

对于两幅全息图I'₁和I'₂，对其进行Gram–Schmidt标准正交化，可以得到两个正交化的信号和首先对I'₁进行标准正交化，得

$\widetilde{I_1^{\′}}=\frac{a\cos \mathrm{\φ}}{{\mathrm{\κ}}_1}=\frac{a\cos \mathrm{\φ}}{\sqrt{\underset{x=1}{\overset{N_x}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N_y}{\mathrm{\Σ}}}{\left(a\cos \mathrm{\φ}\right)}^2}}---\left(8\right)$

其中κ₁表示信号的模值，N_x和N_y分别表示对应图像的行和列。

再对I'₂进行正交化，得到未归一化的信号

当全息图干涉条纹多于一条时，可以推导出下式

从而推导出如下近似

在此(9)式可改写为

将其除以自身模值κ₂，得到正交化的

$\widetilde{I_2^{\′}}=\frac{-a\sin \mathrm{\φ}}{{\mathrm{\κ}}_2}=\frac{-a\sin \mathrm{\φ}}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{x=1}^{N_x}{\mathrm{\Σ}}_{y=1}^{N_y}{\left(a\sin \mathrm{\φ}\right)}^2}}---\left(13\right)$

当全息图干涉条纹多于一条时，有

从而提取出全息图的相位信息

$\mathrm{\φ}=\arctan (-\frac{\widetilde{I_1^{\′}}}{\widetilde{I_2^{\′}}})---\left(14\right)$

7)对数字全息图进行再现与显示；

由(3)式计算得到物体振幅信息a_O，由(10)式计算得到物体相位信息φ，从而得到物体的复振幅表示形式为

O＝a_Oexp(jφ)          (15)

对得到的该复振幅O进行反向菲涅尔衍射即可恢复目标物体的原始光场。

实施实例

改进的基于相移干涉的数字全息实例如图2-4所示。图2为原始物体，图3为记录的依次为参考光强度、零相移数字全息图、任意相移数字全息图，图4依次为再现的物体振幅、再现物体相位、以及通过菲涅尔衍射得到的原始物体光场。

基于相移数字全息技术的成功实例表明，采用任意两步相移记录两张数字全息图，再引入数字处理的相关方法，就可实现对数字全息采集系统的优化。将需由两步固定相移以及四次拍摄减少到两步任意相移以及两次拍摄，通过数字处理的方法，达到简化系统，降低成本的目的，同时为实时记录与再现真实的物体提供可能。

参考文献

[1].Guo P,Devaney A J.Digital microscopy using phase-shifting digital holography with tworeference waves[J].Optics letters,29(8):857-859(2004).

[2].Chen G L,Lin C Y,Yau H F,et al.Wave-front reconstruction without twin-image blurring bytwo arbitrary step digital holograms[J].Optics express,15(18):11601-11607(2007).

[3].Nakamura T,Nitta K,Matoba O.Iterative algorithm of phase determination in digitalholography for real-time recording of real objects[J].Applied optics,46(28):6849-6853(2007).

Claims (8)

1.一种基于相移干涉的数字全息图采集处理方法，其特征是，包括如下步骤：

1)搭建数字全息图采集平台；

2)预先记录参考光强度；

3)利用相机记录第一幅数字全息图；

4)引入任意微相移，利用相机记录第二幅数字全息图；

5)提取物体振幅信息；

6)提取物体相位信息；

7)对数字全息图进行再现与显示。

2.如权利要求1所述的数字全息图采集处理方法，其特征是，步骤1)中，建立基于马赫-曾德尔干涉仪的图像采集平台。

3.如权利要求1所述的数字全息图采集处理方法，其特征是，步骤2)中，将相机放置在参考光光路的末端，记录参考光强度。

4.如权利要求1所述的数字全息图采集处理方法，其特征是，步骤3)中，将相机放置在物光和参考光干涉后的末端，记录第一幅全息图。

5.如权利要求1所述的数字全息图采集处理方法，其特征是，步骤4)中，调节参考光光路上的相移片，获得任意相移，重新按照步骤3)的方法记录第二幅全息图。

6.如权利要求1所述的数字全息图采集处理方法，其特征是，步骤5)中，根据预先记录的参考光强度图和两幅数字全息图，采用数字处理方法提取物体振幅信息。

7.如权利要求1所述的数字全息图采集处理方法，其特征是，步骤6)中，根据预先记录的参考光强度图和两幅数字全息图，采用正交归一化方法提取物体相位信息。

8.如权利要求1所述的数字全息图采集处理方法，其特征是，步骤7)中，将获得的物体振幅和相位信息进行菲涅尔衍射，获得物体的再现图。