CN104049516B - 一种真彩色相移数字全息物光重建及色差校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真彩色相移数字全息物光重建及色差校正方法，选用三种波长的色光，分别经过一套针孔滤波准直系统使每一种色光成为平行色光；每种平行色光经过反射镜与合束器后，投射到分束器上，分为物光和参考光；参考光经PZT和合束器反射后到达记录面，物光经另一块反射镜反射后，经过物平面上物体的透射，经合束器后到达记录面上与参考光干涉形成干涉图；将记录得到的各色光干涉图分别用于两步广义相移数字全息相移值抽取算法抽取各自的相移值，根据抽取的相移值和对应的光强度进行物光恢复，得到记录面上的物光后，再对各色光分别进行距离为z的逆菲涅尔变换，然后对三种色光叠加，进一步得到原始物面上的原物像。

Description

一种真彩色相移数字全息物光重建及色差校正方法

技术领域

本发明属于相移数字全息技术领域，涉及一种真彩色相移数字全息物光重建及色差校正方法。

背景技术

在相移数字全息领域，国内外研究多集中在相移干涉技术的算法研究和误差分析校正方面，相应的物光恢复也常常仅考虑物光的相位。传统相移技术采用定步长算法和等步长相移算法直接利用公式恢复物光的相位，繁琐的定标过程与对相移器精度的高度依赖限制了该技术的发展。相移数字全息的国内研究相对较晚，但发展较快，尤其是在算法研究方面。

现有技术方案:

⑴Kakue等利用空间相移方法从同一幅干涉图中每四个像素分区作为各相移干涉图，实现了单次记录相移数字全息。

⑵Zhang利用定步长算法实现了标准四步相移全息的连续记录与再现。

1、Kakue等利用空间相移方法从同一幅干涉图中每四个像素分区作为各相移干涉图，实现了单次记录相移数字全息。但该分区方法大大降低了CCD芯片的有效像素数，从而严重限制了成像数值孔径和分辨率，且各分区之间的光强相位相互干扰，都会影响成像质量，所以难以得到高质量的实验结果。

2、Zhang利用定步长算法实现了标准四步相移全息的连续记录与再现。其实验装置中使用了价格较昂贵的相移器件PZT，且对其性能要求较高。由于采集的干涉图较多，相移器高速机械运动时极易产生误差，其需要记录和处理的信息流量也大，物光再现质量受到影响。

3、现有文献报道的单次曝光彩色数字全息技术，不但受到CCD分辨率低的限制和零级项共轭像的干扰，成像质量不理想，而且因为多波长记录再现造成抽样大小和成像距离的不同，各色彩的像形成串扰，造成像质下降，且单CCD对多波长的记录也会造成强度记录的干扰。

4、现有的相移值抽取算法抽取的相移值只能在0-2π之间，大于2π时则无能为力。最后，再现物光相位的快速解包也是实现实时全息立体再现的障碍。

发明内容

本发明的目的在提供一种真彩色相移数字全息物光重建及色差校正方法，解决了现有的全息物光重建及色差校正方法过程繁琐以及对相移器精度高度依赖的问题。

本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：

步骤1：选用三种波长的色光，632.8纳米波长的红光、532纳米波长的绿光和422纳米波长的蓝光，分别经过一套针孔滤波准直系统使每一种色光成为平行色光；

步骤2：使用快门选择三种色光，当选择一种色光后，关闭其他两种色光的快门；

步骤3：每种平行色光经过反射镜与合束器后，投射到分束器上，被分束器分成两束，分别做为物光和参考光；

步骤4：参考光经PZT和合束器反射后到达记录面，物光经另一块反射镜反射后，经过物平面上物体的透射，经合束器后到达记录面上与参考光干涉形成干涉图；

步骤5：将记录得到的各色光干涉图分别用于两步广义相移数字全息相移值抽取算法抽取各自的相移值，根据抽取的相移值和对应的光强度进行物光恢复，得到记录面上的物光后，再对各色光分别进行距离为z的逆菲涅尔变换，然后对三种色光叠加，进一步得到原始物面上的原物像；

进一步，所述对三种色光叠加过程为，融合三种色光需要三种色光视场相同，像素大小和数目也相同，假设三种色光的波长比系数为：

利用这一系数对像素大小和像素数进行裁剪能够满足各色光融合的要求，将三种色光叠加，获得真彩色物像。

附图说明

图1是本发明彩色相移数字全息光路系统图。

图中，101.第一针孔滤波准直系统，102.第二针孔滤波准直系统，103.第三针孔滤波准直系统，201.第一快门，202.第二快门，203.第三快门，204.第四快门，205.第五快门，301.第一反射镜，302.第二反射镜，303.第三反射镜，304.第四反射镜，401.第一合束器，402.第二合束器，403.第三合束器，5.分束器，6.PZT，7.记录面，8.物平面，9.计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示为彩色相移数字全息光路系统图。

一、彩色相移数字全息图的记录与还原：

彩色相移数字全息采用三种波长的光源(632.8纳米波长的红光、532纳米的绿光和422纳米的蓝光)记录和再现。对每种波长的光分别记录相应干涉图、物光、参考光强度图，抽取相移值后，恢复单色物光像，最后对不同色光像调整合成彩色像。

1.1真彩色相移数字全息的记录：

选用三种波长的色光，632.8纳米波长的激光红光、532纳米波长的激光绿光和422纳米波长的激光蓝光，分别经过第一针孔滤波准直系统101，第二针孔滤波准直系统102和第三针孔滤波准直系统103使每一种色光成为平行色光；使用第一快门201、第二快门202和第三快门203选择三种色光，当选择其中一种色光后，关闭其他两种色光的快门；422纳米波长的激光经第一反射镜301、第一合束器401投射到分束器5上，532纳米波长的激光经第二反射镜302、第一合束器401投射到分束器5上，632.8纳米波长的激光经第三反射镜303、第二合束器402投射到分束器5上，分别被分束器5分成两束，分别做为物光和参考光；物光和参考光分别受第四快门204和第五快门205控制，参考光经PZT6和第三合束器403反射后到达记录面7，(即CCD芯片表面，记录面PH)，物光经第四反射镜304反射后，经过物平面8(原始物面PO)上物体的透射，经第三合束器403后到达记录面7上与参考光干涉形成干涉图；

用记录面7的CCD光电转换设备获得物光、参考光和干涉图的电信号，通过计算机9分析出每种色光的物光、参考光和两幅干涉图的光强度。对应红、绿、蓝三种色光的强度可分别记为：Ior、Irr、I1r、I2r，Iog、Irg、I1g、I2g，Iob、Irb、I1b、I2b，下标中字母r,g,b分别表示红光、绿光和蓝光。记录过程中对应的三个参考光相位变化即相移值分别设为αr，αg，αb。

1.2相移值的抽取：

将记录得到的各色光干涉图分别用于两步广义相移数字全息相移值抽取算法抽取各自的相移值。

在式中和后面的表达式里，t分别取r、g、b，对应红光，绿光和蓝光。三个相移值取值范围在0-π之间，其值可以为0-π之间的任意数值。

1.3物光再现：

在记录面上，分别把公式(1)抽取的相移值和对应的强度图带入物光恢复公式：

i表示虚数单位，得到记录面上的物光后，再对各色光分别进行距离为z的逆菲涅尔变换，进一步得到原始物面上的原物像。此时，与离轴数字全息不同的是，各色光的原物像都聚焦在同一原始物面上，有利于真彩色全息的再现。

二、色差的形成与校正：

使用记录面上的物光重建原始物面上的物光时，逆菲涅尔变换对振幅型物体的再现具有较好的效果.在计算过程中，要按照抽样定理对记录面和原始物面进行抽样，满足以下关系

式中ΔxIt,ΔyIt为各波长在原始物面上的抽样间隔，ΔxH,ΔyH是记录面的抽样像素尺寸，M,N代表记录面与物面的像素数，z_I是物面与记录面之间的距离，λt是与各物光对应的波长。对于同一个CCD，不同波长物光，像素大小ΔxH、ΔyH与像素数M、N是不变的。物面上的抽样间隔ΔxIt、ΔyIt与波长成正比：红光的间隔最大，绿光次之，蓝光最小。这样会造成不同色光再现物光视场不同：红光的视场最大，绿光次之，蓝光最小。如果调整图像大小，使三色光视场大小相等，则三色光像素大小不等，一种色光像的像素的一部分会对应到另一种色光的其他像素，形成色串扰，三种色光像不能融合。融合三种色光需要三种色光视场相同，像素大小和数目也相同。假设三种色光的波长比系数为

利用这一系数对像素大小和像素数进行裁剪能够满足各色光融合的要求，将三种色光叠加，获得真彩色物像。

λ_r λ_b λ_g分别表示全息记录时使用的红光、蓝光和绿光的波长。裁剪时，既要保证像的像素数相同，也要保证像素大小相同。三种色光成像时时，由于红光波长大，视场尺寸大，对整个视场来说像素数相同，范围大小相同的成像区域像素数不同。显然红光的像素数少，每个像素的尺寸大。如果让各种色光的整个视场的尺寸都相同，则红光的像尺寸最小，因为像素数少。此时，使用差值方法将长波长(如红光)的色光像用公式(4)增加像素数(保持像素的大小不变)，就可以是三种色光的像的像素数和像素尺寸都相同。但差值后可能视场尺寸不同，将整个视场的像素数剪切成同样大小即可。

本发明中：

(1)成本低实用性强的相移器设计与制作。需要理论分析，实验设计新型相移器，来和CCD记录的频率协调一致，保证相移器稳定快速的变换参考光的相位。

(2)连续多波长物光记录与恢复的算法(动态)设计。物光的快速正确，为了保证物光能够被完整地记录下来，要求合理配置各种波长的激光对应干涉图的强度。恢复时需要算法的恢复速度满足连续播放的时间要求。

(3)多幅干涉图恢复物光的融合，各色光强度与光通量的统一协调以及再现视频的播放管理。

(4)数据处理，图像处理与相位解包。压低噪声，减小误差既是提高物光恢复精度的要求，也是恢复物光进行解包的前提条件。在解包前，通过各种滤波技术和数据处理技术对物光噪声和误差进行处理。物光相位解包时，还需要对所有干涉图进行综合。

(5)合适的介质进行动态三维视频的显示与播放。

本发明具有如下优点：

(1)广义相移数字全息干涉术的应用取消了常规相移干涉术中必须使用特殊值及相等相移的苛刻限制，使得可以采用任意未知相移并精确盲取相移值，大大简化操作，提高精度。

(2)动态实时进行广义相移数字全息的记录与处理是该项目的特色与创新之一，也是进一步推广相移数字全息应用的关键技术。

(3)采用三种颜色的激光分别记录全息图，各套干涉图单独重建物光后再融合，以获得理想的清晰的精确的彩色全息立体像是该项目的另一创新。

(4)由与三种波长相对应的三套干涉图分别抽取相移，能够抽取大于2π的相移值。再结合所有波长的干涉图进行相位快速解包也是本项目的特色与创新。

Claims (1)

1.一种真彩色相移数字全息物光重建及色差校正方法，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤1：选用三种波长的色光，632.8纳米波长的红光、532纳米波长的绿光和422纳米波长的蓝光，分别经过针孔滤波准直系统使每一种色光成为平行色光；

步骤2：使用快门选择三种色光，当选择一种色光后，关闭其他两种色光的快门；

步骤3：每种平行色光经过反射镜与合束器后，投射到分束器上，被分束器分成两束，分别做为物光和参考光；

步骤4：参考光经PZT和合束器反射后到达记录面，物光经另一块反射镜反射后，经过物平面上物体的透射，经合束器后到达记录面上与参考光干涉形成干涉图；

步骤5：将记录得到的各色光干涉图分别用两步广义相移数字全息相移值抽取算法抽取各自的相移值；

步骤6：在记录面上，分别把抽取的相移值和对应的强度图代入物光恢复公式，得到记录面上的物光后，再对各色光分别进行距离为z的逆菲涅尔变换，进一步得到原始物面上的三种颜色的原物像；

步骤7：对步骤6得到的三种颜色的原物像进行色差校正，校正时首先需要对各色光像的像素大小进行调整，依据公式(1)计算出像素调整系数k₁和k₂，

$k_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_r}{{\mathrm{\λ}}_b},k_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_g}{{\mathrm{\λ}}_b},---\left(1\right)$

λ_r、λ_b、λ_g分别表示全息记录时使用的红光、蓝光和绿光的波长；

再根据这两个系数，分别对红光和绿光的图像进行插值运算，减小红光和绿光像的像素尺寸，使它们的尺寸与蓝光像的像素尺寸相同；调整后仍然存在红光和绿光视场大的问题，再对其边缘部分进行裁剪，使三种色光的整个视场的像素数也相同；

步骤8：将三种色光的原物像进行叠加融合，得到彩色像。