CN104834201B - 双波长偏振复用数字全息成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
双波长偏振复用数字全息成像系统及方法，该系统包括一种双波长偏振复用数字全息记录单元和一种双波长偏振复用数字全息成像重构单元。一种双波长偏振复用数字全息记录单元包括双波长偏振复用数字全息记录光路和方法，所述的双波长偏振复用数字全息记录单元用于记录两个不同波长的数字全息图。一种双波长偏振复用数字全息成像重构单元包括双波长偏振复用数字全息成像重构流程和方法，配置所述的双波长偏振复用数字全息成像重构单元，用于对所记录的数字全息图进行衍射成像重构，实现原物体的真实相位信息的三维成像。
Description
技术领域
本发明涉及数字全息成像术，属于实时三维数字成像领域，更具体地说，本发明涉及一种双波长偏振复用数字全息成像系统及方法。
背景技术
数字全息术是一种在全息术基础上，采用诸如CCD或CMOS作为图像采集器代替全息记录材料(全息干板等)记录数字全息图，并将数字全息图保存于计算机中，通过数值模拟光的衍射传播过程，实现数字全息图的重构成像。数字全息术作为一种新型三维数字成像技术，其记录和重构成像过程皆涉及数字化过程。
离轴数字全息术的记录光路通常采用马赫泽德干涉仪系统，实现离轴数字全息图的记录。全息图记录过程中，物光和参考光成一定夹角照射到图像采集器的靶面上产生干涉条纹，将其记录下来就是离轴数字全息图。
双波长数字全息技术是采用两个不同的波长对物体进行数字全息成像的技术，其主要目的是克服单波长数字全息术对表面形貌复杂和具有较大起伏的物体再现能力差的问题。双波长数字全息术的特点在于，利用双波长记录的两幅全息图可以实现双波长相位解包裹。记录过程中，在特定的光路系统下，两个不同波长的物光束以相同角度照射同一待测物体，其后分别与对应波长的参考光在图像采集器靶面干涉，记录两幅分别对应不同波长的数字全息图。重构成像过程中，对两幅全息图分别进行单波长数字全息重构，获得待测物体对应两个不同波长的包裹相位图，其后将两幅包裹相位图直接相减，获得无包裹相位的合成波长相位图。由此，就可以实现双波长相位解包裹，并获得原物体的真实相位信息。
通常双波长数字全息光路中，两种不同波长激光的全息记录光路是分开的，即两个不同波长的全息图是分路记录的。因此，由于实际存在两个分光路所记录的全息图位置不一致问题，在数值重构时，需要手工进行截取位置修正和包裹相位调整，才能获得包含有准确信息的等效波长相位图。并且，需要针对单次记录的实验结果，进行多次调整才能获得较准确的待记录物体相位信息，难以实现实时重构成像。
发明内容
本发明目的在于提供一种利于实现实时三维成像的双波长偏振复用数字全息成像系统和方法，特别是通过配置双波长偏振复用数字全息记录单元，以及双波长偏振复用数字全息成像重构单元，利于实现对表面形貌复杂或具有较大起伏的待测物的实时三维重构成像。
本发明的一种双波长偏振复用数字全息成像系统和方法，包括一种双波长偏振复用数字全息记录单元和一种双波长偏振复用数字全息成像重构单元。一种双波长偏振复用数字全息记录单元包括双波长偏振复用数字全息记录光路和方法，所述的双波长偏振复用数字全息记录单元用于记录两个不同波长的数字全息图。一种双波长偏振复用数字全息成像重构单元包括双波长偏振复用数字全息成像重构流程和方法，配置所述的双波长偏振复用数字全息成像重构单元，用于对所记录的数字全息图进行衍射成像重构，实现原物体的真实相位信息的三维成像。
本发明的一种双波长偏振复用数字全息记录光路，其特征在于包括一种双波长正交偏振光合束光路，以及一种离轴双波长偏振复用传输记录光路。所述的双波长正交偏振光合束光路产生偏振态正交的两个不同波长的线偏振光束作为全息图记录光束，并被合束；所述的离轴双波长偏振复用传输记录光路由两个马赫泽德干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer)光路组成，两个不同波长的记录光束在第一个马赫泽德干涉仪光路中实现偏振复用共路传输，在第二个马赫泽德干涉仪光路中通过偏振筛选分离两个不同波长干涉光，由诸如CCD或者CMOS光电耦合器作为图像采集器同时记录两幅对应不同波长的全息图，实现实时双波长数字全息图记录。所述的离轴双波长记录光路所记录的数字全息图为菲涅尔数字全息图(Fresnel Hologram)。
本发明的双波长偏振复用数字全息记录光路，包括由第一激光器、第一分光棱镜、第一半波片，第二激光器、第二半波片、偏振分光棱镜、第一反射镜、扩束准直器、光阑，配置成一种双波长正交偏振光合束光路；以及，由第二分光棱镜、第二反射镜、第三反射镜、第三分光棱镜、第四分光棱镜、第四反射镜、第一偏振片、第五反射镜、第二偏振片、第五分光棱镜、图像采集器，配置成一种离轴双波长偏振复用传输记录光路。从所述双波长正交偏振光合束光路出射的光束，接着入射进入所述离轴双波长偏振复用传输记录光路。
所述的双波长正交偏振光合束光路，其特征在于第一激光器发出波长为λ1的第一波长光束，经第一分光棱镜反射后，依次透过第一半波片、偏振分光棱镜，形成p偏振光；第二激光器发出波长为λ2的第二波长光束，透过第二半波片并经偏振分光棱镜反射后，形成s偏振光；所述p偏振第一波长记录光束与所述s偏振第二波长记录光束通过偏振分光棱镜后合束在一起同方向传输，形成偏振复用合束光，入射到第一反射镜被其反射后，依次通过扩束准直器和光阑，扩束准直器对偏振复用合束光进行扩束准直，光阑调节光束截面尺寸。
所述的离轴双波长偏振复用传输记录光路，由第一马赫泽德干涉仪共路传输光路和第二马赫泽德干涉仪偏振筛选光路组成，从所述第一马赫泽德干涉仪共路传输光路出射的光束，接着入射进入所述第二马赫泽德干涉仪偏振筛选光路。所述的第一马赫泽德干涉仪共路传输光路包括第二分光棱镜、第二反射镜、第三反射镜和第三分光棱镜，其中第二分光棱镜、第二反射镜和第三分光棱镜构成参考臂，第二分光棱镜、第三反射镜和第三分光棱镜构成物臂。所述偏振复用合光束入射到第二分光棱镜上并被分束为反射光和透射光，其中反射光束称为参考光束，透射光束称为物光束；所述参考光束经第二反射镜反射后，入射到第三分光棱镜并被其透射，所述物光束经第三反射镜反射后，照射待测物体后加载上物信息，然后入射到第三分光棱镜并被反射通过，所述的物光束与参考光束通过第三分光棱镜形成一定夹角(即离轴干涉角)。接着，所述成一定夹角的物光束和参考光束入射进入第二马赫泽德干涉仪偏振筛选光路，所述第二马赫泽德干涉仪偏振筛选光路由第四分光棱镜、第四反射镜、第一偏振片、第五反射镜、第二偏振片、第五分光棱镜组成，第一偏振片允许p偏振光通过，第二偏振片允许s偏振光通过。具体包括：第四分光棱镜用于将所述物光束和参考光束分束为两束物光和两束参考光，接着第四反射镜将其中一束物光和一束参考光反射到第一偏振片上，所述第一偏振片允许该束物光中的p偏振第一波长物光和该束参考光中的p偏振第一波长参考光透过并阻断其中的s偏振第二波长物光和s偏振第二波长参考光，第五反射镜将其中另一束物光和另一束参考光反射到第二偏振片上，所述第二偏振片允许该束物光中的s偏振第二波长物光和该束参考光中的s偏振第二波长参考光透过并阻断其中的p偏振第一波长物光和p偏振第一波长参考光；透过第一偏振片的所述p偏振第一波长物光和p偏振第一波长参考光透射通过第五分光棱镜后，在图像采集器的记录靶面干涉，得到对应于波长λ1的第一全息图，透过第二偏振片的所述s偏振第二波长物光和s偏振第二波长参考光由第五分光棱镜反射后，在图像采集器的记录靶面干涉，得到对应于波长λ2的第二全息图。
所述双波长偏振复用数字全息记录光路配置有图像采集器，所述图像采集器采用通用接口通过图像采集卡连接到计算机，将图像采集器的记录靶面上的第一全息图和第二全息图送到计算机中保存，完成数字全息图像的记录，得到第一数字全息图和第二数字全息图。
所述的一种离轴双波长偏振复用传输记录光路，其特征在于p偏振第一波长记录光束和s偏振第二波长记录光束在所述第一马赫泽德干涉仪共路传输光路中偏振复用共路传输，即p偏振第一波长物光和s偏振第二波长物光在所述第一个马赫泽德干涉仪光路的物臂上共路传输，以及p偏振第一波长参考光和s偏振第二波长参考光在所述第一个马赫泽德干涉仪光路的参考臂上共路传输。
所述的一种离轴双波长偏振复用传输记录光路，其特征在于所述第二马赫泽德干涉仪偏振筛选光路的反射臂配置第一偏振片和透射臂配置第二偏振片，所述第一偏振片允许p偏振光通过并阻断s偏振光不能通过，所述第二偏振片允许s偏振光通过并阻断p偏振光不能通过。
本发明的一种双波长偏振复用数字全息记录方法，第一激光器发出的第一波长光束经第一分光棱镜反射后照射到第一半波片上，通过第一分光棱镜的光束偏振态不改变，调节第一半波片，使得第一波长光束通过第一半波片后形成p偏振光，即p偏振第一波长光束，并入射到偏振分光棱镜上；第二激光器发出的第二波长光束照射通过第二半波片，再由偏振分光棱镜反射后形成s偏振光，即s偏振第二波长光束；通过调节第二半波片可以改变经偏振分光棱镜反射后得到的s偏振第二波长光束的光强，并由此调整了p偏振第一波长光束与s偏振第二波长光束的束比。所述p偏振第一波长光束与所述s偏振第二波长光束通过偏振分光棱镜后合束成为偏振复用合束光，入射到第一反射镜上并被其反射，然后进入扩束准直器，被扩束准直后入射到光阑上，由光阑调节其光束截面尺寸。通过上述步骤，两个不同波长光束的偏振态被调整为p偏振和s偏振并被合束在一起，成为偏振复用合光束。接着，所述的偏振复用合光束进入由第二分光棱镜、第二反射镜、第三反射镜、第三分光棱镜构成的第一马赫泽德干涉仪共路传输光路中进行偏振复用共路传输，具体包括：偏振复用合光束入射到第二分光棱镜上并被分束为反射光和透射光，其中反射光束称为参考光束，透射光束称为物光束，所述参考光束经第二反射镜反射后，入射进入第三分光棱镜并被其透射，所述物光束经由第三反射镜反射后，照射待测物体后加载上物信息，待测物体可以是透射式物体或者是反射式物体，然后入射到第三分光棱镜并反射通过，所述物光束与所述参考光束通过第三分光棱镜后形成一定夹角(即离轴干涉角)。通过第三分光棱镜透射的所述物光束与反射的所述参考光束进入由第四分光棱镜、第四反射镜、第一偏振片、第五反射镜、第二偏振片、第五分光棱镜构成的第二马赫泽德干涉仪偏振筛选光路，通过调节第一偏振片使得允许p偏振光透射通过并阻断s偏振光透射通过，通过调节第二偏振片使得允许s偏振光透射通过并阻断p偏振光透射通过，因此通过第一偏振片和第二偏振片的偏振筛选可以分离出两组不同波长的物光和参考光，入射到图像采集器的记录靶面干涉。具体包括：形成一定夹角的所述物光束和参考光束入射进入第四分光棱镜并分别被分束为两束物光和两束参考光，其一束物光和一束参考光由第四反射镜反射后入射到第一偏振片上，该束物光中p偏振第一波长物光和该束参考光中p偏振第一波长参考光透射通过所述第一偏振片，而该束物光中s偏振第二波长物光和该束参考光中s偏振第二波长参考光被所述第一偏振片阻断不能透射通过，经第一偏振片筛选透过的所述p偏振第一波长物光和p偏振第一波长参考光，称为第一波长干涉物光和参考光，接着透射通过第五分光棱镜后，入射到图像采集器的记录靶面上干涉，形成第一干涉图，也称为第一全息图；其另一束物光和另一束参考光由第五反射镜反射后入射到第二偏振片上，该束物光中s偏振第二波长物光和该束参考光中s偏振第二波长参考光透射通过所述第二偏振片，而该束物光中p偏振第一波长物光和该束参考光中p偏振第一波长参考光被所述第二偏振片阻断不能透射通过，经第二偏振片筛选透过的所述s偏振第二波长物光和s偏振第二波长参考光，称为第二波长干涉物光和参考光，接着入射到第五分光棱镜并被其反射后，入射到图像采集器的记录靶面上干涉，形成第二干涉图，也称为第二全息图；所述第一全息图和第二全息图被图像采集器记录并被保存到通过图像采集卡与其连接的计算机中，得到第一数字全息图和第二数字全息图。所述第一数字全息图对应于波长λ1，所述第二数字全息图对应于波长λ2，这样完成了双波长数字全息图像的记录。
所述第一数字全息图与所述第二数字全息图是在图像采集器记录靶面上相邻区域同时记录的，也可以在图像采集器记录靶面上同一区域分时记录。通过调整所述第五分光棱镜在光路中位置，即让其沿着第二马赫泽德干涉仪光路两个臂的任一臂方向移动，调节所述第一波长干涉光与所述第二波长干涉光在分光棱镜上分开或者重合，这样就可以实现第一数字全息图与第二数字全息图是在图像采集器记录靶面上相邻区域同时记录，或者在图像采集器记录靶面上同一区域分时记录。
本发明的一种双波长偏振复用数字全息记录方法，其特征在于p偏振第一波长记录光束和s偏振第二波长记录光束在所述第一个马赫泽德干涉仪光路中偏振复用共路传输，即p偏振第一波长物光和s偏振第二波长物光在所述第一个马赫泽德干涉仪光路的物臂上共路传输，以及p偏振第一波长参考光和s偏振第二波长参考光在所述第一个马赫泽德干涉仪光路的参考臂上共路传输。
本发明的一种双波长偏振复用数字全息记录方法，其特征在于所述第二个马赫泽德干涉仪光路的两个臂分别配置第一偏振片和第二偏振片，由所述第一偏振片选择p偏振第一波长物光和p偏振第一波长参考光通过，干涉形成第一全息图，由所述第二偏振片选择s偏振第二波长物光和s偏振第二波长参考光通过，干涉形成第二全息图。
本发明的一种双波长偏振共路数字全息成像重构单元，对双波长偏振复用记录的第一数字全息图和第二数字全息图进行数值重构成像，其流程包括：S1输入第一数字全息图和第二数字全息图并分别进行数字图像截取；S2对截取的所述第一数字全息图和第二数字全息图分别进行傅里叶变换；S3分别得到所述两幅数字全息图的频谱图，第一频谱图和第二频谱图；S4进行双波长频谱滤波，分别得到第一频谱图和第二频谱图的+1级频谱；S5对第一频谱图的+1级频谱和第二频谱图的+1级频谱分别进行傅里叶逆变换，即第一傅里叶逆变换和第二傅里叶逆变换；S6对傅里叶逆变换后得到的复振幅数据分别进行Angel角函数处理，即第一Angel函数处理和第二Angel函数处理；S7分别得到所述第一数字全息图和所述第二数字全息图的包裹相位图，即第一包裹相位图和第二包裹相位图；S8对所述两幅包裹相位图进行双波长相位解包裹处理；S9得到等效波长相位图；S10对等效波长相位图进行双波长相位拟合去畸变，去除成像系统带来的相位畸变；S11获得待测物体的真实相位图。
所述的双波长频谱滤波进一步包括：S4-1输入所述第一频谱图；S4-2对第一频谱图进行+1级频谱滤波；S4-3得到第一频谱图的+1级频谱分布；S4-4输入所述第二频谱图；S4-5利用不同波长全息图的+1级频谱分布关系以及第一频谱图的+1级频谱分布，计算第二频谱图的+1级频谱；S4-6得到第二频谱图的+1级频谱分布。
所述双波长相位拟合去畸变，其特征在于先得到等效波长相位图，再直接对所述等效波长相位图进行相位拟合去畸变。
本发明的一种双波长偏振共路数字全息成像重构方法，用于对双波长偏振复用记录的数字全息图进行成像重构操作，以获得待测物体的相位信息重构成像。具体包括：步骤S1从计算机中输入由图像采集器20记录并保存在计算机中的一幅第一数字全息图和一幅第二数字全息图，分别对所述第一数字全息图和所述第二数字全息图进行数字图像截取，数字图像截取方式可以采用圆形或者矩形或者其他形状截取；对截取后的所述第一数字全息图和第二数字全息图分别进行步骤S2傅里叶变换后，分别得到步骤S3对应于所述第一数字全息图的第一频谱图和第二数字全息图的第二频谱图，所述步骤S3先是得到数字全息图的角谱图，经由提取绝对值后，即可获得数字全息图的频谱图；进行步骤S4双波长频谱滤波，得到第一频谱图+1级频谱和第二频谱图+1级频谱，对第一频谱图+1级频谱和第二频谱图+1级频谱分别进行步骤S5傅里叶逆变换，得到第一频谱图+1级频谱的第一复振幅分布和第二频谱图+1级频谱的第二复振幅分布，接着步骤S6利用Angel函数对所述第一和第二复振幅分布分别进行处理，步骤S7分别得到所述第一数字全息图的第一包裹相位图和所述第二数字全息图的第二包裹相位图；接着，对所述两幅包裹相位图进行步骤S8双波长相位解包裹处理，包括第一包裹相位图与第二包裹相位图相减并进行相位补偿，然后步骤S9得到等效波长相位图，对所述等效波长相位图进行步骤S10双波长相位拟合去畸变，包括先对所述等效波长相位图进行曲面拟合，得到所述等效波长相位图的拟合曲面，然后将所述曲面拟合曲面从所述等效波长相位图减去，就可以去除掉成像系统带来的相位畸变，并得到步骤S11待测物体的真实相位图。
所述双波长频谱滤波是针对双波长偏振复用数字全息成像的频谱滤波方法，其特征在于根据不同波长全息图+1级频谱分布关系，采用+1级频谱滤波，实现对于所述离轴双波长偏振复用数字全息记录光路所记录的两幅数字全息图的+1级频谱的提取。具体包括：步骤S4-1输入第一频谱图后，步骤S4-2对第一频谱图滤波进行其+1级频谱提取，该实施例中所用的+1级频谱提取方式为最大值扫描法，即为扫描频谱域中除了0级频谱以外的最大值点，并认为该点为+1级频谱的中心点，+1级频谱提取方式采用最大值扫描法但不限定于该方法；由步骤S4-3得到提取出的第一频谱图+1级频谱，同时步骤S4-4输入第二频谱图，步骤S4-5利用所述第一频谱图+1级频谱和所述第二频谱图，以及不同波长全息图的+1级频谱分布关系，提取所述第二频谱图的+1级频谱，在步骤S4-6得到第二频谱图+1级频谱。
所述的不同波长全息图的+1级频谱分布关系，其特征在于基于离轴双波长偏振复用记录光路的共路传输配置，满足以下公式
其中，波长λ1是第一数字全息图的记录波长，波长λ2是第二数字全息图的记录波长，d1为第一频谱图+1级频谱中心点到其整个频谱域中心点的距离，d2为第二频谱图+1级频谱中心点到其整个频谱域中心点的距离。当已知两个频谱图对应的波长和其中一个波长的频谱图中心点位置时，即可借助该关系式获得另一波长+1级频谱中心点的位置。
综上，本发明的一种双波长偏振复用数字全息成像系统和方法的特点是，采用双波长偏振复用数字全息记录单元和一种双波长偏振复用数字全息成像重构单元。双波长偏振复用数字全息记录单元用于记录两个不同波长的数字全息图；所述的双波长偏振复用数字全息成像重构单元对记录的数字全息图进行衍射成像重构，实现原物体的真实相位信息的三维成像。尤其是，两个不同波长光束调节为具有相互正交偏振态并将两个光束合束后，入射到所配置的离轴双波长数字全息偏振复用记录光路中共路传输，在数字全息图记录前，利用偏振片筛选分离出两对不同波长的物光和参考光，同时记录两幅数字全息图；采用双波长频谱滤波和双波长相位拟合去畸变，实现双波长偏振复用数字全息重构成像。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
本发明的一种双波长偏振复用数字全息成像系统的有益效果是，采用一种离轴双波长偏振复用传输记录光路并配置具有双波长频谱滤波和双波长相位拟合去畸变的数字全息重构成像单元，具有光路结构简单、易于小型化的特点，尤其是共路传输光路配置能有效提高成像重构速度和去畸变效果，减少了人为调整，有利于实现实时、高分辨率的双波长相位成像。本发明的双波长偏振复用数字全息成像系统可进一步集成为用于生物医学细胞检测的实时三维成像仪器，具有较强的推广及应用价值。
附图说明
图1为本发明的双波长偏振复用数字全息记录光路透射型示意图。
图2为本发明的双波长偏振复用数字全息记录光路反射型示意图。
图3为本发明的双波长偏振复用数字全息成像重构流程图。
图4为根据本发明的双波长频谱滤波流程图。
图中：1、第一激光器，2、第二激光器，3、第一分光棱镜，4、第一半波片，5、第二半波片，6、偏振分光棱镜，7、第一反射镜，8、扩束准直器，9、光阑，10、第二分光棱镜，11、第二反射镜，12、第三反射镜，13、第三分光棱镜，14、第四分光棱镜，15、第四反射镜，16、第一偏振片，17、第五反射镜，18、第二偏振片，19、第五分光棱镜，20、图像采集器，21、待测物体。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的双波长偏振复用数字全息成像系统和方法的典型实施例。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
根据本发明的双波长偏振复用数字全息成像系统的第一典型实施例的双波长偏振复用数字全息记录单元，其双波长偏振复用数字全息记录光路是透射型光路。如图1所示，包括：第一激光器1使用波长为671nm的红光激光光源，第二激光器2使用波长为656nm的红光光源。第一激光器1发出的第一波长光束经分光棱镜3反射后照射到半波片4上，通过分光棱镜3的光束偏振态不改变，调节半波片4，使得第一波长光束通过半波片4后形成p偏振光，即p偏振第一波长光束，并入射到偏振分光棱镜6上；第二激光器2发出的第二波长光束照射通过第二半波片5，再由偏振分光棱镜6反射后形成s偏振光，即s偏振第二波长光束；通过调节半波片5可以改变经偏振分光棱镜6反射后得到的s偏振第二波长光束的光强，并由此调整了p偏振第一波长光束与s偏振第二波长光束的束比。所述p偏振第一波长光束与所述s偏振第二波长光束通过偏振分光棱镜6后合束为偏振复用合束光，入射到第一反射镜7上并被其反射，然后进入扩束准直器8，扩束准直后入射到光阑9上，由光阑9调节其光束截面尺寸。通过上述步骤，两个不同波长光束的偏振态被调整为p偏振和s偏振并形成合束光，即成为偏振复用合光束，进入后续第一马赫泽德干涉仪光路进行共路传输；以及，第一马赫泽德干涉仪光路由第二分光棱镜10、第二反射镜11、第三反射镜12、第三分光棱镜13构成，偏振复用合光束在该光路中进行共路传输，具体包括：偏振复用合光束入射到第二分光棱镜10上并被分束为反射光和透射光，其中反射光束称为参考光束，透射光束称为物光束，所述参考光束经第二反射镜11反射后，入射到第三分光棱镜13并被其透射，所述物光束经由第三反射镜12反射后，入射到透射型待测物体21并被透射后加载上物信息，入射到第三分光棱镜13并被其反射，所述物光束与所述参考光束通过第三分光棱镜13后形成一定夹角(即离轴干涉角)继续传输。所述物光束与所述参考光束进入第二马赫泽德干涉仪偏振筛选光路，通过偏振筛选分离出两组不同波长的物光和参考光，入射到图像采集器20的记录靶面干涉。具体包括：第二马赫泽德干涉仪光路由第四分光棱镜14、第四反射镜15、第一偏振片16、第五反射镜17、第二偏振片18、第五分光棱镜19构成，调节第一偏振片16，使得允许p偏振光透射通过并阻断s偏振光透射通过，调节第二偏振片18，使得允许s偏振光透射通过并阻断p偏振光透射通过；形成一定夹角的所述物光束和参考光束入射进入第四宽带分光棱镜14并分别被分束为两束物光和两束参考光，其一束物光和一束参考光由第四反射镜15反射后入射到第一偏振片16上，所述第一偏振片16允许该束物光中p偏振第一波长物光和该束参考光中p偏振第一波长参考光透射通过并阻断该束物光中s偏振第二波长物光和该束参考光中s偏振第二波长参考光透射通过；由第一偏振片16筛选透过的所述p偏振第一波长物光和p偏振第一波长参考光，称为第一波长干涉光，透射通过第五分光棱镜19后，入射到图像采集器20的记录靶面上干涉，形成第一干涉图，并被图像采集器20记录得到对应于波长λ1的第一数字全息图，由第二偏振片18筛选透过的所述s偏振第二波长物光和s偏振第二波长参考光，称为第二波长干涉光，由第五分光棱镜19反射后，入射到图像采集器20的记录靶面上干涉，形成第二干涉图，并被图像采集器20记录得到对应于波长λ2的第二数字全息图。
根据本发明的双波长偏振复用数字全息成像系统的第二典型实施例的双波长偏振复用数字全息记录单元，其双波长偏振复用数字全息记录光路是反射型光路。如图2所示，包括：第一激光器1使用波长为671nm的红光激光光源，第二激光器2使用波长为656nm的红光光源。第一激光器1发出的第一波长光束经第一分光棱镜3反射后照射到第一半波片4上，通过第一分光棱镜3的光束偏振态不改变，调节第一半波片4，使得第一波长光束通过第一半波片4后形成p偏振光，即p偏振第一波长光束，并入射到偏振分光棱镜6上；第二激光器2发出的第二波长光束照射通过第二半波片5，再由偏振分光棱镜6反射后形成s偏振光，即s偏振第二波长光束；通过调节第二半波片5可以改变经偏振分光棱镜6反射后得到的s偏振第二波长光束的光强，并由此调整了p偏振第一波长光束与s偏振第二波长光束的束比。所述p偏振第一波长光束与所述s偏振第二波长光束通过偏振分光棱镜6后合束为偏振复用合束光，入射到第一反射镜7上并被其反射，然后进入扩束准直器8，扩束准直后入射到光阑9上，由光阑9调节其光束截面尺寸。通过上述步骤，两个不同波长光束的偏振态被调整为p偏振和s偏振并形成合束光，即成为偏振复用合光束，进入后续第一马赫泽德干涉仪光路进行共路传输；以及，第一马赫泽德干涉仪光路由第二分光棱镜10、第二反射镜11、第三反射镜12、第三分光棱镜13构成，偏振复用合光束在该光路中进行共路传输，具体包括：偏振复用合光束入射到第二分光棱镜10上并被分束为反射光和透射光，其中反射光束称为参考光束，透射光束称为物光束，所述参考光束经第二反射镜11反射后，入射到第三分光棱镜13并被其透射，所述物光束通过第三反射镜12反射后，经分第三分光棱镜13透射，入射到反射型待测物体21上并被其反射后加载上物信息，然后通过第三分光棱镜13反射，所述物光束与所述参考光束通过第三分光棱镜13后形成一定夹角(即离轴干涉角)继续传输，入射到第四分光棱镜14。所述物光束与所述参考光束进入第二马赫泽德干涉仪偏振筛选光路，通过偏振筛选分离出两组不同波长的物光和参考光，入射到图像采集器20的记录靶面干涉。具体包括：第二马赫泽德干涉仪光路由第四分光棱镜14、第四反射镜15、第一偏振片16、第五反射镜17、第二偏振片18、第五分光棱镜19构成，调节第一偏振片16，使得允许p偏振光透射通过并阻断s偏振光透射通过，调节第二偏振片18，使得允许s偏振光透射通过并阻断p偏振光透射通过；形成一定夹角的所述物光束和参考光束入射进入第四宽带分光棱镜14并分别被分束为两束物光和两束参考光，其一束物光和一束参考光由第四反射镜15反射后入射到第一偏振片16上，所述第一偏振片16允许该束物光中p偏振第一波长物光和该束参考光中p偏振第一波长参考光透射通过并阻断该束物光中s偏振第二波长物光和该束参考光中s偏振第二波长参考光透射通过；由第一偏振片16筛选透过的所述p偏振第一波长物光和p偏振第一波长参考光，称为第一波长干涉光，透射通过第五分光棱镜19后，入射到图像采集器20的记录靶面上干涉，形成第一干涉图，并被图像采集器20记录得到对应于波长λ1的第一数字全息图，由第二偏振片18筛选透过的所述s偏振第二波长物光和s偏振第二波长参考光，称为第二波长干涉光，由第五分光棱镜19反射后，入射到图像采集器20的记录靶面上干涉，形成第二干涉图，并被图像采集器20记录得到对应于波长λ2的第二数字全息图。
根据本发明的双波长偏振复用数字全息成像系统的第一典型实施例和第二典型实施例的所述第一数字全息图与第二数字全息图，是在图像采集器20记录靶面上相邻区域同时记录的，也可以在图像采集器20记录靶面上同一区域分时记录。通过调整所述第五分光棱镜19在光路中位置，即让其沿着第二马赫泽德干涉仪光路两个臂的任一臂方向移动，调节所述第一波长干涉光与所述第二波长干涉光在第五分光棱镜19上分开或者重合，这样就可以实现第一数字全息图与第二数字全息图是在图像采集器20记录靶面上相邻区域同时记录，或者在图像采集器20记录靶面上同一区域分时记录。
根据本发明的双波长偏振复用数字全息成像系统的第一典型实施例和第二典型实施例的所述图像采集器20，采用通用接口通过图像采集卡连接到计算机，将图像采集器20记录靶面上的第一干涉图和第二干涉图送到计算机中保存，完成数字全息图像的记录，即得到第一数字全息图和第二数字全息图。
根据本发明的双波长偏振复用数字全息成像系统的第一典型实施例和第二典型实施例的一种双波长偏振复用数字全息成像重构单元，用于对双波长偏振复用记录的第一数字全息图和第二数字全息图进行数值重构成像。如图3所示，其流程包括：S1输入第一数字全息图和第二数字全息图并分别进行数字图像截取；S2对截取的所述第一数字全息图和第二数字全息图分别进行傅里叶变换；S3分别得到所述两幅数字全息图的频谱图，第一频谱图和第二频谱图；S4进行双波长频谱滤波，分别得到第一频谱图和第二频谱图的+1级频谱；S5对第一频谱图的+1级频谱和第二频谱图的+1级频谱分别进行傅里叶逆变换，即第一傅里叶逆变换和第二傅里叶逆变换；S6对傅里叶逆变换后得到的复振幅数据分别进行Angel角函数处理，即第一Angel函数处理和第二Angel函数处理；S7分别得到所述第一数字全息图和所述第二数字全息图的包裹相位图，即第一包裹相位图和第二包裹相位图；S8对所述两幅包裹相位图进行双波长相位解包裹处理；S9得到等效波长相位图；S10对等效波长相位图进行双波长相位拟合去畸变，去除成像系统带来的相位畸变；S11获得待测物体的真实相位图。
进一步，如图4所示，所述的双波长频谱滤波S4进一步包括步骤：S4-1输入所述第一频谱图；S4-2对第一频谱图进行+1级频谱滤波；S4-3得到第一频谱图的+1级频谱分布；S4-4输入所述第二频谱图；S4-5给出不同波长全息图的+1级频谱分布关系，利用第一频谱图的+1级频谱分布，计算第二频谱图的+1级频谱；S4-6得到第二频谱图的+1级频谱分布。
根据本发明的双波长偏振复用数字全息成像系统的第一典型实施例和第二典型实施例的一种双波长偏振复用数字全息成像重构方法，用于对双波长偏振复用记录的数字全息图进行成像重构操作，以获得待测物体的相位信息重构成像，具体包括：步骤S1从计算机中输入由图像采集器20记录并保存在计算机中的一幅第一数字全息图和一幅第二数字全息图，分别对所述第一数字全息图和所述第二数字全息图进行数字图像截取，数字图像截取方式可以采用圆形或者矩形或者其他形状截取；步骤S2对截取后的所述第一数字全息图和第二数字全息图分别进行傅里叶变换后，步骤S3分别得到对应于所述两幅数字全息图的第一频谱图和第二频谱图；由步骤S4进行双波长频谱滤波，得到第一频谱图+1级频谱和第二频谱图+1级频谱，步骤S5对第一频谱图+1级频谱和第二频谱图+1级频谱分别进行傅里叶逆变换，得到第一频谱图+1级频谱的第一复振幅分布和第二频谱图+1级频谱的第二复振幅分布，接着步骤S6利用Angel函数对所述第一和第二复振幅分布分别进行处理，步骤S7分别得到所述第一数字全息图的第一包裹相位图和所述第二数字全息图的第二包裹相位图；接着，步骤S8对所述两幅包裹相位图进行双波长相位解包裹处理，包括第一包裹相位图与第二包裹相位图相减以及进行相位补偿，然后在步骤S9得到等效波长相位图，对所述等效波长相位图进行步骤S10双波长相位拟合去畸变，包括先对所述等效波长相位图进行曲面拟合，得到所述等效波长相位图的拟合曲面，然后将所述曲面拟合曲面从所述等效波长相位图减去，就可以去除掉成像系统带来的相位畸变，并得到步骤S11待测物体的真实相位图。
所述双波长频谱滤波是针对双波长偏振复用数字全息成像的频谱滤波方法，包括：步骤S4-1输入第一频谱图后，步骤S4-2对第一频谱图滤波进行其+1级频谱提取，该实施例中所用的+1级频谱提取方式为最大值扫描法，即为扫描频谱域中除了0级频谱以外的最大值点，并认为该点为+1级频谱的中心点，+1级频谱提取方式采用最大值扫描法但不限定于该方法；由步骤S4-3得到提取出的第一频谱图+1级频谱，同时步骤S4-4输入第二频谱图，由步骤S4-5利用所述第一频谱图+1级频谱和所述第二频谱图，以及不同波长全息图的+1级频谱分布满足的所述公式(1)，提取所述第二频谱图的+1级频谱，在步骤S4-6得到第二频谱图+1级频谱。
根据本发明的实施例中所述数字图像截取方式以圆形截取区域给出，但不限于圆形截取，采用其它形状截取区域也属于本发明范围。根据本发明的实施例中，偏振筛选得到的所述第一干涉物光束和参考光束及所述第二干涉物光束和参考光束在图像采集器记录靶面上两个不重叠的相邻区域分别干涉形成干涉图，但不限于此，采用所述第一干涉物光束和参考光束及所述第二干涉物光束和参考光束在图像采集器记录靶面上同一区域或者部分重叠区域干涉形成干涉图也属于本发明范围。
在实施例中，使用671nm和656nm的红光光源进行双波长数字全息记录，但不限定于使用这个两个波长的激光，任何满足双波长数字全息记录要求的光源，皆可作为该系统的双波长光源使用，属于本发明范围。本发明的一种双波长偏振复用数字全息成像系统和方法，采用双波长偏振复用共路传输光路以及具有双波长频谱滤波和双波长相位拟合去畸变的数字全息重构成像单元，具有光路结构简单、易于小型化和实用化的特点，尤其是双波长偏振复用共路传输配置能有效提高成像重构速度和去畸变效果，减少了人为调整，有利于实现实时、高分辨率的双波长相位成像，可以进一步集成为生物医学细胞检测的实时三维成像仪器，具有较强的推广及应用价值。
尽管参考特定实施例详细描述了本发明，在此描述的本发明实施例的意图不是详尽的或者局限于所公开的具体形式。相反，所选的用于说明问题的实施例是为了使本技术领域内的技术人员实施本发明而选择的。在不脱离下面的权利要求所描述和限定的本发明的实质范围的情况下，存在变型例和修改例。
Claims (1)
1.双波长偏振复用数字全息成像系统，其特征在于：双波长偏振复用数字全息记录单元，其双波长偏振复用数字全息记录光路是透射型光路；包括第一激光器(1)发出波长为λ1的第一波长光束，第二激光器(2)发出波长为λ2的第二波长光束；第一激光器(1)发出的第一波长光束经分光棱镜(3)反射后照射到半波片(4)上，通过分光棱镜(3)的光束偏振态不改变，调节半波片(4)，使得第一波长光束通过半波片(4)后形成p偏振光，即p偏振第一波长光束，并入射到偏振分光棱镜(6)上；第二激光器(2)发出的第二波长光束照射通过第二半波片(5)，再由偏振分光棱镜(6)反射后形成s偏振光，即s偏振第二波长光束；通过调节第二半波片(5)改变经偏振分光棱镜(6)反射后得到的s偏振第二波长光束的光强，并由此调整了p偏振第一波长光束与s偏振第二波长光束的束比；所述p偏振第一波长光束与所述s偏振第二波长光束通过偏振分光棱镜(6)后合束为偏振复用合束光，入射到第一反射镜(7)上并被其反射，然后进入扩束准直器(8)，扩束准直后入射到光阑(9)上，由光阑(9)调节其光束截面尺寸；通过上述步骤，两个不同波长光束的偏振态被调整为p偏振和s偏振并形成合束光，即成为偏振复用合光束，进入后续第一马赫泽德干涉仪共路传输光路进行共路传输；以及，第一马赫泽德干涉仪共路传输光路由第二分光棱镜(10)、第二反射镜(11)、第三反射镜(12)、第三分光棱镜(13)构成，偏振复用合光束在该光路中进行共路传输，具体包括：偏振复用合光束入射到第二分光棱镜(10)上并被分束为反射光和透射光，其中反射光束称为参考光束，透射光束称为物光束；所述参考光束经第二反射镜(11)反射后，入射到第三分光棱镜(13)并被其透射，所述物光束经由第三反射镜(12)反射，入射到透射型待测物体(21)并被透射后加载上物信息，然后入射到第三分光棱镜(13)并被其反射，所述物光束与所述参考光束通过第三分光棱镜(13)后形成夹角继续传输；所述物光束与所述参考光束进入第二马赫泽德干涉仪偏振筛选光路，通过偏振筛选分离出两组不同波长的物光和参考光，入射到图像采集器(20)的记录靶面干涉；具体包括：第二马赫泽德干涉仪偏振筛选光路由第四分光棱镜(14)、第四反射镜(15)、第一偏振片(16)、第五反射镜(17)、第二偏振片(18)、第五分光棱镜(19)构成，调节第一偏振片(16)，使得允许p偏振光透射通过并阻断s偏振光透射通过，调节第二偏振片(18)，使得允许s偏振光透射通过并阻断p偏振光透射通过；形成一定夹角的所述物光束和参考光束入射进入第四宽带分光棱镜(14)并分别被分束为两束物光和两束参考光，其一束物光和一束参考光由第四反射镜(15)反射后入射到第一偏振片(16)上，所述第一偏振片(16)允许该束物光中p偏振第一波长物光和该束参考光中p偏振第一波长参考光透射通过并阻断该束物光中s偏振第二波长物光和该束参考光中s偏振第二波长参考光透射通过；由第一偏振片(16)筛选透过的所述p偏振第一波长物光和p偏振第一波长参考光，称为第一波长干涉光，透射通过第五分光棱镜(19)后，入射到图像采集器(20)的记录靶面上干涉，形成第一干涉图，并被图像采集器(20)记录得到对应于波长λ1的第一数字全息图，由第二偏振片(18)筛选透过的所述s偏振第二波长物光和s偏振第二波长参考光，称为第二波长干涉光，由第五分光棱镜(19)反射后，入射到图像采集器(20)的记录靶面上干涉，形成第二干涉图，并被图像采集器(20)记录得到对应于波长λ2的第二数字全息图；
p偏振第一波长物光和s偏振第二波长物光在所述第一马赫泽德干涉仪光路的物臂上共路传输，以及p偏振第一波长参考光和s偏振第二波长参考光在所述第一马赫泽德干涉仪光路的参考臂上共路传输；
所述第二马赫泽德干涉仪偏振筛选光路的两个臂分别配置有第一偏振片(16)和第二偏振片(18)；所述第一偏振片(16)允许p偏振光通过并阻断s偏振光不能通过，所述第二偏振片(18)允许s偏振光通过并阻断p偏振光不能通过；
所述图像采集器(20)，采用通用接口通过图像采集卡连接到计算机，将图像采集器(20)记录靶面上的第一干涉图和第二干涉图送到计算机中保存，完成数字全息图像的记录，即得到第一数字全息图和第二数字全息图；所述第一数字全息图与第二数字全息图，是在图像采集器(20)记录靶面上相邻区域同时记录的，或在图像采集器(20)记录靶面上同一区域分时记录；通过调整所述第五分光棱镜(19)在光路中位置，即让其沿着第二马赫泽德干涉仪光路两个臂的任一臂方向移动，调节所述第一波长干涉光与所述第二波长干涉光在第五分光棱镜(19)上分开或者重合，实现第一数字全息图与第二数字全息图是在图像采集器(20)记录靶面上相邻区域同时记录，或者在图像采集器(20)记录靶面上同一区域分时记录。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |