CN105116705A - 多波长自适应数字全息成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

波长自适应数字全息成像系统及方法涉及数字全息成像领域。可调谐多波长激光器出射的激光经扩束准直器扩束后，由光阑调整光斑大小后，光束照射到第一分光棱镜处；光束由第一分光棱镜分为两束光束，透射和反射光束；由第一分光棱镜、第一反射镜和第二分光棱镜构成马赫泽德干涉仪结构的物臂，由第一分光棱镜、第二反射镜和第二分光棱镜构成马赫泽德干涉仪结构的参考臂；方法主要包括：波长关联识别，判断所记录全息图的记录光源波长；单波长数字全息相位重构，通过单波长数值重构获取单波长数字全息图的相位信息；进行多组双波长数值重构，获得等效波长相位信息。本发明有利于对深度信息分布范围未知的待测物体实现准确的多波长数字全息成像探测。

Description

多波长自适应数字全息成像系统及方法

技术领域

本发明涉及数字全息成像术，属于三维数字成像领域，更具体地说，本发明涉及一种多波长可调谐的自适应数字全息成像系统及方法。

背景技术

数字全息术作为一种新型三维数字成像技术，其记录和重构成像皆涉及数字化过程。相对于使用全息干板进行波前记录的传统全息术，数字全息使用光电耦合器件(CMOS或CCD)进行波前记录，使用计算机数值模拟衍射传播过程进行波前重构，进而获得待记录物体真实的三维形貌信息。

离轴数字全息术是一种为了解决孪生像问题而提出的全息术，其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，不依靠由物体直接透射的光作为参考光波，而是引入另一光束作为参考光，参考光与物光成一定夹角传播，而不是共线传播。由图像采集器记录所形成的干涉条纹，就得到离轴数字全息图。

数字全息频谱滤波术特指于离轴数字全息术波前信息数值重构过程中，对经由傅里叶变换获得的频谱图进行有效信息提取的过程。其目的在于，从全息图频谱中滤除孪生项，提取出正一级频谱信息。

多波长数字全息术是为了扩展数字全息成像探测范围而提出的一种新型数字全息成像术，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。常见的多波长数字全息术为双波长数字全息和三波长数字全息，但不仅限于双波长和三波长情况。多波长数字全息术图像重构特点是将单波长数值重构所获得的不同波长的相位图两两相减并相位补偿，进而获得等效波长相位图，以此实现多波长波前重构。

由于数字全息成像技术的有效成像探测深度受限于所使用的记录波长，故对于未知深度信息的待测物体，无法快速确定其适用的记录波长，需要进行第三方检测(表面轮廓仪、原子力显微镜等)来确定其深度信息分布范围后，方可选定记录波长，进行数字全息波前重构。

CCD或CMOS图像采集器是由高感光度的半导体材料制成、能实现光信号向电信号转化的图像采集设备，此类设备可以采集到照射于其靶面的图像，但是无法识别所记录图像的照明光源波长。

发明内容

本发明目的在于提供一种多波长自适应数字全息成像系统和方法，特别是通过一种离轴数字全息图频谱扫描法识别所记录全息图的记录光波长，以及使用波长可调谐激光光源进行多波长数字全息成像的系统，有利于对深度信息分布范围未知的待测物体实现准确的多波长数字全息成像探测。

一种多波长自适应数字全息成像系统，其特征在于包括：多波可调谐激光器1、扩束准直器2、光阑3、第一分光棱镜4、第一反射镜5、第二反射镜6、第二分光棱镜7、待测物体8、图像采集器9以及计算机10，其中第一分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜和第二分光棱镜构成马赫泽德干涉仪光路，由第一分光棱镜、第一反射镜和第二分光棱镜构成马赫泽德干涉仪结构的物臂，由第一分光棱镜、第二反射镜和第二分光棱镜构成马赫泽德干涉仪结构的参考臂；

可调谐多波长激光器1出射的激光经扩束准直器2扩束后，照射到光阑3上，经由光阑3调整光斑大小后，该光束照射到第一分光棱镜4处；光束由第一分光棱镜4分为两束光束，其中透射光束为物光光束，反射光束为参考光光束；待测物体放置于第一反射镜和第二分光棱镜之间或者放置在第一反射镜和第二分光棱镜的延长线上。

应用所述系统的方法，其特征在于依次包括：首先经由S1输入全息图导入单波长数字全息图，其后进行S2波长关联识别获得对应单波长数字全息图的记录波长，然后将S1导入的单波长全息图和S3输出全息图记录波长一同导入S4单波长数字全息相位重构，最终获得S5单波长相位图；完成一次完整的单波长数字全息图数值重构后，进行S6判断过程，判断是否完成了经由多波长数字全息记录单元记录的所有单波长全息图的数值重构，若未完成则返回S1步骤，若完成则将所有单波长相位图导入S7多波长自适应相位重构中，进行多波长相位重构和自适应筛选，实现S8多波长相位图获取。

进一步，S2波长关联识别包括6个步骤：S2-1傅里叶变换，对全息图进行傅里叶变换，获取其频谱分布信息；S2-2获得全息图的频谱图，用于获得并输出全息图的频谱图；S2-3零级频谱区域判定，用于在频谱域中判定划分出零级频谱的区域，并在之后S2-4正一级频谱扫描中，不再对所述的零级频谱区域进行扫描；S2-4正一级频谱区域扫描，用于扫描分析零级频谱区域之外的正一级频谱区域；S2-5获得正一级频谱中心点位置；S2-6记录波长判定，用于在S2-5获得正一级频谱中心点位置后，根据频谱域波长分布关系进行记录波长判断，计算得出记录波长值。

进一步，S4单波长数字全息相位重构包括5个步骤：S4-1傅里叶变换，获得各全息图的频谱图；由S4-2频谱滤波，提取各频谱图中正一级频谱信息；由S4-3傅里叶逆变换，将正一级频谱还原为记录平面复振幅分布；由S4-4角谱自由空间传播，使用输入的各全息图记录波长值，数值计算光波在自由空间中的传播，得到观察平面上的复振幅分布；然后，进行S4-5Angle角函数处理，利用Angle角函数处理获得单波长相位图。

进一步，S7多波长自适应相位重构包括以下步骤：S7-1等效波长合成，使用两个波长进行等效波长合成；S7-2获得等效波长，得到等效波长值，并保存合成该等效波长的两个单波长值；S7-3双波长相位重构，使用合成所述等效波长的两个波长对应的单波长相位图进行相减，数值重构等效波长相位图；在S7-4等效波长相位图，获得等效波长相位图信息，转化为人眼可识别的黑白图像并显示；S7-5包裹相位判定，判别所述的等效波长相位图中是否包含包裹相位，若含有包裹相位，则返回S7-1等效波长合成，重新选取两个波长合成一个新的等效波长，并进行相应的双波长相位重构，若不含有包裹相位，则将所述等效波长相位图输出，该所述等效波长相位图即是待测物体的重建相位图。

更为详细的：

一种多波长数字全息记录单元，配置为采用马赫泽德干涉仪结构的离轴菲涅尔数字全息记录光路，使用不同波长激光记录多幅数字全息图。多波长数字全息记录单元对同一待测物体记录其对应于不同波长记录光的数字全息图，之后使用所述波长关联识别模块对这些不同波长记录的数字全息图进行波长关联识别，其后使用所述单波长数字全息相位重构模块获得对应每个波长的相位图，然后使用多波长自适应相位重构模块筛选合适波长的数字全息图进行双波长相位重构，最终得到待测物体的准确相位信息分布。

所述多波长数字全息记录单元，配置为一种离轴菲涅尔数字全息记录光路，该光路使用马赫泽德干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer)光路结构和波长可调谐激光器产生不同波长的数字全息图，使用诸如CCD或者CMOS图像采集器记录对应于不同波长的数字全息图，所述数字全息图为离轴菲涅尔数字全息图(Off-AxisFresnelHologram)。具体包括：波长可调谐激光器出射的激光作为记录光，经由扩束准直器进行扩束准直，以及光阑调整光斑大小后，入射进入所述马赫泽德干涉仪光路；经第一分光棱镜透射的物光束和反射的参考光束分别经物光臂和参考光臂传播，其中物光束照射待测物体后加载上物信息，然后所述物光束与所述参考光束在第二分光棱镜上形成一定夹角(即离轴干涉角)并继续传播，然后在图像采集器的记录靶面干涉形成全息图。

所述波长可调谐激光器，为可见光波段的多波长输出光源。用于产生不同波长的激光，作为多波长数字全息图的记录光束。

所述图像采集器采用通用接口通过图像采集卡连接到所述计算机，将图像采集器的记录靶面上的单波长全息图传送到所述计算机中保存，完成不同波长的数字全息图像的记录。

本发明的一种多波长自适应数字全息成像方法包括：记录多个不同波长的数字全息图，使用多波长可调谐激光器对同一待测物体记录其对应于不同(m个)波长的各幅(m幅)离轴菲涅尔数字全息图；以及，一种多波长自适应数字全息相位重构方法，用于数值重构出待测物体的相位分布，其进一步包括：波长关联识别，对所述的对应于不同(m个)波长的各幅(m幅)数字全息图进行波长关联识别，判定输出全息图记录波长值；单波长数字全息相位重构，对每幅单波长数字全息图进行数值重构，得到其对应的单波长相位图；以及，多波长自适应相位重构，筛选两幅适合的单波长相位图进行双波长相位重构，得到待测物体的准确相位信息分布。

本发明的一种多波长自适应数字全息相位重构方法包括8个步骤：S1输入全息图；S2波长关联识别；S3输出全息图记录波长；S4单波长数字全息相位重构；S5获得单波长相位图；S6判断是否完成所有单波长重构；S7多波长自适应相位重构；S8获得多波长相位图。具体方法是，首先经由S1输入全息图导入单波长数字全息图，其后进行S2波长关联识别获得对应单波长数字全息图的记录波长，然后将S1导入的单波长全息图和S3输出全息图记录波长一同导入S4单波长数字全息相位重构，最终获得S5单波长相位图。完成一次完整的单波长数字全息图数值重构后，进行S6判断过程，判断是否完成了经由多波长数字全息记录单元记录的所有单波长全息图的数值重构，如未完成则返回S1步骤，如已完成则将所有单波长相位图导入S7多波长自适应相位重构中，进行多波长相位重构和自适应筛选，实现S8多波长相位图获取。

所述波长关联识别模块包括：S2-1傅里叶变换、S2-2获得全息图的频谱图、S2-3零级频谱区域判定、S2-4正一级频谱区域扫描、S2-5获得正一级频谱中心点位置和S2-6记录波长判定。具体方法是，S2-1傅里叶变换对全息图进行傅里叶变换，获得其频谱分布信息，在S2-2处获得原全息图的频谱图；S2-3零级频谱区域判定是在频谱域中判定划分出零级频谱的区域；S2-4正一级频谱区域扫描是扫描分析除零级频谱区域外的全部频谱区域，并在步骤S2-5获得正一级频谱中心点位置；S2-6记录波长判定是在S2-5获得正一级频谱中心点位置后，根据频谱域波长分布关系进行记录波长判断，计算得出记录波长值，然后由S3输出全息图的记录波长。

所述S2-1傅里叶变换，其特征为对输入的全息图进行傅里叶变换，获得该全息图的频谱分布信息。

所述S2-2获得全息图频谱图，其特征为将经傅里叶变换所获得的全息图的频谱信息，转化为计算机可以处理的图像信息进行输出并储存。

所述S2-3零级频谱区域判定和所述S2-4正一级频谱区域扫描，组成一种离轴数字全息图去零级频谱区域扫描法，其特征在于通过对不予扫描的零级频谱区域之外的频谱区域进行扫描得到正一级频谱中心点，首先定量划出零级频谱可能出现的频谱区域，然后在所述零级频谱区域之外对正一级频谱区域扫描，找出正一级频谱中心点。

所述S2-3零级频谱区域判定，其特征为通过判定全息图频谱信息分布中零级频谱的分布范围，在全息图频谱图的整个频谱域中确定出不予扫描的零级频谱区域。对于离轴数字全息图的频谱图，其零级频谱分布范围满足：

$2f_M\≤\frac{1}{3}\·\frac{1}{r}$

其中2f_M为零级频谱的最大频谱值，1/r表示频谱区域可表征的最大范围，r是CCD的像元尺寸。在离轴数字全息图的频谱图中，不论待测物体为何物，其零级频谱的分布区域皆不会超过可表征的频谱区域最大值的三分之一。因此，从频谱中心点计算，将频谱可表征范围内三分之一的区域确定为不予扫描零级频谱区域。

所述S2-4正一级频谱区域扫描，其特征在于对判定为不予扫描零级频谱区域之外的频谱区域进行扫描，以获得正一级频谱中心点位置以及正一级频谱区域。数字全息图的频谱图中，正一级频谱中心点位置给出了正一级中心频谱值，而且正一级频谱中心点是正一级频谱区域中光强度值最大的点。因此，通过在所述不予扫描零级频谱区域之外的频谱区域进行扫描，寻找到该扫描区域内光强度值最大的频谱点，即获得正一级频谱中心点位置。然后，进行频谱截取提取出正一级频谱信息，即由所获得的正一级频谱中心点位置为中心，截取边长为2f_M的正方形区域作为正一级频谱区域，并进行频谱截取提取出正一级频谱信息。

所述S2-5获得正一级频谱中心点位置，是将所述S2-4步骤获得的正一级频谱中心点的位置，转化为计算机可以处理的图像坐标。

所述S2-6记录波长判定，根据正一级频谱中心点的频谱值，计算得到该频谱图所对应的记录光波长。所述记录波长与正一级频谱中心点频谱值的关系式为：

${\mathrm{\λ}}_m=\frac{sin\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\α}}_m}$

其中，λ_m为第m个全息图记录光波长，α_m为第m个全息图正一级频谱中心点的频谱值，θ为记录离轴全息图的物光与参考光的夹角，即离轴干涉角。根据本发明所述多波长数字全息成像记录单元，离轴干涉角θ可测量得到，因此由S2-5获得正一级频谱中心点坐标后，可由上式计算得到记录光波长。

所述单波长数字全息相位重构模块包括：S4-1傅里叶变换、S4-2频谱滤波、S4-3傅里叶逆变换、S4-4角谱自由空间传播和S4-5Angle角函数处理。具体方法是，由S4-1傅里叶变换获得全息图的频谱图，S4-2频谱滤波提取出频谱图中正一级频谱信息，由S4-3傅里叶逆变换将正一级频谱信息还原为记录平面复振幅分布，然后将S3步骤得到的全息图记录波长输入S4-4角谱自由空间传播步骤中，使用输入的各全息图记录波长值，数值计算光波在自由空间中的传播，得到观察平面上的复振幅分布；之后进行S4-5步骤，使用Angle角函数处理获得单波长相位图。

所述多波长自适应相位重构模块包括：S7-1等效波长合成、S7-2获得等效波长、S7-3双波长相位重构、S7-4等效波长相位图和S7-5包裹相位判定。具体方法是，S7-1等效波长合成，依据双波长数字全息成像原理进行等效波长合成；在S7-2获得等效波长，得到等效波长值，并保存合成该等效波长的两个单波长值；S7-3双波长相位重构，使用合成等效波长的两个单波长的相位图进行双波长相位重构，并在S7-4步骤获得并显示等效波长相位图；其后，在S7-5包裹相位判定，判别该等效波长相位图是否含有包裹相位，若含有包裹相位，则返回S7-1等效波长合成，选取一组波长重新进行等效波长合成，若不含有包裹相位，则在S8处输出重构得到的等效波长相位图，即为多波长相位重建结果。

所述S7-1等效波长合成，特征在于实现多个波长中任选两个单波长的组合合成。根据下式

式中，λ_i和λ_j分别是S3输出全息图记录波长步骤输出的m个波长中的第i个和第j个单波长，Λ_ij是由单波长λ_i与λ_j合成的等效波长。每个等效波长均由两个单波长合成得到，每个等效波长相位图也都利用合成该等效波长的两个单波长的相位图通过数值计算获得。

所述S7-3双波长相位重构，其特征为由S7-2获得等效波长和由S5步骤获得输入单波长相位图，使用合成所述等效波长的两个波长对应的单波长相位图进行相减，数值重构等效波长相位图。

所述S7-4等效波长相位图，其特征为获得等效波长相位图信息，转化为人眼可以识别的黑白图像并显示。

所述S7-5包裹相位判定，其特征为判别所获得的等效波长相位图中是否含有包裹相位，若含有包裹相位，则返回S7-1等效波长合成，重新选取两个波长合成一个新的等效波长，并进行相应的双波长相位重构；若不含有包裹相位，该所述等效波长相位图即是待测物体的重建相位图。这样就实现了多波长自适应相位重构，可以由S8步骤输出该相位重建结果。

综上，本发明的一种多波长自适应数字全息成像系统和方法的特点是，采用可调谐激光器作为记录光源，对深度信息未知的物体进行多波长数字全息相位重建，尤其是使用波长关联识别模块对所述多波长数字全息成像记录单元获得的多幅数字全息图进行波长关联识别，并使用多波长数字全息相位重构模块对单波长相位图进行自适应数值重构，实现了多波长数字全息相位重构。所述波长关联识别模块的特点为使用了一种新型离轴数字全息图频谱扫描法。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的一种多波长自适应数字全息成像系统及方法的有益效果是，采用可调谐光源作为记录光源，使用基于一种新型离轴数字全息图频谱扫描法的波长关联识别模块读出所记录全息图的记录波长，并分别进行单波长相位重构，之后通过多波长相位重构模块，实现了对深度信息未知的待记录对象进行多波长数字全息相位重构，具有可对任意跨尺度深度信息物体进行波前相位信息重建的特点。该系统具有光路结构简单，易于小型化的特点，且极适用于对未知深度信息的待记录物体进行前期深度信息测定，方便实验人员确定该待记录物体深度信息分布范围，辅助展开更深层次的研究工作，使得数字全息成像技术可脱离其他检测手段完成前期深度信息标定，具有较强的推广及应用价值。

附图说明

图1为本发明的多波长可调谐数字全息记录单元透射型示意图。

图2为本发明的多波长可调谐数字全息记录单元反射型示意图。

图3为本发明的多波长自适应数字全息成像重构单元流程图。

图4为根据本发明的波长关联识别模块流程图。

图5为根据本发明的单波长数字全息相位重构模块流程图。

图6为根据本发明的多波长数字全息相位重构模块流程图。

图7为本发明的多波长自适应数字全息成像重构结果对比图。

图中：1、可调谐多波长激光器，2、扩束准直器，3、光阑，4、第一分光棱镜，5、第一反射镜，6、第二反射镜，7、第二分光棱镜，8、待记录物体，9、图像采集器，10、计算机。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的多波长自适应数字全息成像系统及方法的典型实施例。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。

根据本发明的一种多波长自适应数字全息成像系统及方法，包括一种多波长数字全息记录单元和一种多波长自适应数字全息成像重构单元。其中多波长数字全息记录单元可分为两种典型实施例：多波长透射式数字全息记录单元与多波长反射式数字全息记录单元。

所述第一典型实施例多波长透射式数字全息记录单元如图1所示。可调谐多波长激光器1出射的激光经扩束准直器2扩束后，照射到光阑3上，经由光阑3调整光斑大小后，该光束照射到第一分光棱镜4处。第一分光棱镜4、第一反射镜5、第二反射镜6和第二分光棱镜7共同组成马赫泽德干涉仪系统，光束由第一分光棱镜4分为两束光束，其中透射光束为物光光束，反射光束为参考光光束。物光光束从第一分光棱镜4处透射后，经第一反射镜5反射照射到待记录物体8处，待记录物体8在本典型实施例中为透射式物体，物光光束透过待记录物体8后加载物信息，然后照射到第二分光棱镜7，于第二分光棱镜7处反射。参考光光束经第一分光棱镜4与第二反射镜6反射后，照射到第二分光棱镜7上并被其透射。经由第二分光棱镜7反射的物光光束与经由第二分光棱镜7透射的参考光光束形成一个物参夹角，并向前传播到图像采集器9的记录靶面上干涉，由所述图像采集器9记录下干涉图即为数字全息图，保存到计算机10中。

所述第二典型实施例多波长反射式数字全息记录单元如图2所示。可调谐多波长激光器1出射的激光经扩束准直器2扩束后，照射到光阑3上，经由光阑3调整光斑大小后，该光束照射到第一分光棱镜4处。第一分光棱镜4、第一反射镜5、第二反射镜6和第二分光棱镜7共同组成马赫泽德干涉仪系统，光束由第一分光棱镜4出分为两束光束，其中透射光束为物光光束，反射光束为参考光光束。物光光束从第一分光棱镜4处透射后，经第一反射镜5反射照射到第二分光棱镜7，透射通过第二分光棱镜7后照射到待记录物体8表面，待记录物体8在本典型实施例中为反射式物体，物光光束由待记录物体8反射后加载物信息，照射到第二分光棱镜7并被其反射。参考光光束经第一分光棱镜4与第二反射镜6反射后，照射到第二分光棱镜7，于第二分光棱镜7处透射。经由第二分光棱镜7反射的物光光束与经由第二分光棱镜7透射的参考光光束形成一个物参夹角，并向前传播到图像采集器9的记录靶面上干涉，由所述图像采集器9记录下干涉图即为数字全息图，保存到计算机10中。

根据本发明的多波长数字全息记录单元的第一典型实施例和第二典型实施例中，图像采集器9用于记录多波长数字全息图。具体而言，经由调整可调谐多波长激光器获得不同波长的激光光束，对应每一个波长的激光光束通过同样的离轴菲涅尔数字全息记录光路产生单波数字全息图，经图像采集器9以分时的方式将对应每一个波长的全息图记录于计算机中。针对一个待记录物体8，需要记录多幅不同波长的单波长数字全息图，不同波长的全息图在不同的时间被图像采集器9记录，保存到计算机10中。

根据本发明的一种多波长自适应数字全息成像重构单元，用于对所述多波长数字全息记录单元所记录的多幅单波长数字全息图进行成像重构，以获得待测物体的相位重构成像。

在实施例中，分别以632nm、656nm、660nm和671nm四个波长的激光光束记录单波长数字全息图，使用深度信息为20.1μm的物体作为待记录物体，由图像采集器9记录4幅对应所述四个不同波长的全息图。所述图像采集器9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9记录靶面上的干涉图送到计算机中保存，完成数字全息图像的记录。

所述多波长自适应数字全息成像重构单元的重构流程图如图3所示。完成四幅数字全息图的记录与储存后，于计算机中首先进行S1输入单幅单波长数字全息图，其后对该单波长数字全息图进行S2波长关联识别。所述S2波长关联识别包含六个步骤，如图4所示，完成S1输入单波长数字全息图后，进行S2-1傅里叶变换获得该单波长数字全息图的S2-2频谱图，其后通过S2-3标定零级频谱区域最大可能位置，进行S2-4正一级频谱中心点扫描，于S2-5获得正一级频谱中心点的位置，最后进行S2-6载波波长判定，于S3获得记录该单波长数字全息图的记录波长。将于S1处导入的单波长数字全息图与于S3处获得的记录波长，共同导入S4单波长相位重构中进行单波长数字全息波前数值重构。具体而言如图5所示，S4单波长相位重构包含五个步骤，于S1处输入单波长数字全息图后，对其进行S4-1傅里叶变换处理，对该处理后的结果进行S4-2频谱滤波处理提取出正一级频谱分量的信息，其后进行S4-3傅里叶逆变换获得对应正一级频谱信息的记录平面复振幅分布，而后通过S3导入该全息图的记录波长，进行S4-4角谱自由空间传播界，获得正一级信息的观察平面的复振幅分布，之后对该复振幅分布进行S4-5Angle处理获得S5单波长相位图，至此完成单幅单波长全息图的数值相位重构。S6处判断是否完成全部单波长全息图数值重构，若未完成，则返回S1处充再次进行S1输入单波长全息图、S2波长关联识别、S3获取全息图记录波长、S4单波长数值重构和S5获得单波长相位图该五步骤；若已完成全部单波长全息图的数值重构，则结束循环进入S7多波长数值重构步骤。S7多波长数值重构包含五个步骤，如图6所示。进入S7多波长数值重构步骤后，首先进行S7-1等效波长整合，将S3处获得的全部单波长数值导入S7-1中，于本实施例内共导入四个波长：632nm、656nm、660nm和671nm，对该四个波长从小到大进行排序后，依双波长理论进行两两组合构成等效波长，经配对后组成6个等效波长：632nm与656nm组成17.3μm的等效波长；632nm与660nm组成14.9μm的等效波长；632nm与671nm组成10.9μm的等效波长；656nm与660nm组成108.2μm的等效波长；656nm和671nm组成29.3μm的等效波长；660nm和671nm组成40.2μm的等效波长。获得该六个等效波长后，按照10.9μm、14.9μm、17.3μm、29.3μm、40.2μm、108.2μm的顺序，于S7-2中逐一生成等效波长，并将获取对应等效波长相位图所需的两幅S5单波长相位图导入S7-3双波长数字全息相位重构步骤中生等效波长相位图，于本实施例中，首先导入的是632nm与671nm组成的10.9μm的等效波长，故需要导入632nm与671nm的单波长相位图。完成上述步骤后，于S7-4处将该等效波长相位图生成为人眼可见的图像，并于S7-5处判断相位图内是否含有包裹相位，若含有包裹相位，则返回S7-1处产生下一个等效波长，于本实施例中为632nm与660nm组成的14.9μm等效波长，故第二次循环中，需要使用632nm与660nm的单波长相位图，以此类推，按照从小到大的顺序，逐张等效波长相位图于S7-5处进行包裹相位判断。由于本实施例中使用的待记录物体的深度信息为20.1μm，故10.9μm、14.9μm、17.3μm作为等效波长产生的双波长相位图无法满足“不含包裹相位”的视觉判断要求，需使用656nm和671nm组成29.3μm等效波长进行双波长重构，故于本实施例中，当29.3μm等效波长相位图内不含包裹相位信息时，认为该等效波长可以反映物体的真实信息，则跳出循环，于S8处输出该等效波长相位图，视为经由多波长自适应重构获得相位图，至此完成全部多波长自适应成像重构过程。

图7为本发明的多波长自适应数字全息成像重构结果对比图，其中图(a)是选择合适的等效波长，得到的无包裹相位的重构成像结果，图(b)是选择的等效波长过小时，仍含有包裹相位的重构成像结果。

在实施例中，使用了632nm、656nm、660nm和671nm的记录光源组合，但不限定于使用这四个波长的激光，任何由可调谐多波长激光器输出的激光波长，皆可用于记录单波长数字全息图与多波长数字全息相位重构，属于本发明范围。本发明的一种多波长自适应数字全息成像系统及方法，采用可调谐光源作为记录光源，使用基于一种离轴数字全息图去零级频谱区域扫描法的波长关联识别模块读出所记录全息图的记录波长，并采用单波长相位重构模块和多波长相位重构模块，可实现对深度范围未知且结构复杂待测物的相位重构，具有可对任意跨尺度深度信息物体进行波前相位重建的特点，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 (7)

1.一种多波长自适应数字全息成像系统，其特征在于包括：多波可调谐激光器、扩束准直器、光阑、第一分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、第二分光棱镜、待测物体、图像采集器以及计算机，其中第一分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜和第二分光棱镜构成马赫泽德干涉仪光路，由第一分光棱镜、第一反射镜和第二分光棱镜构成马赫泽德干涉仪结构的物臂，由第一分光棱镜、第二反射镜和第二分光棱镜构成马赫泽德干涉仪结构的参考臂；

可调谐多波长激光器出射的激光经扩束准直器扩束后，照射到光阑上，经由光阑调整光斑大小后，该光束照射到第一分光棱镜处；光束由第一分光棱镜分为两束光束，两束光束中透射光束为物光光束，反射光束为参考光光束；待测物体放置于第一反射镜和第二分光棱镜之间或者放置在第一反射镜和第二分光棱镜的延长线上。

2.应用如权利要求1所述系统的方法，其特征在于依次包括：首先经由S1输入全息图导入单波长数字全息图，其后进行S2波长关联识别获得对应单波长数字全息图的记录波长，然后将S1导入的单波长全息图和S3输出全息图记录波长一同导入S4单波长数字全息相位重构，最终获得S5单波长相位图；完成一次完整的单波长数字全息图数值重构后，进行S6判断过程，判断是否完成了经由多波长数字全息记录单元记录的所有单波长全息图的数值重构，若未完成则返回S1步骤，若完成则将所有单波长相位图导入S7多波长自适应相位重构中，进行多波长相位重构和自适应筛选，实现S8多波长相位图获取。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，S2波长关联识别包括6个步骤：S2-1傅里叶变换，对全息图进行傅里叶变换，获取其频谱分布信息；S2-2获得全息图的频谱图，用于获得并输出全息图的频谱图；S2-3零级频谱区域判定，用于在频谱域中判定划分出零级频谱的区域，并在之后S2-4正一级频谱扫描中，不再对所述的零级频谱区域进行扫描；S2-4正一级频谱区域扫描，用于扫描分析零级频谱区域之外的正一级频谱区域；S2-5获得正一级频谱中心点位置；S2-6记录波长判定，用于在S2-5获得正一级频谱中心点位置后，根据频谱域波长分布关系进行记录波长判断，计算得出记录波长值。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，S2-3零级频谱区域判定中不予扫描的零级频谱区域根据以下关系确定：

$2f_M\≤\frac{1}{3}\·\frac{1}{r}$

式中2f_M为零级频谱的最大频谱值，1/r表示频谱区域可表征的最大范围，r是CCD的像元尺寸；从频谱中心点计算，将频谱可表征范围内三分之一的区域判定为不予扫描的零级频谱区域；

S2-4正一级频谱区域扫描，具体为频谱区域内扫描到最大光强值对应的频谱点位置，即是正一级频谱中心点位置；然后，由正一级频谱中心点位置为中心，截取边长为2f_M的正方形区域作为正一级频谱区域，并进行频谱截取提取出正一级频谱信息。

5.根据权利要求3所述方法，其特征在于，S2-6根据正一级频谱中心点的频谱值，计算得到该频谱图所对应的记录光波长具体为：记录波长与其正一级频谱中心点频谱值的关系式为

${\mathrm{\λ}}_m=\frac{sin\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\α}}_m}$

式中，λ_m为第m个全息图记录光波长，α_m为第m个全息图正一级频谱中心点的频谱值，θ为记录离轴全息图的物光与参考光的夹角，即离轴干涉角。

6.根据权利要求2所述方法，其特征在于，S4单波长数字全息相位重构包括5个步骤：S4-1傅里叶变换，获得各全息图的频谱图；由S4-2频谱滤波，提取各频谱图中正一级频谱信息；由S4-3傅里叶逆变换，将正一级频谱还原为记录平面复振幅分布；由S4-4角谱自由空间传播，使用输入的各全息图记录波长值，数值计算光波在自由空间中的传播，得到观察平面上的复振幅分布；然后，进行S4-5Angle角函数处理，利用Angle角函数处理获得单波长相位图。

7.根据权利要求2所述方法，其特征在于，S7多波长自适应相位重构包括以下步骤：S7-1等效波长合成，使用两个波长进行等效波长合成；S7-2获得等效波长，得到等效波长值，并保存合成该等效波长的两个单波长值；S7-3双波长相位重构，使用合成所述等效波长的两个波长对应的单波长相位图进行相减，数值重构等效波长相位图；在S7-4等效波长相位图，获得等效波长相位图信息，转化为人眼可识别的黑白图像并显示；S7-5包裹相位判定，判别所述的等效波长相位图中是否包含包裹相位，若含有包裹相位，则返回S7-1等效波长合成，重新选取两个波长合成一个新的等效波长，并进行相应的双波长相位重构，若不含有包裹相位，则将所述等效波长相位图输出，该所述等效波长相位图即是待测物体的重建相位图。