CN105549371A - 一种多角度连续太赫兹波照明数字全息成像方法 - Google Patents

Abstract

一种多角度连续太赫兹波照明数字全息成像方法，该方法利用傅里叶变换得到全息图的频谱，改变样品的照明光拍摄多幅全息图进而得到多幅全息图的频谱，将获得的多幅全息图的频谱叠加，进行傅里叶逆变换得到合成全息图，再利用角谱再现算法进行物光场再现，最终得到合成数字全息再现像。这种方法可以使太赫兹数字全息成像系统能够获取更多的物光频率信息，结果是该装置成像分辨率提高。对合成频谱图进行傅里叶逆变换得到合成全息图，从而得到包含更多样品频谱信息的再现像。

Description

一种多角度连续太赫兹波照明数字全息成像方法

技术领域

本发明涉及一种数字全息提高分辨率的方法，特别是涉及一种多角度连续太赫兹波照明数字全息成像的方法。

背景技术

连续太赫兹波数字全息是传统光学全息术、计算机技术及热释电探测技术相结合的产物，该技术利用面阵热释电探测器代替传统光学全息术中的感光胶片等光敏介质材料，并由计算机模拟光学衍射过程实现被记录物体的数值再现。但是在实验过程中，受到热释电探测器尺寸的影响，只有部分样品的频率信息被记录下来，丢失掉很多重要的样品信息。多角度照明提高成像分辨率的方法是在不改变探测器尺寸、像素个数等系统元件参数的情况下进行的。通过改变太赫兹波照射到被测样品上的入射角度从而探测器记录得到被测样品不同频谱物体信息，通过菲涅耳衍射传播算法再现出携带不同频谱信息的数字全息再现像，再将不同频谱信息的数字全息再现像进行非相干叠加计算处理，即得到合成再现像，合成的再现像不仅体现了物体的低频信息而且还体现了高频信息，从而该成像方法提高了光学系统的成像分辨率。

发明内容

一种多角度连续太赫兹波照明数字全息成像系统，该成像系统的光路装置包括CO₂泵浦太赫兹激光器1、第一镀金离轴抛面镜2、第二镀金离轴抛面镜3、硅片4、被测样品5、镀金反射镜6、热释电探测器7。CO₂泵浦太赫兹激光器1用于输出连续太赫兹波，CO₂泵浦太赫兹激光器1与第一镀金离轴抛面镜2相对应，第一镀金离轴抛面镜2和第二镀金离轴抛面镜3相对应布置组成一个扩束单元，可将CO₂泵浦太赫兹激光器1输出的太赫兹波光斑直径扩大三倍，其传播方向平行；硅片4设置在第二镀金离轴抛面镜3反射光路上，硅片4作用在于将扩束后的太赫兹波分为反射波4a和透射波4b，反射波4a传播到被测样品5上，通过被测样品5反射将携带样品信息的物光波5a反射到热释电探测器7，透射波4b被镀金反射镜6反射作为参考光波6a传播到热释电探测器7中并与物光波5a发生干涉，通过热释电探测器7记录数字全息图H_i＝(x,y)其中i表示采集全息图的幅数。

利用上述系统进行的一种多角度连续太赫兹波照明数字全息成像方法，包括数字全息图的拍摄，利用傅里叶变换得到全息图的频谱，改变样品的照明光拍摄多幅全息图进而得到多幅全息图的频谱，将获得的多幅全息图的频谱叠加，进行傅里叶逆变换得到合成全息图，再利用角谱再现算法进行物光场再现，最终得到合成数字全息再现像。

一种多角度连续太赫兹波照明数字全息成像方法，其提高成像分辨率的过程分为三个步骤：

1)硅片4反射的太赫兹波4a通过被测样品5反射成为携带物信息的太赫兹波5a传播到热释电探测器7平面，与镀金反射镜6反射的参考光6a发生相干并产生数字全息图H_i(x,y)。利用热释电探测器7记录数字全息图H_i(x,y)。记录数字全息图过程中，由于热释电探测器7尺寸大小的限制，只采集得到部分数字全息图信息。

2)通过改变装置中的硅片4的角度，进而改变物光波5a的照明角度，将改变方向后的物光波5a传播至热释电探测器7的记录面与参考光6a相干叠加产生数字全息图H_i(x,y)。通过改变硅片4的角度进而获得不同照射角度下的携带物体信息的数字全息图H_i(x,y)。

3)菲涅耳离轴数字全息成像系统的点扩散函数实际上是由热释电探测器7孔径所决定的夫琅禾费衍射图样。而再现像的频谱是发生了频移的物光频谱与有限宽度矩形函数的乘积。其中频移量由照明太赫兹波的入射角决定，矩形函数的宽度由热释电探测器7光敏面尺寸决定。因此，基于上述多幅数字全息图，分别进行傅里叶变换，进而得到不同频域范围全息图的频谱，再将多幅全息图的频谱叠加得到合成全息图的频谱，对合成的全息图频谱进行逆傅里叶变换得到合成全息图，再利用角谱再现算法对合成全息图进行再现，从而得到合成再现像，这种方法可以使太赫兹数字全息成像系统能够获取更多的物光频率信息，结果是该装置成像分辨率提高。

本发明的典型实施例的试验结果表明，通过多角度照明物体提高分辨率的方法能够有效地提高成像装置的分辨率。随着记录数字全息图的增加，成像系统得到的样品频谱信息也越来越多，结果是成像系统分辨率大大提高。

有益效果

一种基于太赫兹波多角度照明提高数字全息成像分辨率的方法，通过改变太赫兹波照射到被测样品5上的角度并记录多幅数字全息图，通过傅里叶变换得到每幅全息图的频谱，将多幅全息图的频谱非相干叠加合成一幅包含更多被测样品5频率信息的合成频谱图。对合成频谱图进行傅里叶逆变换得到合成全息图，从而得到包含更多样品5频谱信息的再现像。

附图说明

图1是一种基于太赫兹波多角度照明提高数字全息成像分辨率方法的系统光路。

图中：1、CO₂泵浦太赫兹激光器，2、第一镀金离轴抛面镜，3、第二镀金离轴抛面镜，4、硅片，5、被测样品，6、镀金反射镜，7、热释电探测器。

具体实施方式

下面参照附图样式详细说明本发明的典型实施例及其特征。

一种多角度连续太赫兹波照明数字全息成像系统，该系统的光路包括CO₂泵浦太赫兹激光器1，第一镀金离轴抛面镜2(焦距为25.4mm)，第二镀金离轴抛面镜3(焦距为76.2mm)，硅片4，被测样品5，镀金反射镜6，热释电探测器7，如图1所示。实验中的太赫兹激光器CO₂泵浦太赫兹激光器1，频率为2.52THz(对应中心波长为118.83μm)，其可产生平均功率为150mW的连续太赫兹波，热释电探测器7的像素个数为320×320像素，像素尺寸为80μm×80μm，采样频率为48Hz。

成像试验的被测样品5为硬币，热释电探测器探7测得到的全息图尺寸为320×320像素，共采集8幅全息图，分别再现后进行叠加。

首先参照发明的内容，完成全息图的拍摄：

一种多角度连续太赫兹波照明数字全息成像方法，其提高分辨率的过程分为三个步骤：

1)硅片4反射的太赫兹波4a通过被测样品5反射成为携带物信息的太赫兹波5a传播到热释电探测器7平面，与参考光波6a相干叠加产生全息图H_i(x,y)，其中i表示采集的幅数。利用热释电探测器7获取并记录数字全息图H_i(x,y)。在这个过程中，仅处在热释电探测器7光敏面内的干涉图样能够被记录。若将太赫兹离轴数字全息成像系统看成一个相干成像系统，那么仅有部分物光频谱信息能够通过这一衍射受限成像系统，记录到的全息图仅包含了有限频率范围的物光频谱。被测样品5为不透明物体，照明太赫兹波为一倾斜入射的平面光波，将被测样品5所在的平面记为(x₀,y₀)面，CCD所在平面(x,y)面为记录面，则被测样品5反射光场5a的复振幅表示为：

U_i(x₀,y₀)＝b(x₀,y₀)A_i(γ_i,ζ_i)

其中，b(x₀,y₀)为表征物体表面反射特性的函数，A_i＝A₀exp[-j2π(γ_ix₀+ζ_iy₀)]为照明光波的复振幅，其中A₀为常数，和分别为太赫兹波在水平方向与竖直方向的空间频率，θ_i和分别是太赫兹波入射的极角和方位角，λ为太赫兹波波长。而参考光6a在记录面(x,y)的复振幅可以表示为：

A_i(x,y)＝A₀exp[-j2π(γ_ix+ζ_iy)]

被测样品5反射的物光传播至记录面与参考光波6a发生相干产生全息图H_i(x,y)如下，由于受到热释电探测器7孔径的影响，全息图上只有一部分频率信息被记录下来，处于记录平面(x,y)的全息图表示为：

$H_i(x,y)={|U_i(x,y)+A_i(x,y)|}^{2}rect\left(\frac{x}{L}\right)rect\left(\frac{y}{W}\right)$

式中,rect表示矩形函数，L和W分别为热释电探测器光敏面的长和宽。将记录到的全息图H_i(x,y)进行傅里叶变换得到全息图H_i(x,y)的频谱H_i(f_x,f_y)：

其中，表示傅里叶变换,f_x,f_y表示全息图在x,y方向的空间频率。

2)通过改变硅片4的角度，进而改变物光5a的照射角度，将改变方向后的物光5a传至记录面(x,y)与参考光6a发生干涉产生全息图H_i(x,y)，i表示照明的次数，即记录全息图的幅数。多次改变硅片4的角度进而获得不同角度物光下的多幅全息图H_i(f_x,f_y)，其中i表示采集的幅数。

3)菲涅耳离轴数字全息成像系统的点扩散函数实际上是由热释电探测器孔径所决定的夫琅禾费衍射图样。而再现像的频谱是发生了频移的物光频谱与有限宽度矩形函数的乘积。其中频移量由照明光的入射角决定，矩形函数的宽度由器光敏面尺寸决定。因此，基于上述多幅数字全息图H_i(x,y)，经过傅里叶变换后得到多幅数字全息图H_i(x,y)的频谱，再分别在得到的全息图频谱上截取一级频谱，经过补零后得到像素尺寸相同且频谱中心位置一致的新频谱：

δ()表示δ函数。将得到的多幅数字全息图的频谱叠加得到合成全息图的频谱H₀(f_x,f_y)：

将合成全息图的频谱进行傅里叶逆变换从而得到合成再现像U₀(x,y)表示为：

式中，表示单幅全息图补零前的频谱，根据上述公式,可以看出使用这种方法可以使数字全息成像系统能够获取更多的样品频谱信息，其结果是系统成像分辨率提高。

本发明的典型实施例的试验结果表明，通过多角度照明样品，记录到了更多的样品频率信息，有效的增大了全息图的记录面积，使太赫兹数字全息成像系统的成像分辨率显著提高。

Claims (3)

1.一种多角度连续太赫兹波照明数字全息成像系统，其特征在于：该成像系统的光路装置包括CO₂泵浦太赫兹激光器(1)、第一镀金离轴抛面镜(2)、第二镀金离轴抛面镜(3)、硅片(4)、被测样品(5)、镀金反射镜(6)、热释电探测器(7)；CO₂泵浦太赫兹激光器(1)用于输出连续太赫兹波，CO₂泵浦太赫兹激光器(1)与第一镀金离轴抛面镜(2)相对应，第一镀金离轴抛面镜(2)和第二镀金离轴抛面镜(3)相对应布置组成一个扩束单元，可将CO₂泵浦太赫兹激光器(1)输出的太赫兹波光斑直径扩大三倍，其传播方向平行；硅片(4)设置在第二镀金离轴抛面镜(3)反射光路上，硅片(4)作用在于将扩束后的太赫兹波分为反射波(4a)和透射波(4b)，反射波(4a)传播到被测样品(5)上，通过被测样品(5)反射将携带样品信息的物光波(5a)反射到热释电探测器(7)，透射波(4b)被镀金反射镜(6)反射作为参考光波(6a)传播到热释电探测器(7)中并与物光波(5a)发生干涉，通过热释电探测器(7)记录数字全息图H_i＝(x,y)其中i表示采集全息图的幅数。

2.利用上述系统进行的一种多角度连续太赫兹波照明数字全息成像方法，其特征在于：该方法包括数字全息图的拍摄，利用傅里叶变换得到全息图的频谱，改变样品的照明光拍摄多幅全息图进而得到多幅全息图的频谱，将获得的多幅全息图的频谱叠加，进行傅里叶逆变换得到合成全息图，再利用角谱再现算法进行物光场再现，最终得到合成数字全息再现像；

其提高成像分辨率的过程分为三个步骤：

1)硅片(4)反射的太赫兹波(4a)通过被测样品(5)反射成为携带物信息的太赫兹波(5a)传播到热释电探测器(7)平面，与镀金反射镜(6)反射的参考光(6a)发生相干并产生数字全息图H_i(x,y)；利用热释电探测器(7)记录数字全息图H_i(x,y)；记录数字全息图过程中，由于热释电探测器(7)尺寸大小的限制，只采集得到部分数字全息图信息；

2)通过改变装置中的硅片(4)的角度，进而改变物光波(5a)的照明角度，将改变方向后的物光波(5a)传播至热释电探测器(7)的记录面与参考光(6a)相干叠加产生数字全息图H_i(x,y)；通过改变硅片(4)的角度进而获得不同照射角度下的携带物体信息的数字全息图H_i(x,y)；

3)菲涅耳离轴数字全息成像系统的点扩散函数实际上是由热释电探测器(7)孔径所决定的夫琅禾费衍射图样；而再现像的频谱是发生了频移的物光频谱与有限宽度矩形函数的乘积；其中频移量由照明太赫兹波的入射角决定，矩形函数的宽度由热释电探测器7光敏面尺寸决定；因此，基于上述多幅数字全息图，分别进行傅里叶变换，进而得到不同频域范围全息图的频谱，再将多幅全息图的频谱叠加得到合成全息图的频谱，对合成的全息图频谱进行逆傅里叶变换得到合成全息图，再利用角谱再现算法对合成全息图进行再现，从而得到合成再现像，这种方法可以使太赫兹数字全息成像系统能够获取更多的物光频率信息，结果是该装置成像分辨率提高。

3.根据权利要求2所述的一种多角度连续太赫兹波照明数字全息成像方法，其特征在于：其提高分辨率的过程分为三个步骤：

1)硅片(4)反射的太赫兹波(4a)通过被测样品(5)反射成为携带物信息的太赫兹波(5a)传播到热释电探测器(7)平面，与参考光波(6a)相干叠加产生全息图H_i(x,y)，其中i表示采集的幅数；利用热释电探测器(7)获取并记录数字全息图H_i(x,y)；在这个过程中，仅处在热释电探测器(7)光敏面内的干涉图样能够被记录；若将太赫兹离轴数字全息成像系统看成一个相干成像系统，那么仅有部分物光频谱信息能够通过这一衍射受限成像系统，记录到的全息图仅包含了有限频率范围的物光频谱；被测样品(5)为不透明物体，照明太赫兹波为一倾斜入射的平面光波，将被测样品(5)所在的平面记为(x₀,y₀)面，CCD所在平面(x,y)面为记录面，则被测样品(5)反射光场(5a)的复振幅表示为：

U_i(x₀,y₀)＝b(x₀,y₀)A_i(ρ_i,ζ_i)

其中，b(x₀,y₀)为表征物体表面反射特性的函数，A_i＝A₀exp[-j2π(γ_ix₀+ζ_iy₀)]为照明光波的复振幅，其中A₀为常数，和分别为太赫兹波在水平方向与竖直方向的空间频率，θ_i和分别是太赫兹波入射的极角和方位角，λ为太赫兹波波长；而参考光(6a)在记录面(x,y)的复振幅表示为：

A_i(x,y)＝A₀exp[-j2π(γ_ix+ζ_iy)]

被测样品(5)反射的物光传播至记录面与参考光波(6a)发生相干产生全息图H_i(x,y)如下，由于受到热释电探测器(7)孔径的影响，全息图上只有一部分频率信息被记录下来，处于记录平面(x,y)的全息图表示为：

$H_i(x,y)=|U_i(x,y)+A_i(x,y){|}^{2}rect\left(\frac{x}{L}\right)rect\left(\frac{y}{W}\right)$

式中,rect表示矩形函数，L和W分别为热释电探测器光敏面的长和宽；将记录到的全息图H_i(x,y)进行傅里叶变换得到全息图H_i(x,y)的频谱H_i(f_x,f_y)：

其中，表示傅里叶变换,f_x,f_y表示全息图在x,y方向的空间频率；

2)通过改变硅片(4)的角度，进而改变物光(5a)的照射角度，将改变方向后的物光(5a)传至记录面(x,y)与参考光(6a)发生干涉产生全息图H_i(x,y)，i表示照明的次数，即记录全息图的幅数；多次改变硅片(4)的角度进而获得不同角度物光下的多幅全息图H_i(f_x,f_y)，其中i表示采集的幅数；

3)菲涅耳离轴数字全息成像系统的点扩散函数实际上是由热释电探测器孔径所决定的夫琅禾费衍射图样；而再现像的频谱是发生了频移的物光频谱与有限宽度矩形函数的乘积；其中频移量由照明光的入射角决定，矩形函数的宽度由器光敏面尺寸决定；因此，基于上述多幅数字全息图H_i(x,y)，经过傅里叶变换后得到多幅数字全息图H_i(x,y)的频谱，再分别在得到的全息图频谱上截取一级频谱，经过补零后得到像素尺寸相同且频谱中心位置一致的新频谱：

δ(）表示δ函数；将得到的多幅数字全息图的频谱叠加得到合成全息图的频谱H₀(f_x,f_y)：

将合成全息图的频谱进行傅里叶逆变换从而得到合成再现像U₀(x,y)表示为：

式中，表示单幅全息图补零前的频谱，根据上述公式,可以看出使用这种方法可以使数字全息成像系统能够获取更多的样品频谱信息，其结果是系统成像分辨率提高。