CN106569402A - 一种多波长数字全息图的色彩分离与数字处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多波长数字全息图的色彩分离与数字处理方法，其技术特征在于：用Bayer型彩色相机分别采集物体在R，G，B三色激光照射下的单波长数字全息图，对采集到的单波长数字全息图进行数值处理，得到三色间的串扰系数矩阵；再采集R，G，B三色激光同时照射的多波长数字全息图，利用该串扰系数矩阵对多波长数字全息图，便可得到消除串扰后的R，G，B单波长数字全息图。该方法可有效消除由于Bayer滤色片对不同波长光的非完全选择性而造成的R，G，B三通道间的串扰，实现了单张数字全息图一次性记录多个波长的信息。

Description

一种多波长数字全息图的色彩分离与数字处理方法

技术领域

本发明涉及数字全息技术领域，特别涉及一种多波长数字全息图的色彩分离与数字处理方法。

背景技术

在现有的单波长数字全息测量过程中，样品表面高度起伏变化比较剧烈时，例如样品表面存在高度超过半波长的台阶时，利用全息干涉测量方法获得的包裹条纹会叠加在一起，无法分辨。双波长数字全息技术是解决这一问题的有效手段，通过利用相机记录不同波长激光所形成的数字全息图并进行解调，可以大大提高该方法的测量景深范围。

目前，在数字全息术中，无论是对于532.0nm的绿色激光还是632.8nm的红色激光，均使用黑白型CCD或者CMOS相机完成数字全息图的记录，最终获得的全息图为灰度图像，相机无法区分全息图的色彩信息，而使用普通的Bayer型彩色相机同时采集会导致不同波长激光之间的颜色串扰，无法保证各通道全息图的独立性。针对上述问题，在彩色或多波长数字全息术中，一般采用以下两种方法来处理：

一种是分次记录：用不同波长的激光依次照射待测物体、并利用同一黑白型相机分别采集不同波长对应的数字全息图，经过进一步的数值重建，获得不同波长对应的物体信息。这种方法可以实现不同波长信息的完整记录，但大大降低了测量的实时性和便利性，无法实现快速变化物体的实时测量。

另一种是同时记录：在设计光路时考虑到两束光的干涉倾角及干涉条纹方向，使不同波长激光所形成的干涉条纹方向成一定角度，利用黑白型相机记录该包含不同方向干涉条纹的复合数字全息图，经傅立叶变换后在该全息图的频谱域不同波长激光的信息会分离，进而通过选择性低通滤波和数值重建，获得不同波长对应的物体信息。虽然这种方法可以实现样品的实时测量，但是光路结构相对复杂，提高了测量难度。除此以外，当不同波长全息图的频谱范围较大时，其正负一级频谱依然会发生重叠，增加了频域选择性滤波的难度，对再现结果的准确性产生了影响。

发明内容

为解决现有数字全息图采集方法的不足之处，本发明提出一种多波长数字全息图的色彩分离与数字处理方法，利用Bayer型彩色相机记录多波长数字全息图，并通过后期色彩串扰的消除以及数字处理方法，可一次性从多波长数字全息图中分离出多个波长所对应的单波长数字全息图，结合后续的数值重建算法，可获得不同波长对应的物体信息。

技术方案

本发明的技术特征在于方法步骤为：

1.使用Bayer型彩色相机依次记录R，G，B三种不同波长激光照射下的彩色图像R_(1,2,3)，G_(1,2,3)，B_(1,2,3)，其中1，2，3分别代表彩色图像的R，G，B三个通道；

2.根据彩色图像R_(1,2,3)，G_(1,2,3)，B_(1,2,3)计算Bayer型彩色相机对应的串扰系数矩阵A以及串扰系数a_ij，其中i，j取1，2，3，1代表R色，2代表G色，3代表B色，系数a_ij表示j色光对i通道的响应系数；

3.使用Bayer型彩色相机记录R，G，B三色激光同时照射下的彩色数字全息图H；

4.根据获得的串扰系数，对彩色数字全息图H进行色彩分离并消除串扰，得到消除色彩串扰后各通道的全息图H_r，H_g，H_b；

5.对全息图H_r，H_g，H_b分别进行数值重建，获得单色全息图对应的数值再现结果，进而执行后续步骤。

所述步骤2包含以下步骤：

a.分别提取彩色图像R_(1,2,3)，G_(1,2,3)，B_(1,2,3)的不同通道信息，得到各通道的单色二维图像信息R₁，R₂，R₃，G₁，G₂，G₃，B₁，B₂，B₃；

b.统计单色图像R₁中灰度值分别为0～255时像素的位置；

c.计算单色图像R₂，R₃中相应位置像素的灰度平均值；

d.以R₁中灰度值0-255为自变量x，以R₂，R₃中相应位置像素的灰度平均值为因变量y₁₂，y₁₃，拟合出两条直线，直线斜率即为G色光和B色光相对R色通道的串扰系数a₁₂和a₁₃，其中a₁₁＝1；

e.根据相同方法，可以分别获得R色光和B色光对G色通道的串扰系数a₂₁和a₂₃，以及R色光和G色光对B通道的串扰系数a₃₁和a₃₂；

f.获得串扰系数矩阵A。

所述步骤4包含以下步骤：

a.提取彩色数字全息图H的R，G，B通道信息，得到各通道的单色二维图像H_R，H_G，H_B；

b.选取全息图H上的某一点P，提取其在各通道单色二维图像H_R，H_G，H_B上对应位置的灰度信息H_RP，H_GP，H_BP；

c.利用串扰系数矩阵A对P点进行色彩串扰消除，获得该点消除串扰后的信息H_rP，H_gP，H_bP；

d.以P点遍历整个全息图H，获得消除色彩串扰后各通道的全息图H_r，H_g，H_b。

有益效果

直接利用Bayer型彩色相机即可以记录多波长数字全息图并解决色彩串扰的问题，避免了传统彩色或多波长数字全息术中分次记录或者同时记录的缺点，降低了光路设计的复杂程度，同时实现彩色或者多波长数字全息术的实时性测量。

附图说明

图1：实施例中利用双波长数字全息术测量成骨细胞的光路图，其中1-输出波长为632.8nm的氦氖激光器，2-输出波长为561.0nm的固体激光器，3-光纤，4-光纤分束器，5-准直透镜，6-偏振片，7-样品，8-放大倍数为5倍的显微物镜，9-方解石晶体，10-偏振片，11-Bayer型彩色CCD；

图2：实施例中红色通道和蓝色通道对绿光的响应系数曲线，横坐标表示G通道的灰度值，纵坐标为相应位置R，B通道的灰度值，深色曲线为G-B曲线，浅色曲线为G-R曲线；

图3：实施例中消除串扰前后的全息图，其中(a)为消除串扰前的多波长全息图，(b)为消除串扰后的红色单波长全息图，(c)为消除串扰后的绿色单波长全息图；

图4：实施例中数值重建后得到的成骨细胞相位图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明涉及的一种多波长数字全息图的色彩分离与数字处理方法，光路如图1所示，包括：输出波长为632.8nm的氦氖激光器1，输出波长为561.0nm的固体激光器2，光纤3，光纤分束器4，准直透镜5，偏振片6，样品7，放大倍数为5倍的显微物镜8，方解石晶体9，偏振片10，Bayer型彩色CCD 11。

所述的一种多波长数字全息图的色彩分离与数字处理方法的工作流程如下：

1.分次使用输出波长为632.8nm的氦氖激光器1和输出波长为561.0nm的固体激光器2作为光源，通过焦距为100mm的透镜5准直，在通过第一个偏振片6调整偏振方向后穿过样品7，之后通过放大倍数为5倍的显微物镜8，再通过方解石晶体9，分为o光和e光两束，随后通过第二个偏振片10，最后在CCD 11上形成干涉图样，分别采集彩色图像R_(1,2)，G_(1,2)，实施例中只涉及R,G两个通道，不考虑B通道；

2.提取彩色图像R_(1,2)，G_(1,2)的不同通道信息，得到各通道的单色二维图像信息R₁，R₂，G₁，G₂。之后统计单色图像R₁中灰度值分别为0-255时像素的位置，并计算单色图像R₂中相应位置像素的灰度平均值。以R₁中灰度值0-255为自变量x，以R₂中相应位置像素的灰度平均值为因变量y₁₂，可拟合出一条直线，直线斜率即为G色光对R色通道的串扰系数a₁₂。根据相同方法，可以获得R色光对G色通道的串扰系数a₂₁，从而获得串扰系数矩阵A，其中a₁₁＝1，a₂₂＝1；

3.使用CCD 11同时拍摄R、G两色激光同时照射下的彩色数字全息图H，如图3(a)所示；

4.提取彩色数字全息图H的R、G通道信息，得到各通道的单色二维图像H_R，H_G。选取全息图H上的某一点P，提取其在各通道单色二维图像H_R，H_G上对应位置的灰度信息H_RP，H_GP。利用串扰系数矩阵A对P点进行色彩串扰消除，获得该位置消除串扰后的灰度值H_rP，H_gP

以P点遍历整个全息图H，获得消除色彩串扰后各通道的全息图Hr，Hg，如图3(b)、(c)所示；

5.对全息图H_r，H_g分别进行数值重建，获得单色全息图对应的数值再现结果，进而执行后续处理，得到物体的相位信息，如图4所示。

Claims (3)

1.一种多波长数字全息图的色彩分离与数字处理方法，其特征在于方法步骤为：

(1).使用Bayer型彩色相机依次记录R，G，B三种不同波长激光照射下的彩色图像R_(1,2,3)，G_(1,2,3)，B_(1,2,3)，其中1，2，3分别代表彩色图像矩阵的R，G，B三个通道；

(2).根据彩色图像R_(1,2,3)，G_(1,2,3)，B_(1,2,3)计算Bayer型彩色相机对应的串扰系数矩阵A以及串扰系数a_ij，其中i，j取1，2，3，1代表R色，2代表G色，3代表B色，系数a_ij表示j色光对i通道的响应系数；

(3).使用Bayer型彩色相机拍摄R，G，B三色激光同时照射下的彩色数字全息图H；

(4).根据获得的串扰系数，对彩色数字全息图H进行色彩分离并消除串扰，得到消除色彩串扰后各通道的全息图H_r，H_g，H_b；

(5).对全息图H_r，H_g，H_b分别进行数值重建，获得单色全息图对应的数值再现结果，进而执行后续处理。

2.根据权利要求所述的多波长数字全息图的色彩分离与数字处理方法，其特征在于：所述系数矩阵A和串扰系数a_ij的计算步骤为：

a.分别提取彩色图像R_(1,2,3)，G_(1,2,3)，B_(1,2,3)的不同通道信息，得到各通道的单色二维图像信息R₁，R₂，R₃，G₁，G₂，G₃，B₁，B₂，B₃；

b.统计单色图像R₁中灰度值分别为0-255时像素的位置；

c.计算单色图像R₂，R₃中相应位置像素的灰度平均值；

d.以R₁中灰度值0-255为自变量x，以R₂，R₃中相应位置像素的灰度平均值为因变量y₁₂，y₁₃，拟合出两条直线，计算直线斜率，即为G色光和B色光相对R色通道的串扰系数a₁₂和a₁₃，其中a₁₁＝1；

e.根据相同方法，可以分别获得R色光和B色光对G色通道的串扰系数a₂₁和a₂₃，以及R色光和G色光对B通道的串扰系数a₃₁和a₃₂；

f.获得串扰系数矩阵A。

$A=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]$

3.根据权利要求所述的多波长数字全息图的色彩分离与数字处理方法，其特征在于：所述消除全息图H色彩串扰消除的步骤为：

a.提取彩色数字全息图H的R、G、B通道信息，得到各通道的单色二维图像H_R，H_G，H_B；

b.选取全息图H上的某一点P，提取其在各通道单色二维图像H_R，H_G，H_B上对应位置的灰度值H_RP，H_GP，H_BP；

c.利用串扰系数矩阵A对P点进行色彩串扰消除，获得该点消除串扰后的信息H_rP，H_gP，H_bP；

$\left[\begin{array}{c}{H}_{rP}\\ H_{gP}\\ H_{bP}\end{array}\right]=A\·\left[\begin{array}{c}{H}_{RP}\\ H_{GP}\\ H_{BP}\end{array}\right]$

d.以P点遍历整个全息图H，获得消除色彩串扰后各通道的全息图Hr，Hg，Hb。