CN106950811A - 一种复合数字全息成像方法及装置 - Google Patents

一种复合数字全息成像方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种复合数字全息成像方法及装置，方法包括：获取离轴数字全息图和同轴数字全息图；确定图像传感器平面内的第一相位的分布和待测物体平面内的第二相位的分布；确定图像传感器平面内的物光波的第一复振幅；得到待测物体平面内的物光波的第二复振幅，更新第二复振幅中大于1的振幅对应的像素点的振幅和相位；得到图像传感器平面内的物光波的第三复振幅，并更新第三复振幅中的振幅；判断第三复振幅与第一复振幅的差值是否小于设定阈值，若是，确定待测对象的数字全息再现象；若否，将第三复振幅反向传播到待测物体平面内。该方法和装置适用于对复杂形状的待测物体或者处于强相位畸变背景中的待测物体进行成像，具有视场大和分辨率高的特点。

Description

一种复合数字全息成像方法及装置
技术领域
本发明涉及数字全息成像领域，特别是涉及一种复合数字全息成像方法及装置。
背景技术
数字全息技术是利用数字图像传感器，如电荷耦合器件(Charge-coupledDevice)或互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor)器件，记录物光与参考光形成的全息图，再将全息图输入计算机，通过程序模拟光的衍射传播过程得到物体的再现像。数字全息技术可同时得到物体的强度像和相位像。数字全息技术分同轴数字全息和离轴数字全息两种。同轴数字全息可以充分利用图像传感器的空间带宽积，具有视场大、理论分辨率高的特点，但同轴数字全息再现像中存在共轭像的干扰，已有的消除共轭像的方法有相移法、相位恢复法及盲源分离法等。其中相移法需要多次曝光记录多幅全息图；相位恢复法和盲源分离法只适合于透明背景上的稀疏物体的成像。离轴数字全息可以将物体的再现像与共轭像分离，但要求待测物体与图像传感器之间的距离较大，在不加光学放大透镜的情况下，系统的数值孔径较小，导致成像分辨率较低，若加入光学放大透镜，则会导致成像视场较小。
同轴数字全息记录光路比较简单，一般先将激光进行扩束准直成平行光，透过待测物体后照射到数码相机的图像传感器上形成同轴数字全息图，一般采用单色(黑白)数码相机记录同轴数字全息图。现有的采用相位恢复算法消除共轭像的同轴数字全息成像方案的实现过程如下：
(1)利用同轴数字全息图，根据公式：生成图像传感器平面(Recording plane)内物光波的复振幅，其中，O1表示复振幅，Iin表示同轴数字全息图的强度，j表示虚数符号，的初始值设为一常数，通常取0或1。
(2)利用角谱传播法将图像传感器平面内物光波的复振幅O1反向传播到待测物体平面(Objectplane)内，得到待测物体平面(Objectplane)内的复振幅分布O2；
(3)查找O2的振幅大于1的像素点，将其振幅更新为1；
(4)利用角谱传播法将更新后的待测物体平面(Objectplane)内的复振幅O2正向传播至图像传感器平面(Recordingplane)内，并用替换它的振幅，得到新的图像传感器平面(Recordingplane)内物光波的复振幅O3；
(5)重复(2)～(4)步进行迭代运算，直到收敛。输出待测物体平面(Object plane)内的物光波的复振幅分布O2，得到待测物体的再现像。
现有技术主要存在以下缺点：
1、在已有的同轴数字全息相位恢复算法中，图像传感器平面内的物光波复振幅的相位初始值被设为一个常数，在待测物体平面内只将物光波复振幅的强度作为约束条件。因此，已有的相位恢复算法要求待测物体为处于均匀透明背景上的稀疏物体，或要求待测物体引起的相位起伏小于π/2的条件下才能起到较好的消除共轭像的作用。
2、在已有的同轴数字全息相移法需要多次曝光记录多幅全息图，不适合用于对动态待测物体成像。
3、离轴数字全息要求待测物体与图像传感器之间的距离较大，在不加光学放大透镜的情况下，系统的数值孔径较小，导致成像分辨率较低，若加入光学放大透镜，则会导致成像视场较小。
因此，如何提供一种适用于复杂形状的待测物体、或待测物体处于强相位畸变条件下的大视场、高分辨率的数字全息成像方法及装置，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合数字全息成像方法，适用于复杂形状的待测物体，且待测物体处于强相位畸变条件下时，具有视场大和分辨率高的特点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种复合数字全息成像方法，所述方法包括：
获取待测对象的离轴数字全息图和同轴数字全息图，其中，所述离轴数字全息图和所述同轴数字全息图为同时记录获得的图像；
根据所述离轴数字全息图确定图像传感器平面内的物光波的第一相位的分布和待测物体平面内的所述物光波的第二相位的分布；
根据所述同轴数字全息图的强度和所述第一相位，确定所述图像传感器平面内的所述物光波的第一复振幅；
将所述第一复振幅反向传播到所述待测物体平面内，得到所述待测物体平面内的所述物光波的第二复振幅，将所述第二复振幅中大于1的振幅对应的像素点的振幅更新为1，并根据所述第二相位的分布中对应像素点的相位更新所述大于1的振幅对应的像素点的相位；
将所述第二复振幅正向传播至所述图像传感器平面内，得到所述图像传感器平面内的所述物光波的第三复振幅，并根据所述同轴数字全息图的强度更新所述第三复振幅中的振幅；
判断所述第三复振幅与所述第一复振幅的差值是否小于设定阈值，
若是，根据所述第二复振幅确定所述待测对象的数字全息再现象；
若否，将所述第三复振幅反向传播到所述待测物体平面内，得到所述待测物体平面内的所述物光波的第二复振幅。
可选的，根据公式：确定所述图像传感器平面内的所述物光波的第一复振幅，其中，O'表示所述第一复振幅，Iin表示所述同轴数字全息图的强度，表示所述物光波的第二相位，j表示虚数符号。
可选的，所述根据所述第二相位的分布中对应像素点的相位更新所述大于1的振幅对应的像素点的相位具体包括：
将所述大于1的振幅对应的像素点的相位对应更新为所述第二相位的分布中对应像素点的相位。
可选的，利用角谱传播法将所述第一复振幅反向传播到所述待测物体平面内。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明利用离轴数字全息图重建得到的图像传感器平面(Recording plane)内物光波的低精度相位分布作为同轴数字全息图相位恢复迭代重建的初始相位，在待测物体平面内加入了从离轴数字全息图重建得到的物光波的低精度相位分布作为同轴数字全息图相位恢复迭代重建的约束条件。因此，本发明提供的方法在复杂形状的待测物体，或待测物体处于强相位畸变条件下也可以很好地消除其共轭像。而且，由于离轴数字全息图和同轴数字全息图是同时记录的，因此，本发明提供的方法适合用于对动态待测物体成像。
本发明只需要从离轴数字全息图中重建出低精度相位信息，待测物体到图像传感器之间的距离不必受已有离轴数字全息记录距离的条件限制，本发明中待测物体到图像传感器之间的距离可以较小，其对图像传感器的空间带宽积的利用率与同轴数字全息相同，且可消除共轭像的影响。因此，本发明提供的方法具有较高的分辨率和具有较大的视场。
本发明的目的还在于提供一种复合数字全息成像装置，适用于复杂形状的待测物体，且待测物体处于强相位畸变条件下时，具有视场大和分辨率高的特点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种复合数字全息成像装置，所述装置包括：第一激光器、第二激光器、第一准直器、第二准直器、第一反射镜、第二反射镜、第一分束器、第二分束器、第三分束器、彩色相机和计算机，其中，待测对象设置在所述第二分束器和所述第三分束器之间，
所述第一准直器，用于将所述第一激光器发出的激光准直为第一平行光束；
所述第一分束器，用于将所述第一平行光束分为离轴物光束和离轴参考光束；
所述第一反射镜，用于将所述离轴参考光束反射到所述第三分束器上；
所述第二准直器，用于将所述第二激光器发出的激光准直为第二平行光束；
所述第二反射镜，用于将所述第二平行光束反射到所述第二分束器上，形成同轴物光束；
所述第二分束器，用于将所述离轴物光束及所述同轴物光束传播到所述第三分束器上；
所述第三分束器，用于将所述离轴参考光束与所述离轴物光束合波干涉，形成离轴光束，并用于将所述离轴光束和所述同轴物光束照射到所述彩色相机上；
所述彩色相机，用于根据接收到的离轴光束生成离轴数字全息图，并用于根据接收到的所述同轴物光束形成同轴数字全息图；
所述计算机，与所述彩色相机连接，用于获取待测对象的离轴数字全息图和同轴数字全息图，其中，所述离轴数字全息图和所述同轴数字全息图为同时记录获得的图像；
根据所述离轴数字全息图确定图像传感器平面内的物光波的第一相位的分布和待测物体平面内的所述物光波的第二相位的分布；
根据所述同轴数字全息图的强度和所述第一相位，确定所述图像传感器平面内的所述物光波的第一复振幅；
将所述第一复振幅反向传播到所述待测物体平面内，得到所述待测物体平面内的所述物光波的第二复振幅，将所述第二复振幅中大于1的振幅对应的像素点的振幅更新为1，并根据所述第二相位的分布中对应像素点的相位更新所述大于1的振幅对应的像素点的相位；
将所述第二复振幅正向传播至所述图像传感器平面内，得到所述图像传感器平面内的所述物光波的第三复振幅，并根据所述同轴数字全息图的强度更新所述第三复振幅中的振幅；
判断所述第三复振幅与所述第一复振幅的差值是否小于设定阈值，
若是，根据所述第二复振幅确定所述待测对象的数字全息再现象；
若否，将所述第三复振幅反向传播到所述待测物体平面内，得到所述待测物体平面内的所述物光波的第二复振幅。
可选的，所述第一准直器和所述第二准直器为准直透镜。
可选的，所述第一分束器、所述第二分束器和所述第三分束器为分光棱镜。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明利用两种不同波长的激光光源分别形成离轴数字全息图和同轴数字全息图，利用彩色相机通过单次曝光即可同时记录离轴数字全息图和同轴数字全息图，因此，本发明提供的复合数字全息成像装置适用于对动态待测物体成像。
计算机利用离轴数字全息图重建得到的图像传感器平面(Recording plane)内物光波的低精度相位分布作为同轴数字全息图相位恢复迭代重建的初始相位，在待测物体平面内加入了从离轴数字全息图重建得到的物光波的低精度相位分布作为同轴数字全息图相位恢复迭代重建的约束条件。因此，本发明提供的复合数字全息成像装置在复杂形状的待测物体，或待测物体处于强相位畸变条件下也可以很好地消除其共轭像。
本发明只需要从离轴数字全息图中重建出低精度相位信息，待测物体到图像传感器之间的距离不必受已有离轴数字全息记录距离的条件限制，本发明中待测物体到图像传感器之间的距离可以较小，其对图像传感器的空间带宽积的利用率与同轴数字全息相同，且可消除共轭像的影响。因此，本发明提供的复合数字全息成像装置具有较高的分辨率和具有较大的视场。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例1复合数字全息成像方法的流程图；
图2为本发明实施例2复合数字全息成像装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种复合数字全息成像方法，适用于复杂形状的待测物体，且待测物体处于强相位畸变条件下时，具有视场大和分辨率高的特点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，复合数字全息成像方法包括：
步骤101：获取待测对象的离轴数字全息图和同轴数字全息图，其中，离轴数字全息图和同轴数字全息图为同时记录获得的图像；
步骤102：根据离轴数字全息图确定图像传感器平面内的物光波的第一相位的分布和待测物体平面内的物光波的第二相位的分布；
步骤103：根据同轴数字全息图的强度和第一相位，确定图像传感器平面内的物光波的第一复振幅；具体地，根据公式：确定图像传感器平面内的物光波的第一复振幅，其中，O'表示第一复振幅，Iin表示同轴数字全息图的强度，表示物光波的第二相位，j表示虚数符号。
步骤104：利用角谱传播法将所述第一复振幅反向传播到所述待测物体平面内，得到所述待测物体平面内的所述物光波的第二复振幅，将所述第二复振幅中大于1的振幅对应的像素点的振幅更新为1，并根据所述第二相位的分布中对应像素点的相位更新所述大于1的振幅对应的像素点的相位。具体地，根据第二相位的分布中对应像素点的相位更新大于1的振幅对应的像素点的相位具体包括：将大于1的振幅对应的像素点的相位对应更新为第二相位的分布中对应像素点的相位。
步骤105：利用角谱传播法将所述第二复振幅正向传播至所述图像传感器平面内，得到所述图像传感器平面内的所述物光波的第三复振幅，并根据所述同轴数字全息图的强度更新所述第三复振幅中的振幅；
步骤106：判断所述第三复振幅与所述第一复振幅的差值是否小于设定阈值；若否，执行步骤104。
步骤107：若是，根据第二复振幅确定待测对象的数字全息再现象。
本实施例利用从离轴数字全息图重建得到的图像传感器平面(Recording plane)内物光波的低精度相位分布作为同轴数字全息图相位恢复迭代重建的初始相位分布。利用从离轴数字全息图重建得到的待测物体(Object)平面内的物光波的低精度相位分布作为同轴数字全息图相位恢复迭代重建的约束条件。因此，本发明提供的复合数字全息成像方法在复杂形状的待测物体，或待测物体处于强相位畸变条件下也可以很好地消除其共轭像，适用于对复杂形状的待测物体或者处于强相位畸变背景中的待测物体进行成像，具有视场大和分辨率高的特点。
实施例2：
如图2所示，复合数字全息成像装置包括：第一激光器201、第二激光器202、第一准直器203、第二准直器204、第一反射镜205、第二反射镜206、第一分束器207、第二分束器208、第三分束器209、彩色相机210、计算机211、第一光纤212和第二光纤213，其中，待测对象200设置在第二分束器208和第三分束器209之间，第一光纤212用于连接第一激光器201和第一准直器203，第二光纤213用于连接第二激光器202和第二准直器204，
第一准直器203，用于将第一激光器201发出的激光准直为第一平行光束；
第一分束器207，用于将第一平行光束分为离轴物光束和离轴参考光束；
第一反射镜205，用于将离轴参考光束反射到第三分束器209上；
第二准直器204，用于将第二激光器202发出的激光准直为第二平行光束；
第二反射镜206，用于将第二平行光束反射到第二分束器208上，形成同轴物光束；
第二分束器208，用于将离轴物光束及同轴物光束传播到第三分束器209上；
第三分束器209，用于将离轴参考光束与离轴物光束合波干涉，形成离轴光束，并用于将离轴光束和同轴物光束照射到所述彩色相机210上；
彩色相机210，用于根据接收到的离轴光束生成离轴数字全息图，并用于根据接收到的同轴物光束形成同轴数字全息图；
计算机211，与彩色相机210连接，用于：
获取待测对象200的离轴数字全息图和同轴数字全息图；
根据离轴数字全息图确定图像传感器平面内的物光波的第一相位的分布和待测物体平面内的物光波的第二相位的分布；
根据同轴数字全息图的强度和第一相位，确定图像传感器平面内的物光波的第一复振幅；
将第一复振幅反向传播到待测物体平面内，得到待测物体平面内的物光波的第二复振幅，将第二复振幅中大于1的振幅对应的像素点的振幅更新为1，并根据第二相位的分布中对应像素点的相位更新大于1的振幅对应的像素点的相位；
将第二复振幅正向传播至图像传感器平面内，得到图像传感器平面内的物光波的第三复振幅，并根据同轴数字全息图的强度更新第三复振幅中的振幅；
判断第三复振幅与第一复振幅的差值是否小于设定阈值，
若是，根据第二复振幅确定待测对象的数字全息再现象；
若否，将第三复振幅反向传播到待测物体平面内，得到待测物体平面内的物光波的第二复振幅。
本实施例中，第一准直器203和第二准直器204为准直透镜；第一分束器207、第二分束器208和第三分束器209为分光棱镜。
复合数字全息成像装置的工作过程如下：
第一激光器201、第二激光器202发出两种不同颜色的激光，可根据实际需要具体设置为红、绿、蓝三种颜色中的任意两种。第一激光器201发出的光经过第一光纤212传输后，经第一准直器203后变成平行光，再由第一分束器207分成两束，其中一束作为参考光束，另一束作为物光束。参考光束经第一反射镜205反射，再经第三分束器209反射到彩色相机210的图像传感器上。物光束经过第二分束器208反射后透过待测物体200，再透过第三分束器209照射到彩色相机210的图像传感器上，与参考光束相互干涉形成离轴数字全息图。第二激光器202发出的光经过第二光纤213传输后，经第二准直器204后变成平行光，经第二反射镜206反射后透过第二分束器208，再透过待测物体200和第三分束器209照射到彩色相机210的图像传感器上，形成同轴数字全息图。彩色相机210用于同时拍摄分别为不同颜色的离轴数字全息图和同轴数字全息图。将彩色相机210拍摄记录的离轴数字全息图和同轴数字全息图输入计算机211进行再现，计算机211根据复合数字全息成像方法，重建出待测物体200的图像，从而得到待测对象200的数字全息再现象。
本实施例利用两种不同波长的激光光源分别形成离轴数字全息图和同轴数字全息图，利用彩色相机通过单次曝光即可同时记录离轴数字全息图和同轴数字全息图，因此，本发明提供的复合数字全息成像装置适用于对动态待测物体成像。而且，本发明提供的复合数字全息成像装置，适用于对复杂形状的待测物体或者处于强相位畸变背景中的待测物体进行成像，具有视场大和分辨率高的特点。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种复合数字全息成像方法，其特征在于，所述方法包括：
获取待测对象的离轴数字全息图和同轴数字全息图，其中，所述离轴数字全息图和所述同轴数字全息图为同时记录获得的图像；
根据所述离轴数字全息图确定图像传感器平面内的物光波的第一相位的分布和待测物体平面内的所述物光波的第二相位的分布；
根据所述同轴数字全息图的强度和所述第一相位，确定所述图像传感器平面内的所述物光波的第一复振幅；
将所述第一复振幅反向传播到所述待测物体平面内，得到所述待测物体平面内的所述物光波的第二复振幅，将所述第二复振幅中大于1的振幅对应的像素点的振幅更新为1，并根据所述第二相位的分布中对应像素点的相位更新所述大于1的振幅对应的像素点的相位；
将所述第二复振幅正向传播至所述图像传感器平面内，得到所述图像传感器平面内的所述物光波的第三复振幅，并根据所述同轴数字全息图的强度更新所述第三复振幅中的振幅；
判断所述第三复振幅与所述第一复振幅的差值是否小于设定阈值，
若是，根据所述第二复振幅确定所述待测对象的数字全息再现象；
若否，将所述第三复振幅反向传播到所述待测物体平面内，得到所述待测物体平面内的所述物光波的第二复振幅。
2.根据权利要求1所述的复合数字全息成像方法，其特征在于，根据公式：确定所述图像传感器平面内的所述物光波的第一复振幅，其中，O'表示所述第一复振幅，Iin表示所述同轴数字全息图的强度，表示所述物光波的第二相位，j表示虚数符号。
3.根据权利要求1所述的复合数字全息成像方法，其特征在于，所述根据所述第二相位的分布中对应像素点的相位更新所述大于1的振幅对应的像素点的相位具体包括：
将所述大于1的振幅对应的像素点的相位对应更新为所述第二相位的分布中对应像素点的相位。
4.根据权利要求1所述的复合数字全息成像方法，其特征在于，利用角谱传播法将所述第一复振幅反向传播到所述待测物体平面内。
5.一种复合数字全息成像装置，其特征在于，所述装置包括：第一激光器、第二激光器、第一准直器、第二准直器、第一反射镜、第二反射镜、第一分束器、第二分束器、第三分束器、彩色相机和计算机，其中，待测对象设置在所述第二分束器和所述第三分束器之间，
所述第一准直器，用于将所述第一激光器发出的激光准直为第一平行光束；
所述第一分束器，用于将所述第一平行光束分为离轴物光束和离轴参考光束；
所述第一反射镜，用于将所述离轴参考光束反射到所述第三分束器上；
所述第二准直器，用于将所述第二激光器发出的激光准直为第二平行光束；
所述第二反射镜，用于将所述第二平行光束反射到所述第二分束器上，形成同轴物光束；
所述第二分束器，用于将所述离轴物光束及所述同轴物光束传播到所述第三分束器上；
所述第三分束器，用于将所述离轴参考光束与所述离轴物光束合波干涉，形成离轴光束，并用于将所述离轴光束和所述同轴物光束照射到所述彩色相机上；
所述彩色相机，用于根据接收到的离轴光束生成离轴数字全息图，并用于根据接收到的所述同轴物光束形成同轴数字全息图；
所述计算机，与所述彩色相机连接，用于获取待测对象的离轴数字全息图和同轴数字全息图，其中，所述离轴数字全息图和所述同轴数字全息图为同时记录获得的图像；
根据所述离轴数字全息图确定图像传感器平面内的物光波的第一相位的分布和待测物体平面内的所述物光波的第二相位的分布；
根据所述同轴数字全息图的强度和所述第一相位，确定所述图像传感器平面内的所述物光波的第一复振幅；
将所述第一复振幅反向传播到所述待测物体平面内，得到所述待测物体平面内的所述物光波的第二复振幅，将所述第二复振幅中大于1的振幅对应的像素点的振幅更新为1，并根据所述第二相位的分布中对应像素点的相位更新所述大于1的振幅对应的像素点的相位；
将所述第二复振幅正向传播至所述图像传感器平面内，得到所述图像传感器平面内的所述物光波的第三复振幅，并根据所述同轴数字全息图的强度更新所述第三复振幅中的振幅；
判断所述第三复振幅与所述第一复振幅的差值是否小于设定阈值，
若是，根据所述第二复振幅确定所述待测对象的数字全息再现象；
若否，将所述第三复振幅反向传播到所述待测物体平面内，得到所述待测物体平面内的所述物光波的第二复振幅。
6.根据权利要求5所述的复合数字全息成像装置，其特征在于，所述第一准直器和所述第二准直器为准直透镜。
7.根据权利要求5所述的复合数字全息成像装置，其特征在于，所述第一分束器、所述第二分束器和所述第三分束器为分光棱镜。
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