CN107367919B - 一种数字全息成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字全息成像系统，由激光器发出的光经过扩束准直单元准直成平行光束，该平行光束分成两束，一束经过反射镜反射后透过第二分束器形成参考光，另一束经过待测样品后被第三分束器反射到空间光调制器进行调制，然后被调制的光束透过第三分束器并被第二分束器反射后形成物光，参考光和物光在图像传感器表面发生干涉生成全息图；图像传感器和空间光调制器分别连接计算机，空间光调制器在全息图的曝光时间内依次加载多个不同的采样矩阵，每个采样矩阵分别用于对每个采样时间段内的物光进行调制。本发明还公开了一种数字全息成像方法。本发明的数字全息成像系统及方法，在不增加实验系统的复杂程度的情况下就能实现动态过程的实时观测。

Description

一种数字全息成像系统及方法

技术领域

本发明涉及光信息处理和快速成像技术领域，尤其涉及一种数字全息成像系统及方法。

背景技术

光学成像是一种很常见的现象，并且随着科技的发展，光学成像技术已经渗透到我们生活中的方方面面，与我们的生活密不可分。光学成像在生物和医学研究中的应用犹为广泛，研究者可以通过获取的图像来分析生物或者细胞的状态和特征，甚至进行药物作用机理的分析。

根据成像特点的不同，光学成像可以分为很多种类，而数字全息是一种典型的光学成像技术。全息是由英国物理学家Gabor于1947年发明的，它利用光的干涉实现三维物体的记录，利用衍射原理对物体进行再现。全息技术不仅可以重建出物体的振幅，而且可以重建出物体的相位信息，这是其它光学成像技术所不具备的优点。1994年，Schnars U和Juptner U利用光电传感器件记录了全息图并用计算机对其进行了数值重建，实现了全息图记录和再现过程的数字化。数字全息用光电传感器件替代了干板，不需要显影和定影的过程，因而具有结构简单、记录和再现方式灵活、适应性强、实时性好等特点，这使得数字全息更加适合动态过程的观测。

对于动态过程的观测，通常需要拍摄多张全息图，然后对所拍摄的全息图进行重建；这种情况下，帧与帧之间的时间间隔受限于所使用的图像传感器(CCD或者CMOS)。当所记录的过程变化非常快时，需要高速扫描相机，或者非常复杂的实验系统，这在很大程度上限制了数字全息在动态过程观测方面的应用。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种数字全息成像系统及方法，在不增加实验系统的复杂程度的情况下，就能实现动态过程的实时观测。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种数字全息成像系统，用于对待测样品进行全息成像，包括激光器、扩束准直单元、第一分束器、第二分束器、第三分束器、反射镜、空间光调制器、图像传感器和计算机，其中，由激光器发出的光经过所述扩束准直单元准直成平行光束，该平行光束经过所述第一分束器分成两束，其中一束经过所述反射镜反射后透过所述第二分束器形成参考光被所述图像传感器接收，另一束经过所述待测样品后被所述第三分束器反射到所述空间光调制器进行调制，然后被调制的光束透过所述第三分束器并被所述第二分束器反射后形成物光被所述图像传感器接收，所述参考光和所述物光在所述图像传感器表面发生干涉，所述图像传感器经过一段曝光时间，记录干涉生成的全息图；

所述空间光调制器和所述图像传感器分别连接所述计算机，所述空间光调制器在所述计算机的控制下在全息图的曝光时间内依次加载多个不同的采样矩阵，其中每个所述采样矩阵分别用于对每个采样时间段内的物光进行调制，所述图像传感器将所述全息图传输给所述计算机。

优选地，所述空间光调制器为反射式的振幅型空间光调制器。

本发明还公开了一种数字全息成像方法，包括以下步骤：

S1：采用上述的数字全息成像系统得到待测样品的全息图，其中在全息图的曝光时间内，所述空间光调制器在所述计算机的控制下依次加载多个不同的采样矩阵；

S2：对所述全息图进行滤波，得到只含有物光信息的复全息图；

S3：对所述复全息图进行重建，得到全息图的曝光时间内的每个采样时间段内待测样品的像。

优选地，步骤S1中对待测样品进行全息成像之前还包括：调整所述数字全息成像系统以使得所述物光和所述参考光成预定角度在所述图像传感器上发生干涉。

优选地，步骤S2具体包括：

S21：对所述全息图进行二维傅里叶变换，得到全息图的频谱；

S22：在全息图的频谱中过滤掉零级项和共轭像成分，得到物光频谱；

S23：对物光频谱进行二维逆傅里叶变换，得到只含有物光信息的复全息图。

优选地，步骤S3具体包括：采用压缩感知算法对所述复全息图进行重建得到全息图的曝光时间内的每个采样时间段内的待测样品的像。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的数字全息成像系统及方法，通过在空间光调制器上加载不同的采样矩阵对物光进行采样，可以实现采样方式的快速切换，而不用考虑掩膜的制作和快速切换的难度；通过重建，可以从单张全息图中得到时间间隔很短的多帧图像，这就摆脱了图像传感器性能的局限性；本发明的数字全息成像系统简单，避免了在光路中引入过多复杂器件或者结构可能引入的噪声及误差；本发明的数字全息成像方法通过单次拍摄的全息图，对曝光时间内任一时间段待测物品的像进行重建，实现动态过程的实时观测。

附图说明

图1是本发明优选实施例的数字全息成像系统示意图；

图2a至图2d依次是待测样品在4个采样时间段内的的原图像；

图3a至图3d是空间光调制器分别在4个采样时间段加载的采样矩阵序列示意图；

图4是直接通过逆衍射得到的重建像；

图5a至图5d是根据本发明优选实施例的数字全息成像方法得到的4个采样时间段内的待测样品的像。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明优选实施例的数字全息成像系统的示意图，其中数字全息成像系统用于对待测样品6进行全息成像，包括激光器1、空间滤波器2、凸透镜3、反射镜4、第一分束立方体5、第二分束立方体7、第三分束立方体8、空间光调制器9、图像传感器10和计算机11。

激光器1发出的光依次经过空间滤波器2、凸透镜3准直变成平行光束(其中空间滤波器2和凸透镜3组成扩束准直单元)，该平行光束经过第一分束立方体5被分成两束，一束经过反射镜4反射后，透过第二分束立方体7形成参考光被图像传感器10接收；另外一束光经过待测样品6被第三分束立方体8反射到空间光调制器9进行调制，然后被调制的光束透过第三分束立方体8并被第二分束立方体7反射形成物光被图像传感器10接收；其中参考光和物光在图像传感器10表面发生干涉，产生强度受调制的图案，即全息图，被图像传感器记录。

图像传感器10和空间光调制器9分别连接计算机11，图像传感器10将其记录的全息图传输给计算机11，被存储在计算机11中。空间光调制器9在计算机11的控制下依次加载多个不同的采样矩阵，其中每个采样矩阵分别用于对每个采样时间段内的物光进行调制。

待测样品6是透射式样品，并且该样品处于运动状态；空间光调制器9为反射式的振幅型空间光调制器，可以单独控制每一个像素点，而且能快速切换每个像素点的值，从而可以在得到全息图的时段内(曝光时间)加载一系列不同的采样矩阵；图像传感器10是以CCD或CMOS为传感器的数字相机，图像传感器10与计算机11相连并且其记录下的全息图以数字形式存储在计算机中。

在本发明优选实施例中，还公开了一种数字全息成像方法，包括以下步骤：

S1：采用图1中的数字全息成像系统拍摄待测样品的全息图，其中在全息图的曝光时间内，空间光调制器在计算机的控制下依次加载多个不同的采样矩阵；

具体地，全息图的记录过程包括：

S11：打开激光器，仔细调整使物光和参考光成预设的角度并在图像传感器上发生干涉；

S12：打开计算机和图像传感器，触发图像传感器使其开始对干涉图案进行记录，同时在计算机的控制下以一定的时间间隔依次加载一系列不同的采样矩阵到空间光调制器上，实现对物光信息的编码；

S13：由图像传感器记录下的全息图保存在计算机中。

S2：对全息图进行滤波，得到只含有物光信息的复全息图；

具体地，滤波过程包括：

S21：对步骤S1中得到的全息图进行二维傅里叶变换，得到全息图的频谱；

S22：选用适当形状的滤波窗口在频域过滤掉零级项和共轭像成分，得到物光频谱；

S23：对物光频谱进行二维逆傅里叶变换，得到只含有物光信息的复全息图。

S3：对复全息图进行重建，得到全息图的曝光时间内的每个采样时间段内待测样品的像。

具体地，采用压缩感知算法对复全息图进行重建得到全息图的曝光时间内的每个采样时间段内待测样品的像。

上述的数字全息成像方法能够实现动态过程连续捕捉，利用随时间变化的采样矩阵在单次曝光时间内对物光进行调制，从而获得的全息图中既包含空间信息，又包含时间信息。使用压缩菲涅耳全息模型，可以通过一张全息图重建出很多帧图像，这些图像分别对应待测物品不同时刻的状态，这种方法适用于超快的动态过程的观测。

在一个实施例中，选用单位振幅的平面波作为再现光垂直照射全息图，将拍摄的全息图进行滤波后得到的复全息图记为I，待测样品与空间光调制器之间的距离记为z_a(其中待测样品与空间光调制器的距离是指待测样品与空间光调制器之间的光束传播的距离)，图像传感器与空间光调制器的距离记为z_b(其中图像传感器与空间光调制器的距离是指图像传感器与空间光调制器之间的光束传播的距离)，假设在生成全息图的过程中使用的采样矩阵依次为M₁、M₂、…、M_n，则复全息图I可以表示为：

其中，g_i是每一个采样矩阵对应的采样时间段内待测样品的强度像，(x_a，y_a)为空间光调制器所在平面坐标，(x_b，y_b)为图像传感器所在平面坐标，kk为波数，n为全息图的曝光时间划分的采样时间段数。

采用压缩感知算法，得到每一个采样矩阵对应的采样时间段的物光的复振幅为：

{U₁,U₂,...，U_n}＝R_c{I；M₁,M₂,...，M_n}

其中，R_c{}表示相应的重建算法。

从而，每一个采样矩阵对应的采样时间段的重建物光场强度为：

g_i＝|U_i|²

其中，i＝1、2、…、n。

在本实施例中，n取值为4，即将全息图的曝光时间分为4个采样时间段，其中4个采样时间段不一定是等分的，根据实际情况来定，图2a至图2d是待测样品在4个采样时间段内的原图像；通过计算机的控制，在4个采样时间段内依次在空间光调制器上加载4个不同的采样矩阵，如图3a至图3d。直接对复全息图进行逆衍射计算得到的重建像如图4所示，由于待测样品处于运动状态，重建像中存在拖影；最后再通过压缩感知算法对复全息图进行重建得到4个采样时间段内待测样品的像，如图5a至图5d所示。将图5a至图5d与图2a至图2d进行比较，可以看出，通过本发明优选实施例的数字全息成像方法得到的各个采样时间段的图像的还原度非常高，即通过本发明提出的数字全息成像系统及方法可以实现动态过程的连续捕捉。

本发明的数字全息成像系统中的空间光调制器在每个采样时间段内分别加载不同的采样矩阵，以在单张全息图的记录过程中对物光进行调制，被调制的物光分别到达图像传感器表面与参考光进行干涉生成全息图，使得拍摄得到的全息图不仅包含空间信息，还包含时间信息；从而使得单张拍摄的全息图可以看作是一系列以特定方式编码的子全息图，每张子全息图可以看作一张压缩菲涅耳全息图，通过压缩感知算法可以对每张子全息图进行重建，从而得到全息图拍摄过程中不同时刻的画面，即实现了基于单张全息图的动态过程连续捕捉。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种数字全息成像系统，用于对待测样品进行全息成像，其特征在于，由激光器、扩束准直单元、第一分束器、第二分束器、第三分束器、反射镜、空间光调制器、图像传感器和计算机组成，其中，由激光器发出的光经过所述扩束准直单元准直成平行光束，该平行光束经过所述第一分束器分成两束，其中一束经过所述反射镜反射后透过所述第二分束器形成参考光被所述图像传感器接收，另一束经过所述待测样品后被所述第三分束器反射到所述空间光调制器进行调制，然后被调制的光束透过所述第三分束器并被所述第二分束器反射后形成物光被所述图像传感器接收，所述参考光和所述物光在所述图像传感器表面发生干涉，所述图像传感器经过一段曝光时间，记录干涉生成的全息图；

所述空间光调制器和所述图像传感器分别连接所述计算机，所述空间光调制器在所述计算机的控制下在全息图的曝光时间内依次加载多个不同的采样矩阵，其中每个所述采样矩阵分别用于对每个采样时间段内的物光进行调制，所述图像传感器将所述全息图传输给所述计算机。

2.根据权利要求1所述的数字全息成像系统，其特征在于，所述空间光调制器为反射式的振幅型空间光调制器。

3.一种数字全息成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：采用权利要求1或2所述的数字全息成像系统得到待测样品的全息图，其中在全息图的曝光时间内，所述空间光调制器在所述计算机的控制下依次加载多个不同的采样矩阵；

S2：对所述全息图进行滤波，得到只含有物光信息的复全息图；

S3：对所述复全息图进行重建，得到全息图的曝光时间内的每个采样时间段内的待测样品的像。

4.根据权利要求3所述的数字全息成像方法，其特征在于，步骤S1中对待测样品进行全息成像之前还包括：调整所述数字全息成像系统以使得所述物光和所述参考光成预定角度在所述图像传感器上发生干涉。

5.根据权利要求3所述的数字全息成像方法，其特征在于，步骤S2具体包括：

S21：对所述全息图进行二维傅里叶变换，得到全息图的频谱；

S22：在全息图的频谱中过滤掉零级项和共轭像成分，得到物光频谱；

S23：对物光频谱进行二维逆傅里叶变换，得到只含有物光信息的复全息图。

6.根据权利要求3所述的数字全息成像方法，其特征在于，步骤S3具体包括：采用压缩感知算法对所述复全息图进行重建得到全息图的曝光时间内的每个采样时间段内的待测样品的像。