CN107422624B - 一种基于相移技术的非相干数字全息采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用基于相移技术的非相干数字全息采集方法，属于数字图像处理领域。本发明将四步相移技术用于非相干数字全息图的记录，提出将相移干涉技术与FINCH系统相结合，从而可以有效地去除FINCH系统再现像中衍射项干扰，提高再现质量。本发明可以应用SLM等光学系统进行三维立体显示。

Description

一种基于相移技术的非相干数字全息采集方法

技术领域

本发明属于数字图像处理领域，涉及一种采用基于相移技术的非相干数字全息采集方法，具体涉及非相干数字全息图的制作与再现等相关方法。

背景技术

2007年，J.Rosen在文献“Rosen J,Brooker G.Digital spatially incoherentFresnel holography,”.Optics Letters,2007,32(8),912-914.提出了非相干数字全息记录方法：Fresnel Incoherent Correlation Holography(FINCH)，通过SLM加载相位调制模式，将每一个物点发出的光分束自相干，从而再非相干叠加形成物体全息图。这种方法由于获得的全息图质量较高，因此目前成为了人们的研究重点。

Rosen课题组在文献“Vijayakumar A,Kashter Y,Kelner R,et al.CodedAperture Incoherent Digital Holography.”Digital Holography and Three-Dimensional Imaging.2016,DW2H.4.对FINCH系统进行编码孔径改进，提出了合成孔径FINCH系统，通过在各个角度记录多路复用的子全息图，最后将所有的子全息图集合起来，用优化数值孔径来提高整个记录系统的分辨率。非相干数字全息采用的是传统的三步相移技术，记录的全息图效果不是很理想。日本的T.Nomura研究组在文献“Imbe M,NomuraT.Single-exposure phase-shifting digital holography using a random-complex-amplitude encoded reference wave.”Optics Letters,2013,52(1),A161.提出了一种单次曝光相移数字全息术，参考光被视为随机复振幅而不是随机相位，改善了记录全息图复振幅的算法，提高了其系统有效性。Y.Awatsuji等人在文献“Awatsuji Y,Sasada M,KubotaT.Parallel quasi-phase-shifting digital holography.”Applied Physics Letters,2004,85(6),1069-1071.通过在CCD前面装载2×2相移阵列器件，其具有周期性偏振频率，从而可以同时记录四幅相移全息图，并且相移步长也可以不同，从而可以应用到瞬时测量中。但是上述方法都通过改变元光路结构来改进记录质量，会影响原光路的扩展性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种采用基于相移技术的非相干数字全息采集方法，基于四步相移干涉技术，以达到提高全息图的记录质量目的。

本发明中，约定如下术语：

菲涅耳非相干相关全息：Fresnel Incoherent Correlation Holography，FINCH；数字全息图：Digital hologram；空间光调制器：Patial Light Modulator，SLM；电荷耦合器件：Charge-Coupled Device，CCD。

本发明提供的技术方案是：

一种采用相移干涉的非相干数字全息图记录方法，所述方法基于四步相移干涉技术对非相干数字全息图进行处理，以达到提高记录全息图的质量的目的，再现图像可应用于三维立体显示；所述采用相移干涉的非相干数字全息图记录方法具体包括如下步骤：

1)对物光波进行准直处理，经过透镜后，照射到SLM平面上，物光波在经过SLM反射后分为两束自相干的光波；

2)SLM工作在相位调制模式，依次加载对应的相位分布图，在两束光波上面加载需要调制的相位因子；

3)经过调制后的两束光波相互干涉，形成的干涉图样；

4)判断是否已经获得全部相位的相移全息图，如果没有，那么回到步骤2)，加载所缺相位因子继续记录非相干全息图，如果已经获得全部相位的相移全息图，那么进行到步骤5)；

5)在计算机上通过四步相移公式将之前获取的所有相移全息图进行数字处理，最终得到需要的非相干数字全息图。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明将四步相移干涉技术用于非相干数字全息图的记录，相移干涉技术是相干数字全息图记录过程中的常用方法，特别是在同轴光路中，其被广泛应用以消除再现像中的零级斑和多级衍射项干扰。因此，本发明提出将相移干涉技术与FINCH系统相结合，从而可以有效地去除FINCH系统再现像中衍射项干扰，提高再现质量。可以应用SLM等光学系统对此进行三维立体显示。本发明的优点主要体现在以下几方面：

(一)四步相移干涉技术应用到FINCH系统中显著提高了全息图的记录效果，明显改进了其再现像质量；

(二)采用同轴装置记录全息图，从而得到的全息图记录带宽大。并且没有增加对原FINCH系统要求，便于改进；

(三)对于非相干记录的全息图仍可以使用空间光调制器等进行显示，便于衔接显示系统。

具体实施例

本发明采用相移干涉的非相干数字全息图记录方法，所述方法基于四步相移干涉技术对非相干数字全息图进行处理，以达到提高记录全息图的质量的目的，再现图像可应用于三维立体显示；所述采用相移干涉的非相干数字全息图记录方法具体包括如下步骤：

1)对物光波进行准直处理，经过透镜后，调整好角度(入射角保持在40度左右)照射到SLM平面上。

2)SLM工作在相位调制模式，依次加载对应的相位分布图。物光波在经过SLM反射后，会被分为两束自相干的光波，并且由于SLM上加载了相位图，所以会起到相位调制的作用，从而会在分束光波上面加载需要调制的相位因子。

3)经过调制后的两束光波相互干涉，形成的干涉图样。CCD记录下干涉图样，就是相移的非相干全息图。然后将记录的全息图传输给计算机。

4)判断是否已经获得全部相位的相移全息图，如果没有，那么回到步骤2)，加载所缺相位因子继续记录非相干全息图。如果已经获得全部相位的相移全息图，那么进行到步骤5)。

5)在计算机上通过四步相移公式将之前获取的所有相移全息图进行数字处理，按照3.1章节的公式，最终得到需要的非相干数字全息图。

步骤5)所述对非相干数字全息图进行数字处理，具体包括如下步骤：

511)四幅数字全息图如式1所示：

式1中，a₁、a₂分别为物光和参考光的振幅，φ是物光的原始相位，四次的相移值分别是0、π、

512)相位如式2所示：

则物光的复振幅可以通过式3得到：

针对上述采用相移干涉的非相干数字全息图记录方法，进一步地，当采用N步相移干涉法时，每次的固定的相位差是2π/N。设第n张全息图的强度为：

I_n(x，y)＝A(x，y)+B(x，y)cos[φ(x，y)+2πn/N]n＝0，2，…，N-1 (式4)

因此对于N步相移算法，可以计算出其相位函数是：

设第n张全息图的附加相移是：

δ_n＝2πn/N n＝0，2，…，N-1 (式6)

带入式5，可以得到：

对式7左右两边同时进行微分操作，可以得到相位误差：

将式4带入上式中的分母可以得到：

从而式9可以进一步化简得到：

为了便于讨论分析，假设系统的非线性误差存在三阶非线性项^[50,54]。那么CCD对输入光强的响应I′_n可表示为：

其中e₀、e₁、e₂、e₃分别是各阶的非线性响应系数，。I_n为输入光强。则对于光强的探测误差可以表示为：

考虑到当N≥2时，存在下列等式：

同时将式6和式12代入式13，可以得到：

其中，3e₃AB+e₂B＝4β，e₃B²＝8r。

当N＝2时，因为：

所以当N＝2时,式14可以得到：

当N＝3时，因为：

所以当N＝3时,式14可以得到:

当N＝4，5，…时，因为：

所以其对应的dφ＝0。

根据上面的推导可以总结出下面结论：

上述采用相移干涉的非相干数字全息图记录方法，使用四步相移技术来记录非相干数字全息图，从理论上分析可以降低全息图的非线性误差。该方案并没有改变原FINCH系统结构，提高了记录全息图的质量，可以应用SLM等光学系统对此进行三维立体显示。本发明提供的方法对于非相干数字全息图记录质量上能达到较优水平。

Claims (3)

1.一种采用相移干涉的非相干数字全息图记录方法，具体包括如下步骤：

1)对物光波进行准直处理，经过透镜后，照射到SLM平面上，物光波在经过SLM反射后分为两束自相干的光波；

2)SLM工作在相位调制模式，依次加载对应的相位分布图，在两束光波上面加载需要调制的相位因子；

3)经过调制后的两束光波相互干涉，形成的干涉图样；

4)判断是否已经获得全部相位的相移全息图，如果没有，那么回到步骤2)，加载所缺相位因子继续记录非相干全息图，如果已经获得全部相位的相移全息图，那么进行到步骤5)；

5)在计算机上通过四步相移公式将之前获取的所有相移全息图进行数字处理，最终得到需要的非相干数字全息图。

2.如权利要求1所述的采用相移干涉的非相干数字全息图记录方法，其特征在于，步骤3)中CCD记录下干涉图样，将记录的全息图传输给计算机。

3.如权利要求1所述的采用相移干涉的非相干数字全息图记录方法，其特征在于，步骤5)所述对非相干数字全息图进行数字处理，具体包括如下步骤：

5-11)四幅数字全息图如式1所示：

式1中，a₁、a₂分别为物光和参考光的振幅，φ是物光的原始相位，四次的相移值分别是0、π、

5-12)相位如式2所示：

则物光的复振幅通过式3得到：