CN107526278B - 一种基于衍射光栅的数字全息成像方法、系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于衍射光栅的数字全息成像方法、系统，该方法通过对波长为λ的激光进行分光，形成第一光束和第二光束；通过在待成像透明物体背面的衍射光栅对入射到所述待成像透明物体的所述第一光束进行衍射调制，形成沿衍射方向的第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波；对所述第一级物光波、所述第二级物光波、所述第三级物光波、所述第二光束进行合束，使所述第一级物光波、所述第二级物光波、所述第三级物光波、所述第二光束发生干涉以形成离轴全息图；通过像感器采集所述离轴全息图以形成数字全息成像图。该方法大大提高成像质量，简单易行，对系统稳定性要求不高，且视场扩展效果显著。
Description
技术领域
本发明涉及数字全息成像技术领域，尤其涉及一种基于衍射光栅的数字全息成像方法、系统。
背景技术
数字全息具有动态快速、非侵入式无损成像的优点，其中无透镜数字全息成像方式，因为其结构简单稳定，成像结果优质，被广泛应用在生物医学成像、粒子场成像等众多透射式成像领域中。由于记录材料的数字化，即像感器的感光面积较小，数字全息的成像视场受到很多的限制，成像区域不能满足宽视场成像分析的需求。
为了获得宽视场成像，比较常见的方式有：利用合成孔径技术可以获得大视场成像，通过改变照明角度或者改变像感器的位置以及用线阵相机进行扫描，获得一系列全息图，进行算法合成，可以增大视场，但是这种方法需要扫描，对系统稳定性要求很高，并且不能动态处理，不适用于随时间变化的成像场合。另外在数字全息中，调制物光场也是实现宽视场成像的另一个有效手段，通过金属粒子在物平面的随机运动，将更多的高频信息调制到像感器平面，扩大成像视场，该方法也需要多次曝光，系统稳定性要求高以及时间成本大。
因此，如何降低对系统稳定性的要求以及提高成像质量是数字全息成像技术成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于衍射光栅的数字全息成像方法，该方法通过对波长为λ的激光进行分光，形成第一光束和第二光束；通过在待成像透明物体背面的衍射光栅对入射到所述待成像透明物体的所述第一光束进行衍射调制，形成沿衍射方向的第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波；对所述第一级物光波、所述第二级物光波、所述第三级物光波、所述第二光束进行合束，使所述第一级物光波、所述第二级物光波、所述第三级物光波、所述第二光束发生干涉以形成离轴全息图；通过像感器采集所述离轴全息图以形成数字全息成像图。该方法大大提高成像质量，简单易行，对系统稳定性要求不高，且视场扩展效果显著。
本发明的第二个目的在于提出一种基于衍射光栅的数字全息成像系统。
为了实现上述目的，本发明第一方面实施例的基于衍射光栅的数字全息成像方法，包括：
对波长为λ的激光进行分光，形成第一光束和第二光束；
通过在待成像透明物体背面的衍射光栅对入射到所述待成像透明物体的所述第一光束进行衍射调制，形成沿衍射方向的第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波；
对所述第一级物光波、所述第二级物光波、所述第三级物光波、所述第二光束进行合束，使所述第一级物光波、所述第二级物光波、所述第三级物光波、所述第二光束发生干涉以形成离轴全息图；
通过像感器采集所述离轴全息图以形成数字全息成像图。
根据本发明实施例提供的基于衍射光栅的数字全息成像方法，将衍射光栅作为调制器件放入光路中，利用衍射光栅的衍射特性，得到多束携带待成像物体信息的物光波，每一束物光波都有特定的空间频率，而且都被像感器记录下来，并且被记录的部分是不同的，通过单次曝光便可获得数字全息成像图。进一步地，衍射光栅与待成像物体紧贴在一起，可以避免衍射光栅级次串扰带来的误差，大大提高成像质量，该方法简单易行，对系统稳定性要求不高，且视场扩展效果显著。
进一步地，所述方法还包括：
根据公式调整所述衍射光栅到所述像感器的成像距离；
其中，l为成像距离；c为比例系数，c的取值范围为0.8至1；n为所述像感器的像素数目；p为所述像感器的尺寸；d为所述衍射光栅的周期。
进一步地，形成的所述数字全息成像图为：H＝(O-1+O0+O+1+R)(O-1+O0+O+1+R)*；
其中，H表征所述数字全息成像图的强度信息；R表征所述第二光束的复振幅信息；O-1表征所述第一级物光波的复振幅信息；O0表征第二级物光波的复振幅信息；O+1表征所述第三物光波的复振幅信息。
进一步地，所述第一级物光波的空间频率、所述第二级物光波的空间频率、所述第三级物光波的空间频率不同；
其中，所述第一级物光波的空间频率为所述第二级物光波的空间频率为所述第三级物光波的空间频率为
i为虚数单位；
x是衍射光栅平面的水平方向对应的坐标值；
进一步地，所述方法还包括：
对所述数字全息成像图进行傅里叶变换以获取所述第一级物光波的频域信息、所述第二级物光波的频域信息、所述第三级物光波的频域信息。
进一步地，所述方法还包括：
基于所述第一级物光波的频域信息对所述第一级物光波从所述数字全息成像图传播到物平面的衍射过程进行数值模拟以获取第一物体成像区域；
基于所述第二级物光波的频域信息对所述第二级物光波从所述数字全息成像图传播到物平面的衍射过程进行数值模拟以获取第二物体成像区域；
基于所述第三级物光波的频域信息对所述第三级物光波从所述数字全息成像图传播到物平面的衍射过程进行数值模拟以获取第三物体成像区域；
对所述第一物体成像区域、所述第二物体成像区域、所述第三物体成像区域进行图像拼接以获得宽视场的所述数字全息成像图。
为了实现上述目的，本发明第二方面实施例的基于衍射光栅的数字全息成像系统，包括：
第一非偏振特性分光棱镜，用于对波长为λ的激光进行分光以形成第一光束和第二光束；
设置在待成像透明物体背面的衍射光栅，用于对入射到所述待成像透明物体的所述第一光束进行衍射调制以形成沿衍射方向的第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波；
第二非偏振特性分光棱镜，用于对所述第一级物光波、所述第二级物光波、所述第三级物光波、所述第二光束进行合束，使所述第一级物光波、所述第二级物光波、所述第三级物光波、所述第二光束发生干涉以形成离轴全息图；
像感器，用于采集所述离轴全息图以形成数字全息成像图。
根据本发明实施例提供的基于衍射光栅的数字全息成像系统，将衍射光栅作为调制器件放入光路中，利用衍射光栅的衍射特性，得到多束携带待成像物体信息的物光波，每一束物光波都有特定的空间频率，而且都被像感器记录下来，并且被记录的部分是不同的，通过单次曝光便可获得数字全息成像图。进一步地，衍射光栅与待成像物体紧贴在一起，可以避免衍射光栅级次串扰带来的误差，大大提高成像质量，该系统简单易行，对系统稳定性要求不高，且视场扩展效果显著。
进一步地，所述系统还包括：
根据公式调整所述衍射光栅到所述像感器的成像距离；
其中，l为成像距离；c为比例系数，c的取值范围为0.8至1；n为所述像感器的像素数目；p为所述像感器的尺寸；d为所述衍射光栅的周期。
进一步地，形成的所述数字全息成像图为：H＝(O-1+O0+O+1+R)(O-1+O0+O+1+R)*；
其中，H表征所述数字全息成像图的强度信息；R表征所述第二光束的复振幅信息；O-1表征所述第一级物光波的复振幅信息；O0表征第二级物光波的复振幅信息；O+1表征所述第三物光波的复振幅信息。
进一步地，所述第一级物光波的空间频率、所述第二级物光波的空间频率、所述第三级物光波的空间频率不同；
其中，所述第一级物光波的空间频率为所述第二级物光波的空间频率为所述第三级物光波的空间频率为
i为虚数单位；
x为衍射光栅平面的水平方向对应的坐标值；
进一步地，所述系统还包括：
频域信息提取装置，用于对所述数字全息成像图进行傅里叶变换以获取所述第一级物光波的频域信息、所述第二级物光波的频域信息、所述第三级物光波的频域信息。
进一步地，所述系统还包括：
数值模拟装置，用于基于所述第一级物光波的频域信息对所述第一级物光波从所述数字全息成像图传播到物平面的衍射过程进行数值模拟以获取第一物体成像区域；以及基于所述第二级物光波的频域信息对所述第二级物光波从所述数字全息成像图传播到物平面的衍射过程进行数值模拟以获取第二物体成像区域；以及基于所述第三级物光波的频域信息对所述第三级物光波从所述数字全息成像图传播到物平面的衍射过程进行数值模拟以获取第三物体成像区域；
图像拼接装置，用于对所述第一物体成像区域、所述第二物体成像区域、所述第三物体成像区域进行图像拼接以获得宽视场的所述数字全息成像图。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，
图1是本发明示例性的基于衍射光栅的数字全息成像系统的示意图；
图2是对图1中衍射调制时第一光束从物平面到像感器的光线传播的示意图；
图3是对图1中数值模拟时第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波传播从像感器到物平面的光线传播的示意图；
图4是本发明一实施例的基于衍射光栅的数字全息成像方法的结构示意图；
图5是本发明又一实施例的基于衍射光栅的数字全息成像方法的结构示意图；
图6是本发明一实施例的基于衍射光栅的数字全息成像系统的结构示意图。
附图标记说明：
1：固体激光器； 2：第一镀银反射镜；
3：用于针孔滤波的显微物镜； 4：针孔；
5：准直透镜； 6：第一非偏振特性分光棱镜；
7：第二镀银反射镜； 8：第一偏振片；
9：第二偏振片； 10：第三镀银反射镜；
11：第三偏振片； 12：待成像透明物体；
13：衍射光栅； 14：第二非偏振分光棱镜；
15：像感器； 16：平移台；
17：频域信息提取装置； 18：数值模拟装置；
19：图像拼接装置。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的基于衍射光栅的数字全息成像方法、系统。
参见图1，对本发明实施例提供的基于衍射光栅的数字全息成像系统的光路进行说明。
首先，自固体激光器1射出的波长为λ(比如波长λ为532nm)的激光先经过第一镀银反射镜2反射，然后射入用于针孔滤波的显微物镜3(比如显微物镜的放大倍率为40倍，数值孔径为0.63)中进行聚焦，被聚焦后进入针孔4，实现针孔滤波，同时被扩束，成为一束发散的球面波，然后进入准直透镜5，变成一束准直的平行光，通过第一非偏振特性分光棱镜6后，被分成为第一光束和第二光束。可选地，第一光束和第二光束相互垂直。
紧接着，对第一光束，先经过第三镀银反射镜10反射，然后通过第三偏振片11，成为偏振特性很好的一束线偏振光，然后正入射到待成像透明物体12和衍射光栅13(比如衍射光栅的周期为80grooves/mm)上，衍射光栅13的衍射方向在水平面内，经过衍射光栅13的衍射调制，形成沿衍射方向(即水平面内)的第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波的三束物光波。需要说明的是，衍射光栅13与待成像透明物体12紧贴在一起，可以避免衍射光栅级次串扰带来的误差，大大提高成像质量。此外，调整第三镀银反射镜10和第三偏振片11的相对位置，使第一光束正入射到待成像透明物体12和衍射光栅13上，尽量使从第三偏振片11射出的第一光束沿水平方向传播。
紧接着，对第二光束，先经过第二镀银反射镜7反射，然后入射到第一偏振片8，接着透过第二偏振片9。需要说明的是，第一偏振片8和第二偏振片9相当于强度控制器，可以对第二光束的进行强度调整，使从透过第二偏振片9的第二光束的强度与第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波的三束物光波等三束物光波的强度相当，保证第二光束和第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波产生最好的干涉效果。具体的调节方式为：基于马吕斯定律可知，调节第一偏振片8的偏振方向以改变第一偏振片8和第二偏振片9的偏振方向的夹角可以使第一偏振片8和第二偏振片9成为强度控制器，对入射的第二光束进行强度调节。
紧接着，第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波的三束物光波以及经过第二偏振片9的第二光束(可将经过第二偏振片9的第二光束视为参考波)都入射到第二非偏振特性分光棱镜14进行合束并发生干涉，形成离轴全息图(在竖直方向离轴，离轴角度约为2°)，被像感器15(比如像素数目为1024×1024,像素尺寸3.8μm)采集，像感器15固定在平移台16上，根据系统参数，可以调整像感器15到衍射光栅13之间的成像距离，调整好成像距离后，进行单次曝光便可获得数字全息成像图。
图4是本发明一实施例提供的基于衍射光栅的数字全息成像方法的流程图。参见图4，本实施例提供的基于衍射光栅的数字全息成像方法，包括：
步骤S101、对波长为λ的激光进行分光，形成第一光束和第二光束。
举例来说，可以利用固体激光器1射出的波长为λ的激光，但并不限于此；可以利用第一非偏振特性分光棱镜6将波长为λ的激光分成第一光束和第二光束，但并不限于此。可选地，在将波长为λ的激光分光前，先利用第一镀银反射镜2反射，接着进行针孔滤波，再接着利用准直透镜5以将波长为λ的激光变成一束准直的平行光。
步骤S102、通过在待成像透明物体背面的衍射光栅对入射到所述待成像透明物体的所述第一光束进行衍射调制，形成沿衍射方向的第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波。
具体地，待成像透明物体衍射光栅紧贴放置，衍射光栅作为一种调制器件，对入射到待成像透明物体的第一光束进行衍射调制。
举例来说，由第一非偏振特性分光棱镜6分出的第一光束在入射到待成像透明物体前，需改善其偏振特性，比如使第一光束经过第三偏振片11，成为偏振特性很好的一束线偏振光。此外，尽可能地保证第一光束正入射到待成像透明物体12和衍射光栅13上，如通过调整好第三偏振片11、待成像透明物体12和衍射光栅13的位置关系来保证。
此外，保证衍射光栅至少能发生三级衍射，这样当第一光束透过衍射光栅时，能至少形成沿衍射方向的第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波。
需要说明的是，第一级物光波的空间频率、第二级物光波的空间频率、第三级物光波的空间频率不同；其中，第一级物光波的空间频率为第二级物光波的空间频率为第三级物光波的空间频率为也就是说，第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波的都是光束的物体信息的空间复制，但存在空间角度分离。其中，i为虚数单位，x为衍射光栅平面的水平方向对应的坐标值，
步骤S103、对所述第一级物光波、所述第二级物光波、所述第三级物光波、所述第二光束进行合束，使所述第一级物光波、所述第二级物光波、所述第三级物光波、所述第二光束发生干涉以形成离轴全息图。
图2是对图1中衍射调制时第一光束从物平面到像感器的光线传播的示意图。入射到待成像透明物体12的第一光速被衍射光栅调制形成第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波，第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波，都是物体信息的空间复制，但是存在空间角度分离，当它们到达像感器15采集区域时，被采集的物体信息是不同的，设计并调整好系统参数后，利用像素复用，像感器可以采集3倍于其尺寸的成像区域，进而实现宽视角的数字全息成像图。需要说明的是，图2中的箭头表示的是第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波从物平面向像感器传播，物平面指待成像透明物体所在的平面。
举例来说，第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波的三束物光波以及经过第二偏振片9的第二光束(可将经过第二偏振片9的第二光束视为参考波)都入射到第二非偏振特性分光棱镜14进行合束并发生干涉，形成离轴全息图(竖直方向离轴，离轴角度约为2°)，被像感器15(比如像素数目为1024×1024,像素尺寸：3.8μm)采集，像感器15固定在平移台16上，根据系统参数，可以调整像感器15到衍射光栅13之间的成像距离，调整好成像距离后，进行单次曝光便可获得数字全息成像图。本实施例利用像感器的像素复用技术和参考波干涉技术，以实现获取成像质量更好的数字全息成像图。
需要说明的是，根据系统参数调整像感器15到衍射光栅13之间的成像距离，具体为：
根据公式调整衍射光栅到像感器的成像距离；
其中，l为成像距离；c为比例系数，c的取值范围为0.8至1；n为所述像感器的像素数目；p为所述像感器的尺寸；d为所述衍射光栅的周期。本实施例通过参数匹配技术调整像感器15到衍射光栅13之间的成像距离，以实现获取成像质量更好地数字全息成像图。
步骤S104、通过像感器采集所述离轴全息图以形成数字全息成像图。
举例来说，形成的离轴全息图(竖直方向离轴，离轴角度约为2°)，被像感器15(比如像素数目为1024×1024,像素尺寸3.8μm)采集，根据系统参数，可以调整像感器15到衍射光栅13之间的成像距离，具体地，通过移动平移台16使固定在平移台16上的像感器15到衍射光栅13之间的成像距离调整到位，调整到位后，进行单次曝光便可获得数字全息成像图。
需要说明的是，获取的数字全息成像图具有如下特性：
H＝(O-1+O0+O+1+R)(O-1+O0+O+1+R)*
＝(O-1 *O0+O0 *O-1+O-1 *O+1+O+1 *O-1+O+1 *O0+O0 *O+1)+O-1R*+O0R*+O+1R*+O-1 *R+O0 *R+O+1 *R+(|O-1|2+|O0|2+|O+1|2+|R|2)其中，H表征所述数字全息成像图的强度信息；R表征所述第二光束(即参考光波)的复振幅信息；O-1表征所述第一级物光波的复振幅信息；O0表征第二级物光波的复振幅信息；O+1表征所述第三物光波的复振幅信息；R*表征所述第二光束(即参考光波)的复振幅信息对应的共轭信息；O-1 *表征第一级物光波的复振幅信息对应的共轭信息；O-2 *表征第二级物光波的复振幅信息对应的共轭信息；O-3 *表征第三级物光波的复振幅信息对应的共轭信息；|R|表征所述第二光束(即参考光波)的复振幅信息对应的绝对值；|O-1|表征第一级物光波的复振幅信息对应的绝对值；|O-2|表征第二级物光波的复振幅信息对应的绝对值；|O-3|表征第三级物光波的复振幅信息对应的绝对值。
通过上述公式可知，本实施例中的数字全息成像图是通过衍射光栅得到多束携带待成像物体信息的物光波与可视为参考波的第二光束进行干涉而形成的，方法简单易行。
本实施例提供的基于衍射光栅的数字全息成像方法，将衍射光栅作为调制器件放入光路中，利用衍射光栅的衍射特性，得到多束携带待成像物体信息的物光波，每一束物光波都有特定的空间频率，而且都被像感器记录下来，并且被记录的部分是不同的，通过单次曝光便可获得数字全息成像图。进一步地，衍射光栅与待成像物体紧贴在一起，可以避免衍射光栅级次串扰带来的误差，大大提高成像质量，该方法简单易行，对系统稳定性要求不高，且视场扩展效果显著。
图5是本发明又一实施例提供的基于衍射光栅的数字全息成像方法的流程图。参见图5，本实施例提供的基于衍射光栅的数字全息成像方法，包括：
步骤S201、对波长为λ的激光进行分光，形成第一光束和第二光束。
步骤S202、通过在待成像透明物体背面的衍射光栅对入射到所述待成像透明物体的所述第一光束进行衍射调制，形成沿衍射方向的第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波。
步骤S203、对所述第一级物光波、所述第二级物光波、所述第三级物光波、所述第二光束进行合束，使所述第一级物光波、所述第二级物光波、所述第三级物光波、所述第二光束发生干涉以形成离轴全息图。
步骤S204、通过像感器采集所述离轴全息图以形成数字全息成像图。
需要说明的是，步骤S201、步骤S202、步骤S203、步骤S204同上述实施例中的步骤S101、步骤S102、步骤S103、步骤S104的实现方式相同，在此不再赘述。
步骤S205、对所述数字全息成像图进行傅里叶变换以获取所述第一级物光波的频域信息、所述第二级物光波的频域信息、所述第三级物光波的频域信息。
具体地，借助于像感器的像素复用技术以及数字全息的参考波干涉技术，被记录的物光波在空间上是重叠在一起的，但是在频域中是相互分离的，利用频域滤波技术可以得到不同的物光波的频域信息，也就得到了对应的物体不同部分的信息，然后进行简单分析处理，便可以得到相比于记录的视场扩大了的宽视场成像结果。故，本实施例对数字全息成像图进行傅里叶变换以获取第一级物光波的频域信息、第二级物光波的频域信息、第三级物光波的频域信息。可选地，通过频谱提取技术从频域信息中提取频谱信息，对频谱信息进行简单分析处理，便可以得到视场进一步扩大的宽视场的所述数字全息成像图。
步骤S206、基于所述第一级物光波的频域信息对所述第一级物光波从所述数字全息成像图传播到物平面的衍射过程进行数值模拟以获取第一物体成像区域；
基于所述第二级物光波的频域信息对所述第二级物光波从所述数字全息成像图传播到物平面的衍射过程进行数值模拟以获取第二物体成像区域；
基于所述第三级物光波的频域信息对所述第三级物光波从所述数字全息成像图传播到物平面的衍射过程进行数值模拟以获取第三物体成像区域；
对所述第一物体成像区域、所述第二物体成像区域、所述第三物体成像区域进行图像拼接以获得宽视场的所述数字全息成像图。
具体地，数值模拟也叫计算机模拟。依靠电子计算机，结合有限元或有限容积的概念，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。在本实施例中，利用数值模拟技术对第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波传播到原物平面进行数值模拟以重建出了比如3倍于像感器尺寸的宽视场的数字全息成像图。此外，本实施例中未借助透镜，所获取的宽视场的数字全息成像图可视为宽视场的无透镜数字全息成像图。
具体地，图像拼接技术就是将数张有重叠部分的图像(可能是不同时间、不同视角或者不同传感器获得的)拼成一幅大型的无缝高分辨率图像的技术。图像拼接技术可以是现有的常规技术，在此不再详述。本实施例通过对第一物体成像区域、第二物体成像区域、第三物体成像区域使用图像拼接技术进行图像拼接可获取质量更好地宽视场的所述数字全息成像图。
图3是对图1中数值模拟时第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波传播从像感器到物平面的光线传播的示意图。不同的级次的物光波有不同的空间频率，意味着会第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波朝着不同方向传播，当它们传播到原物平面上时，就重建出了比如3倍于像感器尺寸的物体，实现了宽视场的数字全息成像图。需要说明的是，图3中的箭头表示第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波从像感器所在平面向物平面进行数值模拟。
本实施例提供的基于衍射光栅的数字全息成像方法，利用频域滤波技术可以得到不同的物光波的频域信息，也就得到了对应的物体不同部分的信息，以及对衍射过程进行数值模拟以重建成像区域，对多块成像区域进行图像拼接实现获得宽视场的数字全息成像图。
图6是本发明一实施例提供的基于衍射光栅的数字全息成像系统的结构示意图。本实施例提供的数字全息成像系统主要包括：第一非偏振特性分光棱镜、衍射光栅、第二非偏振特性分光棱镜、像感器、频域信息提取装置、数值模拟装置、图像拼接装置，当然也可以包括图1中的部分或全部的器件，按照图1所示的连接关系连接各器件，但并不限于此。
参见图6，本实施例提供的基于衍射光栅的数字全息成像系统，包括：
第一非偏振特性分光棱镜，用于对波长为λ的激光进行分光以形成第一光束和第二光束；
设置在待成像透明物体背面的衍射光栅，用于对入射到所述待成像透明物体的所述第一光束进行衍射调制以形成沿衍射方向的第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波；
第二非偏振特性分光棱镜，用于对所述第一级物光波、所述第二级物光波、所述第三级物光波、所述第二光束进行合束，使所述第一级物光波、所述第二级物光波、所述第三级物光波、所述第二光束发生干涉以形成离轴全息图；
像感器，用于采集所述离轴全息图以形成数字全息成像图。
可选地，根据公式调整所述衍射光栅到所述像感器的成像距离；
其中，l为成像距离；c为比例系数，c的取值范围为0.8至1；n为所述像感器的像素数目；p为所述像感器的尺寸；d为所述衍射光栅的周期。
可选地，形成的所述数字全息成像图为：H＝(O-1+O0+O+1+R)(O-1+O0+O+1+R)*；
其中，H表征所述数字全息成像图的强度信息；R表征所述第二光束(即参考光波)的复振幅信息；O-1表征所述第一级物光波的复振幅信息；O0表征第二级物光波的复振幅信息；O+1表征所述第三物光波的复振幅信息。
可选地，所述第一级物光波的空间频率、所述第二级物光波的空间频率、所述第三级物光波的空间频率不同；
其中，所述第一级物光波的空间频率为所述第二级物光波的空间频率为所述第三级物光波的空间频率为
可选地，还包括：
频域信息提取装置17，用于对所述数字全息成像图进行傅里叶变换以获取所述第一级物光波的频域信息、所述第二级物光波的频域信息、所述第三级物光波的频域信息。
可选地，还包括：
数值模拟装置18，用于基于所述第一级物光波的频域信息对所述第一级物光波从所述数字全息成像图传播到原物平面的衍射过程进行数值模拟以获取第一物体成像区域；以及基于所述第二级物光波的频域信息对所述第二级物光波从所述数字全息成像图传播到原物平面的衍射过程进行数值模拟以获取第二物体成像区域；以及基于所述第三级物光波的频域信息对所述第三级物光波从所述数字全息成像图传播到原物平面的衍射过程进行数值模拟以获取第三物体成像区域；
图像拼接装置19，用于对所述第一物体成像区域、所述第二物体成像区域、所述第三物体成像区域进行图像拼接以获得宽视场的所述数字全息成像图。
需要说明的是，该系统用于执行上述方法实施例，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。
本实施例提供的基于衍射光栅的数字全息成像系统，将衍射光栅作为调制器件放入光路中，利用衍射光栅的衍射特性，得到多束携带待成像物体信息的物光波，每一束物光波都有特定的空间频率，而且都被像感器记录下来，并且被记录的部分是不同的，通过单次曝光便可获得数字全息成像图。进一步地，衍射光栅与待成像物体紧贴在一起，可以避免衍射光栅级次串扰带来的误差，大大提高成像质量，该系统简单易行，对系统稳定性要求不高，且视场扩展效果显著。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于衍射光栅的数字全息成像方法，其特征在于，包括：
对波长为λ的激光进行分光，形成第一光束和第二光束；
通过在待成像透明物体背面的衍射光栅对入射到所述待成像透明物体的所述第一光束进行衍射调制，形成沿衍射方向的第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波；
对所述第一级物光波、所述第二级物光波、所述第三级物光波、所述第二光束进行合束，使所述第一级物光波、所述第二级物光波、所述第三级物光波、所述第二光束发生干涉以形成离轴全息图；
通过像感器采集所述离轴全息图以形成数字全息成像图。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
根据公式调整所述衍射光栅到所述像感器的成像距离；
其中，l为成像距离；c为比例系数，c的取值范围为0.8至1；n为所述像感器的像素数目；p为所述像感器的尺寸；d为所述衍射光栅的周期。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成的所述数字全息成像图为：H＝(O-1+O0+O+1+R)(O-1+O0+O+1+R)*；
其中，H表征所述数字全息成像图的强度信息；R表征所述第二光束的复振幅信息；O-1表征所述第一级物光波的复振幅信息；O0表征第二级物光波的复振幅信息；O+1表征所述第三物光波的复振幅信息。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一级物光波的空间频率、所述第二级物光波的空间频率、所述第三级物光波的空间频率不同；
其中，所述第一级物光波的空间频率为所述第二级物光波的空间频率为所述第三级物光波的空间频率为
i为虚数单位；
x是衍射光栅平面的水平方向对应的坐标值；
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
对所述数字全息成像图进行傅里叶变换以获取所述第一级物光波的频域信息、所述第二级物光波的频域信息、所述第三级物光波的频域信息。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
基于所述第一级物光波的频域信息对所述第一级物光波从所述数字全息成像图传播到物平面的衍射过程进行数值模拟以获取第一物体成像区域；
基于所述第二级物光波的频域信息对所述第二级物光波从所述数字全息成像图传播到物平面的衍射过程进行数值模拟以获取第二物体成像区域；
基于所述第三级物光波的频域信息对所述第三级物光波从所述数字全息成像图传播到物平面的衍射过程进行数值模拟以获取第三物体成像区域；
对所述第一物体成像区域、所述第二物体成像区域、所述第三物体成像区域进行图像拼接以获得宽视场的所述数字全息成像图。
7.一种基于衍射光栅的数字全息成像系统，其特征在于，包括：
第一非偏振特性分光棱镜，用于对波长为λ的激光进行分光以形成第一光束和第二光束；
设置在待成像透明物体背面的衍射光栅，用于对入射到所述待成像透明物体的所述第一光束进行衍射调制以形成沿衍射方向的第一级物光波、第二级物光波、第三级物光波；
第二非偏振特性分光棱镜，用于对所述第一级物光波、所述第二级物光波、所述第三级物光波、所述第二光束进行合束，使所述第一级物光波、所述第二级物光波、所述第三级物光波、所述第二光束发生干涉以形成离轴全息图；
像感器，用于采集所述离轴全息图以形成数字全息成像图。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，形成的所述数字全息成像图为：H＝(O-1+O0+O+1+R)(O-1+O0+O+1+R)*；
其中，H表征所述数字全息成像图的强度信息；R表征所述第二光束的复振幅信息；O-1表征所述第一级物光波的复振幅信息；O0表征第二级物光波的复振幅信息；O+1表征所述第三物光波的复振幅信息。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：
频域信息提取装置，用于对所述数字全息成像图进行傅里叶变换以获取所述第一级物光波的频域信息、所述第二级物光波的频域信息、所述第三级物光波的频域信息。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括：
数值模拟装置，用于基于所述第一级物光波的频域信息对所述第一级物光波从所述数字全息成像图传播到物平面的衍射过程进行数值模拟以获取第一物体成像区域；以及基于所述第二级物光波的频域信息对所述第二级物光波从所述数字全息成像图传播到物平面的衍射过程进行数值模拟以获取第二物体成像区域；以及基于所述第三级物光波的频域信息对所述第三级物光波从所述数字全息成像图传播到物平面的衍射过程进行数值模拟以获取第三物体成像区域；
图像拼接装置，用于对所述第一物体成像区域、所述第二物体成像区域、所述第三物体成像区域进行图像拼接以获得宽视场的所述数字全息成像图。
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