CN107741691A - 准共光路多角度照明数字全息成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准共光路多角度照明数字全息成像系统及方法，其中系统包括：激光器；平面镜；显微物镜、针孔、准直透镜和线偏振片；非偏振分光棱镜和镀膜反射镜；用像感器采集全息图，全息图通过照射到物体上和照射到镀膜反射镜上的光波透射经过非偏振分光棱镜，并控制载有非偏振分光棱镜的二维旋转台转动得到，并对全息图进行衍射重建、频域拼接，获取高分辨率成像结果。该系统使用一个镀膜反射镜和非偏振分光棱镜紧凑布置，将非偏振分光棱镜放置于一个电动二维旋转台上，实现二维旋转，并采用准共光路设计，稳定性很好；两束干涉光来自同一个波前，干涉条纹的对比度很高；且实现角度改变的装置简单紧凑，无需机械运动，易于实用化操作。

Description

准共光路多角度照明数字全息成像系统及方法

技术领域

本发明涉及数字全息成像技术领域，特别涉及一种准共光路多角度照明数字全息成像系统及方法。

背景技术

目前，数字全息具有动态快速、非侵入式无损成像、可以实现相位成像、三维成像的优点，现在数字全息已经在生物医学成像、粒子场测量等成像领域中得到了广泛的应用。然而数字全息的分辨率不高，严重制约了应用的进一步发展，如何进一步提高数字全息的成像分辨率，成为亟待解决的科学技术问题。

在相关技术中，根据傅里叶光学理论，成像分辨率不高是因为物体经过光学系统后的高频成分不能被有效的探测并记录到，高频信息的丢失导致了分辨率的下降。为了提高数字全息成像系统的分辨率，一种方法是利用光栅的衍射，将高衍射级次携带的高频信息衍射到像感器可以准确探测的区域，进行记录这种方法将光栅作为衍射器件，但是，这种方法增加了系统的复杂度，并且光栅相移量需要准确控制。

另外，比较通用的方法是合成孔径方法提高分辨率，包括多角度照明、移动像感器等，从而获得物体更多的衍射信息。其中，多角度照明根据不同的实现方法，可以分为直接移动照明光源，改变照明角度；使用LED(Light Emitting Diode，发光二极管)阵列，依次点亮位于不同位置的LED，也相当于使用不同的照明角度照明；以及通过一个旋转器件，改变入射到物体上的照明光的角度，实现多角度照明。然而，在通过旋转器件改变入射光角度的方法中，采用的离轴式干涉光路，干涉结构不紧凑，易受环境影响，不仅实用性低，而且可靠性差，有待解决。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种准共光路多角度照明数字全息成像系统，该系统可以有效提高成像分辨率，以及系统稳定性，可以有效提高设备的实用性和可靠性，简单易实现。

本发明的另一个目的在于提出一种准共光路多角度照明数字全息成像方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种准共光路多角度照明数字全息成像系统，包括：激光器，用于发出预设波长的激光；平面镜，用于对所述激光反射改变方向；显微物镜、针孔、准直透镜和线偏振片，分别用于对所述激光进行小孔滤波、扩束准直以及线偏振，以获取沿水平方向传播的线偏振平面波；非偏振分光棱镜和镀膜反射镜；像感器，在将待成像物体置于所述非偏振分光棱镜前，在一部分线偏振平面波照射到所述待成像物体上作为物光波，其另一部分线偏振平面波照射到所述镀膜反射镜上作为参考光波，所述物光波与所述参考光波被所述非偏振分光棱镜合束，发生干涉后，用所述像感器采集全息图，其中，所述全息图通过照射到物体上的所述物光波与照射到所述镀膜反射镜上的所述参考光波干涉得到，所述物光波通过载有所述非偏振分光棱镜的二维旋转台转动调节角度，再对所述全息图进行衍射重建、频域拼接，获取高分辨率成像结果。

本发明实施例的准共光路多角度照明数字全息成像系统，可以将待成像物体放置于非偏振分光棱镜前，通过一个镀膜反射镜和非偏振分光棱镜紧凑布置，并控制载有非偏振分光棱镜的二维旋转台转动得到全息图，并对全息图进行衍射重建、频域拼接，获取高分辨率成像结果，通过改变全息图的拍摄角度，拍摄不同照明角度下的全息图，进而可以有效提高成像分辨率及其稳定性、实用性和可靠性，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的准共光路多角度照明数字全息成像系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述非偏振分光棱镜和所述镀膜反射镜沿光线行进方向紧凑布置，且所述镀膜反射镜的反射面垂直于水平面，与所述光线行进方向成45度角，以及所述非偏振分光棱镜的反射面和所述镀膜反射镜的反射面平行。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述物光波和所述参考光波被所述非偏振分光棱镜合束发生干涉，并控所述制载有非偏振分光棱镜的二维旋转台转动，形成多幅不同照明角度下的离轴全息图。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述预设波长可以为532nm，但不限于某一固定波长。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述平面镜可以为镀银反射镜，但不限于镀银反射镜。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述显微物镜放大倍率可以为40倍，且数值孔径可以为0.65，但不限于此参数。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种准共光路多角度照明数字全息成像方法，包括以下步骤：通过激光器发出预设波长的激光，并在平面镜反射改变方向后，经过小孔滤波、扩束准直以及线偏振后，获取沿水平方向传播的线偏振平面波；将待成像物体设置于所述非偏振分光棱镜前，并通过一部分线偏振平面波照射到所述待成像物体上作为物光波，其另一部分线偏振平面波照射到所述镀膜反射镜上作为参考光波，所述物光波与所述参考光波被所述非偏振分光棱镜合束，发生干涉；采集全息图，其中，所述全息图通过照射到物体上的所述物光波与照射到所述镀膜反射镜上的所述参考光波干涉得到，所述物光波通过载有所述非偏振分光棱镜的二维旋转台转动调节角度；对所述全息图进行衍射重建、频域拼接，获取高分辨率成像结果。

本发明实施例的准共光路多角度照明数字全息成像方法，可以将待成像物体放置于非偏振分光棱镜前，通过一个镀膜反射镜和非偏振分光棱镜紧凑布置，并控制载有非偏振分光棱镜的二维旋转台转动得到多幅不同照明角度下的全息图，并全息图进行衍射重建、频域拼接，获取高分辨率成像结果，通过改变全息图的拍摄角度，拍摄不同照明角度下的全息图，进而可以有效提高成像的分辨率及其稳定性、实用性和可靠性，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的准共光路多角度照明数字全息成像方法，还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述非偏振分光棱镜和所述镀膜反射镜沿光线行进方向紧凑布置，且所述镀膜反射镜的反射面垂直于水平面，与所述光线行进方向成45度角，以及所述非偏振分光棱镜的反射面和所述镀膜反射镜的反射面平行。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述物光波和所述参考光波被所述非偏振分光棱镜合束发生干涉，并控所述制载有非偏振分光棱镜的二维旋转台转动，形成多幅不同照明角度下的离轴全息图。

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为根据本发明一个实施例的准共光路多角度照明数字全息成像系统的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的二维旋转台的俯视图；

图3为根据本发明一个实施例的多角度照明的具体描述的示意图；

图4为根据本发明一个实施例的准共光路多角度照明数字全息成像方法的流程图。

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。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的准共光路多角度照明数字全息成像系统及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的准共光路多角度照明数字全息成像系统。

图1是本发明一个实施例的准共光路多角度照明数字全息成像系统的结构示意图。

如图1所示，该准共光路多角度照明数字全息成像系统100包括：激光器1、平面镜2、显微物镜3、针孔4、准直透镜5、线偏振片6、非偏振分光棱镜7、镀膜反射镜8和像感器9。

其中，激光器1用于发出预设波长的激光。平面镜1用于对激光反射改变方向。显微物镜3、针孔4、准直透镜5和线偏振片6，分别用于对激光进行小孔滤波、扩束准直以及线偏振，以获取沿水平方向传播的线偏振平面波。非偏振分光棱镜7和镀膜反射镜8。像感器9，在将待成像物体10设置于非偏振分光棱镜7前，在一部分线偏振平面波照射到待成像物体10上作为物光波、另一部分线偏振平面波照射到镀膜反射镜8上作为参考光波，物光波与参考光波被非偏振分光棱镜合束，发生干涉后，用像感器采集全息图，其中，全息图通过照射到物体上的物光波与照射到镀膜反射镜8上的参考光波干涉得到，物光波通过载有非偏振分光棱镜7的二维旋转台11转动调节角度，再对全息图进行衍射重建、频域拼接，获取高分辨率成像结果。本发明实施例的系统100可以通过一个镀膜反射镜和非偏振分光棱镜紧凑布置，并控制载有非偏振分光棱镜的二维旋转台转动得到全息图，通过改变全息图的拍摄角度，拍摄不同照明角度下的全息图，进而可以有效提高成像分辨率及其稳定性、实用性和可靠性，简单易实现。

可以理解的是，本发明实施例可以使用一束直径较大的线偏振平面波作为照明光，使用一个镀膜反射镜8和非偏振分光棱镜7紧凑布置，构成核心数字全息干涉元件，实现准共路多角度照明数字全息光路；并将非偏振分光棱镜7放置于一个二维旋转台11上，可以实现二维旋转。将待成像物体10放置于非偏振分光棱镜7前方，其中，照明光的一部分照射物体作为物光波，然后经过非偏振分光棱镜7反射；另一部分被镀膜反射镜8反射作为参考光波，同时被镀膜反射镜8反射的参考光波也透射经过非偏振分光棱镜7，物光波和参考光波被非偏振分光棱镜7合束，发生干涉，通过控制二维旋转台11的转动，从而可以实现物光波的多角度照明，拍摄多幅不同角度下的全息图，并被像感器9记录下来。然后，对得到的全息图进行程序后处理，从而可以重建得到高分辨率的物体图像。本发明实施例采用准共光路设计，稳定性很好；两束干涉光来自同一个波前，干涉条纹的对比度很高；且实现角度改变的装置简单紧凑，无需机械运动，易于实用化操作。需要说明的是二维旋转台11为电动的，可以实现自动旋转。

可选地，在本发明的一个实施例中，非偏振分光棱镜7和镀膜反射镜8沿光线行进方向紧凑布置，且镀膜反射镜8的反射面垂直于水平面，与光线行进方向成45度角，以及非偏振分光棱镜7的反射面和镀膜反射镜8的反射面平行。

也就是说，本发明实施例可以沿光线前进方向，紧凑布置一个镀膜反射镜8和非偏振分光棱镜7，镀膜反射镜8的反射面垂直于水平面，与光线行进方向成45度角，并且非偏振分光棱镜7的反射面初始布置与镀膜反射镜8的反射面平行。

进一步地，在本发明的一个实施例中，物光波和参考光波被非偏振分光棱镜7合束发生干涉，并控制载有非偏振分光棱镜7的二维旋转台11转动，形成多幅不同照明角度下的离轴全息图。

具体而言，被镀膜反射镜8反射的参考光波透射经过非偏振分光棱镜7，物光波和参考光波被非偏振分光棱镜7合束发生干涉，并在调整好之后，控制载有非偏振分光棱镜7的二维旋转台11，旋转物光波入射到像感器9上的角度，从而可以实现多角度照明，同时也改变了参考光波相对于物光波的载频，用像感器9拍摄下不同照明角度下的全息图。

可选地，在本发明的一个实施例中，预设波长可以为532nm，但不限于某一固定波长。

可选地，在本发明的一个实施例中，平面镜2可以为镀银反射镜，但不限于镀银反射镜。

可选地，在本发明的一个实施例中，显微物镜3放大倍率可以为40倍，且数值孔径可以为0.65，但不限于此参数。

在本发明的一个具体实施例中，自激光器1(波长可以为532nm)出射的线偏振光经过平面镜2反射，然后进入针孔滤波系统的显微物镜3(放大倍率为40倍，数值孔径为0.65)被聚焦，然后进入针孔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，变成一束准直的平面波，通过线偏振片6后，成为一束线偏振的平面波。来自同一个平面波前的波前，一部分照射到待成像物体10上，作为物光波，然后被非偏振分光棱镜7反射，另一部分被镀膜反射镜8反射作为参考光波，同时被镀膜反射镜8反射的参考光波经过非偏振分光棱镜7合束，与物光波干涉。并通过控制二维旋转台11，改变物光波传播角度，实现物光波和参考光波的多角度干涉。同时用像感器9记录下对应的多幅多角度干涉全息图，然后将得到的全息图进行频域合成和衍射算法的处理，便可以得到高分辨率成像结果。

另外，如图2所示，二维旋转台11可以实现纸面内的转动，改变水平方向的光线传播角度，也可以实现垂直纸面的转动，改变竖直方向的光线传播角度。如图3所示，参考光波12一经调整好，传播方向便固定下来，通过改变二维旋转台11，物光波13入射到像感器9上的角度发生变化，物光波13和参考光波12的夹角θ14也发生变化，对应不用角度下的全息图记录情景。

综上，本发明实施例可以利用激光扩束准直技术，得到一束直径较大沿水平方向传播的线偏振平面波，在传播方向上紧凑布置一个镀膜反射镜8和一个非偏振分光棱镜7，镀膜反射镜8的反射面垂直于水平面，与光线行进方向成45度角；非偏振分光棱镜7的反射面与镀膜反射镜8的反射面平行，非偏振分光棱镜7前放置待成像物体10，平面波一部分照明物体后被非偏振分光棱镜7反射作为物光波，一部分直接被镀膜反射镜7反射作为参考光波12，同时参考光波12透过非偏振分光棱镜与物光波13合束，发生干涉，通过控制载有非偏振分光棱镜7的二维旋转台11旋转，可以改变全息图的拍摄角度，用像感器9记录多幅不同角度下的全息图。发生干涉的两束光来自于同一个波前且基本共路，具有高度稳定性；结构紧凑且操作方便，具有实用化价值和潜力。

根据本发明实施例提出的准共光路多角度照明数字全息成像系统，可以将待成像物体放置于非偏振分光棱镜前，通过一个镀膜反射镜和非偏振分光棱镜紧凑布置，并控制载有非偏振分光棱镜的二维旋转台转动得到全息图，并全息图进行分析、重建，获取成像结果，通过改变全息图的拍摄角度，拍摄不同照明角度下的全息图，进而可以有效提高成像分辨率及其稳定性、实用性和可靠性，简单易实现。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的准共光路多角度照明数字全息成像方法。

图4是本发明一个实施例的准共光路多角度照明数字全息成像方法流程图。

如图4所示，该准共光路多角度照明数字全息成像方法包括以下步骤：

在步骤S401中，通过激光器发出预设波长的激光，并在平面镜反射改变方向后，经过小孔滤波、扩束准直以及线偏振后，获取沿水平方向传播的线偏振平面波。

在步骤S402中，将待成像物体设置于非偏振分光棱镜前，并通过一部分线偏振平面波照射到待成像物体上作为物光波，其另一部分线偏振平面波照射到镀膜反射镜上作为参考光波，物光波与参考光波被非偏振分光棱镜合束，发生干涉。

在步骤S403中，采集全息图，其中，全息图通过照射到物体上的物光波与照射到镀膜反射镜上的参考光波干涉得到，物光波通过载有非偏振分光棱镜的二维旋转台转动调节角度。

在步骤S404中，对全息图进行衍射重建、频域拼接，获取高分辨率成像结果。

进一步地，在本发明的一个实施例中，非偏振分光棱镜和镀膜反射镜沿光线行进方向紧凑布置，且镀膜反射镜的反射面垂直于水平面，与光线行进方向成45度角，以及非偏振分光棱镜的反射面和镀膜反射镜的反射面平行。

需要说明的是，前述对准共光路多角度照明数字全息成像系统实施例的解释说明也适用于该实施例的准共光路多角度照明数字全息成像方法，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的准共光路多角度照明数字全息成像方法，可以将待成像物体放置于非偏振分光棱镜前，通过一个镀膜反射镜和非偏振分光棱镜紧凑布置，并控制载有非偏振分光棱镜的二维旋转台转动得到全息图，并全息图进行分析、重建，获取成像结果，通过改变全息图的拍摄角度，拍摄不同照明角度下的全息图，进而可以有效提高成像的分辨率及其稳定性、实用性和可靠性，简单易实现。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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。

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 (9)

1.一种准共光路多角度照明数字全息成像系统，其特征在于，包括：

激光器，用于发出预设波长的激光；

平面镜，用于对所述激光反射改变方向；

显微物镜、针孔、准直透镜和线偏振片，分别用于对所述激光进行小孔滤波、扩束准直以及线偏振，以获取沿水平方向传播的线偏振平面波；

非偏振分光棱镜和镀膜反射镜；以及

像感器，在将待成像物体置于所述非偏振分光棱镜前，在一部分线偏振平面波照射到所述待成像物体上作为物光波，其另一部分线偏振平面波照射到所述镀膜反射镜上作为参考光波，所述物光波与所述参考光波被所述非偏振分光棱镜合束，发生干涉后，用所述像感器采集全息图，其中，所述全息图通过照射到物体上的所述物光波与照射到所述镀膜反射镜上的所述参考光波干涉得到，所述物光波通过载有所述非偏振分光棱镜的二维旋转台转动调节角度，再对所述全息图进行衍射重建、频域拼接，获取高分辨率成像结果。

2.根据权利要求1所述的准共光路多角度照明数字全息成像系统，其特征在于，所述非偏振分光棱镜和所述镀膜反射镜沿光线行进方向紧凑布置，且所述镀膜反射镜的反射面垂直于水平面，与所述光线行进方向成45度角，以及所述非偏振分光棱镜的反射面和所述镀膜反射镜的反射面平行。

3.根据权利要求1或2所述的准共光路多角度照明数字全息成像系统，其特征在于，所述物光波和所述参考光波被所述非偏振分光棱镜合束发生干涉，并控制所述载有非偏振分光棱镜的二维旋转台转动，形成多幅不同照明角度下的离轴全息图。

4.根据权利要求1所述的准共光路多角度照明数字全息成像系统，其特征在于，所述预设波长为532nm。

5.根据权利要求1所述的准共光路多角度照明数字全息成像系统，其特征在于，所述平面镜为镀银反射镜。

6.根据权利要求1所述的准共光路多角度照明数字全息成像系统，其特征在于，所述显微物镜放大倍率为40倍，且数值孔径为0.65。

7.一种准共光路多角度照明数字全息成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过激光器发出预设波长的激光，并在平面镜反射改变方向后，经过小孔滤波、扩束准直以及线偏振后，获取沿水平方向传播的线偏振平面波；

将待成像物体设置于所述非偏振分光棱镜前，并通过一部分线偏振平面波照射到所述待成像物体上作为物光波，其另一部分线偏振平面波照射到所述镀膜反射镜上作为参考光波，所述物光波与所述参考光波被所述非偏振分光棱镜合束，发生干涉；

采集全息图，其中，所述全息图通过照射到物体上的所述物光波与照射到所述镀膜反射镜上的所述参考光波干涉得到，所述物光波通过载有所述非偏振分光棱镜的二维旋转台转动调节角度；以及

对所述全息图进行衍射重建、频域拼接，获取高分辨率成像结果。

8.根据权利要求7所述的准共光路多角度照明数字全息成像方法，其特征在于，所述非偏振分光棱镜和所述镀膜反射镜沿光线行进方向紧凑布置，且所述镀膜反射镜的反射面垂直于水平面，与所述光线行进方向成45度角，以及所述非偏振分光棱镜的反射面和所述镀膜反射镜的反射面平行。

9.根据权利要求7或8所述的准共光路多角度照明数字全息成像方法，其特征在于，所述物光波和所述参考光波被所述非偏振分光棱镜合束发生干涉，并控所述制载有非偏振分光棱镜的二维旋转台转动，形成多幅不同照明角度下的离轴全息图。