CN107966111A - 一种用于数字全息重构过程的自动对焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于数字全息重构过程的自动对焦方法。该方法包括如下步骤：得到待处理数字全息图后，估算对焦距离并设置第一对焦距离区间、第二对焦距离区间、采样数和采样间隔距离，得到一系列临时对焦距离；分别对第一对焦区间和第一对焦区间内的临时对焦距离进行数字全息重构，得到光强图像序列；分别计算光强图像序列的自聚焦评价函数，得到第一评价函数曲线和第二评价函数曲线，进而作差得到差动评价曲线；在差动评价曲线横坐标为零的点附近选取一段曲线，进行线性拟合；拟合曲线过零点的位置即为图像聚焦位置。本发明可用于数字全息重构过程中的自动对焦，具有技术简单，定位精度高、速度快的特点。

Description

一种用于数字全息重构过程的自动对焦方法

技术领域

本发明涉及一种自动对焦方法，尤其涉及一种用于数字全息重构过程的自动对焦方法，属于数字全息测量领域。

技术背景

数字全息术与传统光学全息原理一致，区别在于前者的记录介质是光电转换器件CCD或CMOS，代替了传统的全息银盐干板。与传统的光学全息相比，数字全息的显著特点是不需要显影、定影与漂白等化学处理过程，可以根据复振幅分布采用数字全息重构算法同时获得物体的光强图像以及相位信息。

在数字全息重构过程中，通过模拟光学衍射来实现对被测物体的光波场重构。在数值重构过程中，重构距离的选取至关重要。重构时只有准确知道被测物体到数字图像传感器之间的距离，才能准确重构出被测样品的光强图像以及相位信息。如果偏离了这个距离，重构出来的光强图像由于处于离焦状态而变得模糊。传统自动对焦方法，通常是通过依次改变重构距离并进行数字全息重构，得到不同重构距离下的光强图像，然后通过采用合适的自聚焦判断函数，得到一系列的函数值，进而得到一条评价函数曲线，通过找到评价函数曲线的极值点，其对应的距离即为对焦面的位置。然而，传统自动对焦方法利用评价函数得到的评价函数曲线，其曲线峰值点处往往较为平滑，不利于曲线拟合，且峰值处斜率往往比较小，线性度差，不利于准确判定对焦面的位置；此外，评价函数的曲线斜率关于曲线峰值点对称，无法根据函数值的变化快速判断调焦运动方向，因而也不利于软件快速自动搜索处理。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种用于数字全息重构过程的自动对焦方法，其目的在于实现数字全息测量过程中的自动聚焦，便于快速准确获取被测物体表面三维形貌。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现的，一种应用于数字全息重构过程的自动对焦方法，该方法包括以下步骤：

步骤(1)：在得到待处理的数字全息图后，用肉眼或者长度测量工具粗略测量后估算出一个重构距离zc，以zc为基准设置第一对焦距离区间[z1，zk]；设置对焦距离区间采样数k，计算采样间隔距离dz＝(zk-z1)/(k-1)；针对第一对焦距离区间[z1，zk]，每隔dz选取一个距离，得到不同临时对焦距离z2＝z1+dz，z3＝z1+2*dz，…，zk＝z1+(k-1)*dz。

设置第二对焦距离区间[z1’，zk’]；针对第二对焦距离区间[z1’，zk’]，每隔距离dz选取一个距离，得到不同临时对焦距离z2’＝z1’+dz，z3’＝z1’+2*dz，…，zk’＝z1’+(k-1)*dz；

步骤(2)：针对第一对焦距离区间[z1，zk]，采用数字全息重构算法，分别得到不同临时对焦距离下的物光场U1，U2，…，Uk。

针对第二对焦距离区间[z1’，zk’]，采用数字全息数值重构算法，分别得到不同临时对焦距离下的物光场U1’，U2’，…，Uk’；

步骤(3)：利用物光场U1，U2，…，Uk计算得到不同临时对焦距离下的光强图像I1，I2，…，Ik。

利用物光场U1’，U2’，…，Uk’计算得到不同临时对焦距离下的光强图像I1’，I2’，…，Ik’。

步骤(4)：利用自聚焦评价函数计算出每个光强图像I1，I2，…，Ik的函数值C1，C2，…，Ck，并以函数值为纵坐标，临时对焦距离为横坐标，建立第一条评价函数曲线。

利用自聚焦评价函数计算出每个光强图像I1’，I2’，…，Ik’的函数值C1’，C2’，…，Ck’，并以函数值为纵坐标，临时对焦距离为横坐标，建立第二条评价函数曲线。

步骤(5)：将步骤(4)得到的第一条评价曲线和第二条评价函数曲线进行作差处理，得到差动评价曲线。

步骤(6)：在差动评价曲线横坐标为零的点附近选取一段近似于直线的曲线，并进行线性拟合。

步骤(7)：搜索拟合后的直线过零点的位置，零点所在得位置准确对应图像对焦面的位置，即实现准确聚焦。

本发明的有益效果在于：由于过零点附近曲线近似满足线性，便于对测量数据进行线性拟合；同时，过零点附近曲线斜率较大，便于对焦距离的确定；另外，由于过零点前后曲线符号相反，成双极性分布，便于判断对焦搜索方向，方便快速自动对焦；此外，整个对焦过程通过数值计算实现，无需引入额外的硬件设备。

附图说明

图1为本发明一种用于数字全息重构过程的自动对焦方法的流程图；

图2为具体实施例中采用的数字全息图；

图3为具体实施例中采用说明书发明内容里步骤(4)后本发明得到的第一条评价函数曲线；

图4为具体实施例中采用说明书发明内容里步骤(4)后本发明得到的第二条评价函数曲线；

图5为具体实施例中采用说明书发明内容里步骤(5)后本发明得到的差动评价曲线；

图6为具体实施例中图2给出的数字全息图采用本发明得到的聚焦光强图像。利用本发明得到的聚焦位置进行数字全息重构得到的光强图像。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式进一步详细介绍本发明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明一种用于数字全息重构过程的自动对焦方法的流程图。

步骤(1)：得到待处理的数字全息图，如图2所示；用长度测量工具粗略测量后估算出一个重构距离zc＝107mm，以zc为基准设置第一对焦距离区间[104.6mm，112.6mm]；设置对焦距离区间采样数k＝400，计算采样间隔距离dz＝0.02mm；设置第二对焦距离区间[103.4mm，111.4mm]。

针对第一对焦距离区间[104.6mm，112.6mm]，每隔距离dz＝0.02mm选取一个距离，得到不同临时对焦距离z2＝104.62mm，z3＝104.64mm，…，zk＝112.6mm；

针对第二对焦距离区间[103.4mm，111.4mm]，每隔距离dz＝0.02mm选取一个距离，得到不同临时对焦距离z2’＝103.42mm，z3’＝103.44mm，…，zk’＝111.4mm；

步骤(2)：针对第一对焦距离区间[104.6mm，112.6mm]，采用数字全息数值重构算法，分别得到不同临时对焦距离z2＝104.62mm，z3＝104.64mm，…，zk＝112.6mm下的物光场U1，U2，…，Uk；

针对第二对焦距离区间[103.4mm，111.4mm]，采用数字全息数值重构算法，分别得到不同临时对焦距离z2’＝103.42mm，z3’＝103.44mm，…，zk’＝111.4mm下的物光场U1’，U2’，…，Uk’。

步骤(3)：利用物光场U1，U2，…，Uk计算得到不同临时对焦距离下的光强图像I1，I2，…，Ik。

利用物光场U1’，U2’，…，Uk’计算得到不同临时对焦距离下的光强图像I1’，I2’，…，Ik’。

步骤(4)：利用自聚焦评价函数计算出每个光强图像I1，I2，…，Ik的函数值C1＝0.0221，C2＝0.0222，…，Ck＝0.0001，并以函数值为纵坐标，临时对焦距离为横坐标，建立第一条评价函数曲线，如图3所示。

利用自聚焦评价函数计算出每个光强图像I1’，I2’，…，Ik’的函数值C1’＝0.0002，C2’＝0.002，…，Ck’＝0.0447，并以函数值为纵坐标，临时对焦距离为横坐标，建立第二条评价函数曲线，如图4所示。

步骤(5)：将步骤(4)得到的第一条评价曲线和第二条评价函数曲线进行作差处理，得到差动评价曲线，如图5所示。

步骤(6)：在差动评价曲线横坐标为零的点附件选取一段曲线，并进行最小二乘线性拟合，得到一条拟合直线。

步骤(7)：找到拟合直线过零点处对应的横坐标为108mm，即为被测样品对焦面的位置，完成自动聚焦。图6为对图2给出的数字全息图采用本发明得到的聚焦光强图像。

尽管特定参考实施例详细的描述了本发明，但在此描述的本发明实施例的意图不是详尽或者局限于所公开的具体形式。相反，所选用的用于说明问题的实施例是为了使本技术领域内的技术人员实施本发明而选择的。在不脱离本发明的权利要求所描述和限定的本发明的实质范围的情况下，存在变型例或修改例。

Claims (5)

1.一种用于数字全息重构过程的自动对焦方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤(1)：在得到待处理的数字全息图后，用肉眼或者长度测量工具粗略测量后估算出一个重构距离zc，以zc为基准设置第一对焦距离区间[z1，zk]；设置对焦距离区间采样数k，计算采样间隔距离dz＝(zk-z1)/(k-1)；针对第一对焦距离区间[z1，zk]，每隔dz选取一个距离，得到不同临时对焦距离z2＝z1+dz，z3＝z1+2*dz，…，zk＝z1+(k-1)*dz。

设置第二对焦距离区间[z1’，zk’]；针对第二对焦距离区间[z1’，zk’]，每隔距离dz选取一个距离，得到不同临时对焦距离z2’＝z1’+dz，z3’＝z1’+2*dz，…，zk’＝z1’+(k-1)*dz；

步骤(2)：针对第一对焦距离区间[z1，zk]，采用数字全息重构算法，分别得到不同临时对焦距离下的物光场U1，U2，…，Uk。

针对第二对焦距离区间[z1’，zk’]，采用数字全息数值重构算法，分别得到不同临时对焦距离下的物光场U1’，U2’，…，Uk’；

步骤(3)：利用物光场U1，U2，…，Uk计算得到不同临时对焦距离下的光强图像I1，I2，…，Ik。

利用物光场U1’，U2’，…，Uk’计算得到不同临时对焦距离下的光强图像I1’，I2’，…，Ik’。

步骤(4)：利用自聚焦评价函数计算出每个光强图像I1，I2，…，Ik的函数值C1，C2，…，Ck，并以函数值为纵坐标，临时对焦距离为横坐标，建立第一条评价函数曲线。

利用自聚焦评价函数计算出每个光强图像I1’，I2’，…，Ik’的函数值C1’，C2’，…，Ck’，并以函数值为纵坐标，临时对焦距离为横坐标，建立第二条评价函数曲线。

步骤(5)：将步骤(4)得到的第一条评价曲线和第二条评价函数曲线进行作差处理，得到差动评价曲线。

步骤(6)：在差动评价曲线横坐标为零的点附近选取一段近似于直线的曲线，并进行线性拟合。

步骤(7)：搜索拟合后的直线过零点的位置，零点所在得位置准确对应图像对焦面的位置，即实现准确聚焦。

2.根据权利要求1所述的一种用于数字全息重构过程的自动对焦方法，其特征在于，所述重构距离zc是指被测物体和数字图像传感器的距离。

3.根据权利要求1所述的一种用于数字全息重构过程的自动对焦方法，其特征在于，所述的第一对焦距离区间[z1，zk]，满足关系式z1<zc<zk。

4.根据权利要求1所述的一种用于数字全息重构过程的自动对焦方法，其特征在于，所述的第二对焦距离区间[z1’，zk’]，满足关系式z1’<zc<zk’且同时还满足z1’<z1，zk’<zk。

5.根据权利要求1所述的一种用于数字全息重构过程的自动对焦方法，其特征在于，所述的自聚焦评价函数可以是方差灰度算子、Roberts梯度算子、Sobel梯度算子、梯度向量平方算子、二阶拉普拉斯算子或者傅里叶变换频谱加权对数算子。