CN108008615A - 宽视场压缩全息成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽视场压缩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；多个非偏振分光棱镜；像感器，在将待成像物体设置于多个非偏振分光棱镜前，并通过线偏振平面波照明整个待成像物体后，用像感器采集同轴全息图，其中，同轴全息图通过透过物体不同部分的光波被不同位置的非偏振分光棱镜反射得到，并通过压缩感知全息方法对同轴全息图进行分析、重建，获取成像结果。该系统可以通过透过物体不同部分的光波被不同位置的非偏振分光棱镜反射得到同轴全息图，并通过压缩感知全息方法对同轴全息图进行分析、重建，获取成像结果，从而有效扩大成像区域、提高成像的稳定性和可靠性，简单易实现。

Description

宽视场压缩全息成像系统及方法

技术领域

本发明涉及数字全息技术领域，特别涉及一种宽视场压缩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、可实现相位成像、三维成像的优点，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。但是，因为记录材料的数字化，即像感器的感光面积较小，且目前只能在单次曝光下记录单一视场下的物体，因此，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，实现宽视场的数字全息成像是亟待解决的科学技术问题。

在相关技术中，利用合成孔径技术可以实现大视场成像，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。此外，在数字全息中，调制物光场也是实现宽视场成像的一种有效手段，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，但是，这种方法也需要多次曝光，系统稳定性要求高以及时间成本大。另外，为了实现单次曝光，提出了将光栅作为一种调制器件用来扩大数字全息显微视场的方法，然而，这种方法要求精准地调节显微物镜与筒镜，调节困难，一旦没有很好的设计系统参数的关系，就会引入光栅级次之间的串扰，降低成像质量，不仅操作复杂，稳定性差，而且可靠性低，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宽视场压缩全息成像系统，该系统可以有效提高成像的稳定性，有效提高成像的可靠性，简单易实现。

本发明的另一个目的在于提出一种宽视场压缩全息成像方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种宽视场压缩全息成像系统，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；多个非偏振分光棱镜；像感器，在将待成像物体设置于所述多个非偏振分光棱镜前，并通过所述线偏振平面波照明整个所述待成像物体后，用所述像感器采集同轴全息图，其中，所述同轴全息图通过透过物体不同部分的光波被不同位置的非偏振分光棱镜反射得到，并通过压缩感知全息方法对所述同轴全息图进行分析、重建，获取成像结果。

本发明实施例的宽视场压缩全息成像系统，可以将待成像物体设置于多个非偏振分光棱镜前，并通过线偏振平面波照明整个待成像物体后，通过透过物体不同部分的光波被不同位置的非偏振分光棱镜反射得到同轴全息图，并通过压缩感知全息方法对同轴全息图进行分析、重建，获取成像结果，从而可以将不同视场下的成像结果分别清晰重建，成像效果好，不仅有效扩大成像区域，提高成像的稳定性，而且有效提高成像的可靠性，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的宽视场压缩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，所述多个非偏振分光棱镜沿光线行进方向紧凑布置，且反射面垂直于水平面，与所述光线行进方向成45度角，以及所述多个非偏振分光棱镜紧密无缝排列。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述多个非偏振分光棱镜为三个时，第一束被反射的光透射经过第二非偏振分光棱镜和第三非偏振分光棱镜，第二束被反射的光透射经过所述第三非偏振分光棱镜，并且第三束被反射的光与所述第一束被反射的光、第二束被反射的光合束，形成所述同轴全息图。

进一步地，在本发明的一个实施例中，合束的光束口径是照明物体所需光束口径的1/N，其中，N为所述多个非偏振分光棱镜的个数。

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宽视场压缩全息成像方法，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多个非偏振分光棱镜前，并通过所述线偏振平面波照明整个所述待成像物体；采集同轴全息图，其中，所述同轴全息图通过透过物体不同部分的光波被不同位置的非偏振分光棱镜反射得到；通过压缩感知全息方法对所述同轴全息图进行分析、重建，获取成像结果。

本发明实施例的宽视场压缩全息成像方法，可以将待成像物体设置于多个非偏振分光棱镜前，并通过线偏振平面波照明整个待成像物体后，通过透过物体不同部分的光波被不同位置的非偏振分光棱镜反射得到同轴全息图，并通过压缩感知全息方法对同轴全息图进行分析、重建，获取成像结果，从而可以将不同视场下的成像结果分别清晰重建，成像效果好，不仅有效扩大成像区域，有效提高成像的稳定性，而且有效提高成像的可靠性，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的宽视场压缩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，所述多个非偏振分光棱镜沿光线行进方向紧凑布置，且反射面垂直于水平面，与所述光线行进方向成45度角，以及所述多个非偏振分光棱镜紧密无缝排列。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述多个非偏振分光棱镜为三个时，第一束被反射的光透射经过第二非偏振分光棱镜和第三非偏振分光棱镜，第二束被反射的光透射经过所述第三非偏振分光棱镜，并且第三束被反射的光与所述第一束被反射的光、第二束被反射的光合束，形成所述同轴全息图。

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宽视场压缩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三个光束传输不同距离具有的不同频域传输核函数的示意图；

图3为根据本发明一个实施例的三个视场叠在一起然后又经过算法分开扩大视场的示意图；

图4为根据本发明一个实施例的宽视场压缩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宽视场压缩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宽视场压缩全息成像系统。

图1是本发明一个实施例的宽视场压缩全息成像系统的结构示意图。

如图1所示，该宽视场压缩全息成像系统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、多个非偏振分光棱镜7和像感器8。

其中，激光器1用于发出预设波长的激光。平面镜2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。多个非偏振分光棱镜7。像感器8，在将待成像物体9设置于多个非偏振分光棱镜7前，并通过线偏振平面波照明整个待成像物体9后，用像感器8采集同轴全息图，其中，同轴全息图通过透过物体不同部分的光波被不同位置的非偏振分光棱镜反射得到，并通过压缩感知全息方法对同轴全息图进行分析、重建，获取成像结果。该系统100可以通过透过物体不同部分的光波被不同位置的非偏振分光棱镜反射得到同轴全息图，不同非偏振分光棱镜对应的物体传播距离不同，具有不同的频域传输核函数，并通过压缩感知全息方法对同轴全息图进行分析、重建，获取成像结果，从而有效扩大成像区域，有效提高成像的稳定性，有效提高成像的可靠性，简单易实现。

进一步地，在本发明的一个实施例中，多个非偏振分光棱7沿光线行进方向紧凑布置，且反射面垂直于水平面，与光线行进方向成45度角，以及多个非偏振分光棱镜7紧密无缝排列。

举例而言，本发明实施例可以沿光线前进方向，紧凑布置3个非偏振分光棱镜(以N＝3为例)，非偏振分光棱镜的反射面垂直于水平面，与光线行进方向成45度角，3个非偏振分光棱镜紧密无缝排列。

可选地，在本发明的一个实施例中，合束的光束口径是照明物体所需光束口径的1/N，其中，N为多个非偏振分光棱镜7的个数。

可以理解的是，激光经过准直透镜5扩束准直之后，成为一束平行光，再经过线偏振片6调制，成为线偏振的平行光，将待成像物体9放置于水平紧密排列的多个非偏振分光棱镜7上，平行光照射物体，透过物体不同部分的光经过多个非偏振分光棱镜7反射，因为非偏振分光棱镜之间是紧密排列的，所以最终经过不同非偏振分光棱镜的光又会被合束，合束之后形成同轴全息图，被像感器8采集下来。合束后光束的口径是照明物体所需光束口径的1/N，其中N为使用的非偏振分光棱镜的个数。然后，对采集到的同轴全息图，进行压缩全息算法重建，从而可以恢复N倍于采集视场的重建图像。本发明实施例的系统100采用准共光路设计，不仅稳定性很好，而且扩展视场效果显著。

进一步地，在本发明的一个实施例中，如图1所示，在多个非偏振分光棱镜7为三个时，第一束被反射的光透射经过第二非偏振分光棱镜72和第三非偏振分光棱镜73，第二束被反射的光透射经过第三非偏振分光棱镜73，并且第三束被反射的光与第一束被反射的光、第二束被反射的光合束，形成同轴全息图。

可以理解的是，将待成像物体9放置于非偏振分光棱镜前，入射平面波照明整个物体，透过物体不同部分的光波被不同位置的非偏振分光棱镜反射，第一束被反射的光会透射经过第二个非偏振分光棱镜72和第三个非偏振分光棱镜73，第二束被反射的光会透射经过第三个非偏振分光棱镜73，第三束反射的光与上述两束光合束，从而形成同轴全息图，被像感器8采集到。

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，且数值孔径为0.65，但不限于此参数。

举例而言，如图1所示，首先，激光器1(波长为532nm)出射的线偏振光经过镀银反射镜反射，然后进入针孔滤波系统的显微物镜3(其中，显微物镜3的放大倍率可以为40倍，数值孔径可以为0.65)被聚焦，聚焦之后进入针孔4，从而可以实现针孔滤波，并同时被扩束，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，平行光通过线偏振片6后，成为一束线偏振的平面波。其次，平面波照射到待成像物体9上，透过物体不同部分的光分别被第一非偏振分光棱镜71反射、第二非偏振分光棱镜72反射、第三非偏振分光棱镜73反射，同时被第一非偏振分光棱镜71反射的光会透射经过第二非偏振分光棱镜72和第三非偏振分光棱镜73，从而形成第一光束；被第二非偏振分光棱镜72反射的光会透射经过第三非偏振分光棱镜73形成第二光束；被第三非偏振分光棱镜73反射的第三光束与第一光束、第二光束合光，形成同轴全息图，并通过像感器8拍摄下来。最后，将得到的全息图进行压缩全息程序处理，并结合算法分析，便可以得到宽视场成像结果。需要说明的是，如图2所示，三个光束传输不同距离具有的不同频域，并且如图3所示，三个视场叠在一起还可以经过算法分开，进行扩大视场。

根据本发明实施例提出的宽视场压缩全息成像系统，可以将待成像物体设置于多个非偏振分光棱镜前，并通过线偏振平面波照明整个待成像物体后，通过透过物体不同部分的光波被不同位置的非偏振分光棱镜反射得到同轴全息图，并通过压缩感知全息方法对同轴全息图进行分析、重建，获取成像结果，从而可以将不同视场下的成像结果分别清晰重建，成像效果好，不仅有效扩大成像区域，有效提高成像的稳定性，而且有效提高成像的可靠性，简单易实现。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的宽视场压缩全息成像方法。

图4是本发明一个实施例的宽视场压缩全息成像方法的流程图。

图4所示，该宽视场压缩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多个非偏振分光棱镜前，并通过线偏振平面波照明整个待成像物体。

在步骤S403中，采集同轴全息图，其中，同轴全息图通过透过物体不同部分的光波被不同位置的非偏振分光棱镜反射得到。

在步骤S404中，通过压缩感知全息方法对同轴全息图进行分析、重建，获取成像结果。

进一步地，在本发明的一个实施例中，多个非偏振分光棱镜沿光线行进方向紧凑布置，且反射面垂直于水平面，与光线行进方向成45度角，以及多个非偏振分光棱镜紧密无缝排列。

可选地，在本发明的一个实施例中，在多个非偏振分光棱镜为三个时，第一束被反射的光透射经过第二非偏振分光棱镜和第三非偏振分光棱镜，第二束被反射的光透射经过第三非偏振分光棱镜，并且第三束被反射的光与第一束被反射的光、第二束被反射的光合束，形成同轴全息图。

需要说明的是，前述对宽视场压缩全息成像系统实施例的解释说明也适用于该实施例的宽视场压缩全息成像方法，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的宽视场压缩全息成像方法，可以将待成像物体设置于多个非偏振分光棱镜前，并通过线偏振平面波照明整个待成像物体后，通过透过物体不同部分的光波被不同位置的非偏振分光棱镜反射得到同轴全息图，并通过压缩感知全息方法对同轴全息图进行分析、重建，获取成像结果，从而可以将不同视场下的成像结果分别清晰重建，成像效果好，不仅有效扩大成像区域，有效提高成像的稳定性，而且有效提高成像的可靠性，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 (10)

1.一种宽视场压缩全息成像系统，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；

多个非偏振分光棱镜；以及

像感器，在将待成像物体设置于所述多个非偏振分光棱镜前，并通过所述线偏振平面波照明整个所述待成像物体后，用所述像感器采集同轴全息图，其中，所述同轴全息图通过透过物体不同部分的光波被不同位置的非偏振分光棱镜反射得到，并通过压缩感知全息方法对所述同轴全息图进行分析、重建，获取成像结果。

2.根据权利要求1所述的宽视场压缩全息成像系统，其特征在于，所述多个非偏振分光棱镜沿光线行进方向紧凑布置，且反射面垂直于水平面，与所述光线行进方向成45度角，以及所述多个非偏振分光棱镜紧密无缝排列。

3.根据权利要求1或2所述的宽视场压缩全息成像系统，其特征在于，在所述多个非偏振分光棱镜为三个时，第一束被反射的光透射经过第二非偏振分光棱镜和第三非偏振分光棱镜，第二束被反射的光透射经过所述第三非偏振分光棱镜，并且第三束被反射的光与所述第一束被反射的光、第二束被反射的光合束，形成所述同轴全息图。

4.根据权利要求1所述的宽视场压缩全息成像系统，其特征在于，合束的光束口径是照明物体所需光束口径的1/N，其中，N为所述多个非偏振分光棱镜的个数。

5.根据权利要求1所述的宽视场压缩全息成像系统，其特征在于，所述预设波长为532nm。

6.根据权利要求1所述的宽视场压缩全息成像系统，其特征在于，所述平面镜为镀银反射镜。

7.根据权利要求1所述的宽视场压缩全息成像系统，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。

8.一种宽视场压缩全息成像方法，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多个非偏振分光棱镜前，并通过所述线偏振平面波照明整个所述待成像物体；

采集同轴全息图，其中，所述同轴全息图通过透过物体不同部分的光波被不同位置的非偏振分光棱镜反射得到；以及

通过压缩感知全息方法对所述同轴全息图进行分析、重建，获取成像结果。

9.根据权利要求8所述的宽视场压缩全息成像方法，其特征在于，所述多个非偏振分光棱镜沿光线行进方向紧凑布置，且反射面垂直于水平面，与所述光线行进方向成45度角，以及所述多个非偏振分光棱镜紧密无缝排列。

10.根据权利要求8或9所述的宽视场压缩全息成像方法，其特征在于，在所述多个非偏振分光棱镜为三个时，第一束被反射的光透射经过第二非偏振分光棱镜和第三非偏振分光棱镜，第二束被反射的光透射经过所述第三非偏振分光棱镜，并且第三束被反射的光与所述第一束被反射的光、第二束被反射的光合束，形成所述同轴全息图。