CN108594617A - 非相干数字全息大视场成像记录方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非相干数字全息大视场成像记录装置和方法，通过给空间光调制器加载双透镜模式，并通过给空间光调制器加载不同的掩膜调节双透镜的光轴中心的位置，从而控制光源的位置以调节成像视场；空间光调制器的幅面分为四个区域，当双透镜光轴中心处于其中任意一个区域时，在空间光调制器上均依次加载不同的相移角度，并获取不同相移角度下的相移全息图；在计算机中将不同视场下的全息图分别进行再现，得到多幅再现像，并将多幅再现像进行拼接融合，得到大视场融合图。本发明通过调节空间光调制器上双透镜的光轴中心的位置来调节视场，在不同的视场下均依次加载不同的相移角度进行拍照，有效扩大了全息系统的记录范围。
Description
技术领域
本发明属于光学衍射成像和非相干数字全息技术领域，具体涉及一种非相干数字全息大视场成像记录方法与装置。
背景技术
在光学成像领域中，宽视场与高分辨率性能不可兼得，只能折中，是一大技术难题。例如，望远镜以牺牲宽视场来获得大的角分辨率；大视场成像仪以牺牲角分辨率来获得大的视场角。
2008年，冯忠耀等人提出利用将预成像法与图像拼接法相结合扩大数字全息视场的方法，该方法提出了在预成像法的基础上，结合图像拼接法，扩大数字全息的测量视场，虽然不用移动物体或者CCD，但需要精确控制分束镜的转动，由于此操作很难掌控，因此在实际应用中操作不便。2012年，吴永丽等人提出利用综合复用技术拓展数字全息显微系统中的记录视场，此方法综合运用了波长复用、偏振复用和角分复用技术，虽然无须任何形式的扫描，可同时实现四路被测样品不同区域信息的记录，并且可在不牺牲分辨率的前提下，将记录视场增大将近四倍，但该方法不仅提高了造价，而且大大增加了实验系统的复杂度，操作繁琐，并且增加了实验结果的影响因素，不利于实验问题的分析。2013年，张鑫等人提出利用相位拼接技术扩大数字全息成像视场的方法，通过平移被测物体记录物体各子区域的离轴全息图，然后利用菲涅尔再现算法得到部分物体相位像，并采用均化误差算法对各子区域的相位像进行拼接，并对拼接相位像进行去倾斜处理，得到无畸变的扩展物体相位像，然而该方法虽然能够扩大成像范围，但在实验过程中需要多次手动移动物体，操作起来费时费力，因此限制了该技术的应用范围。
发明内容
为了使非相干数字全息术可以在不牺牲分辨率的前提下，并且保证不增加系统的复杂性、不需要额外添加和制作辅助器件而有效拓展数字全息记录视场，本发明提供了一种通过在空间光调制器上依次加载相应的掩膜来改变双透镜光轴中心的位置，随着光轴中心位置的改变，并依次加载0、2π/3、4π/3的相移角度，记录不同视场下的相移图，并将不同视场下得到的相移图经过三步相移线性处理得到全息图，并通过再现、融合得到高分辨率大视场再现像的系统与方法。
本发明采用以下技术方案：
非相干数字全息大视场成像记录方法：将空间光调制器加载双透镜模式，并通过给空间光调制器加载不同的掩膜调节双透镜的光轴中心的位置，从而控制光源的位置以调节成像视场；
空间光调制器的幅面分为四个区域，当双透镜光轴中心处于其中任意一个区域时，在空间光调制器上均依次加载0、2π/3、4π/3的相移角度，并获取不同相移角度下的相移全息图；
通过在空间光调制器上加载不同的掩膜改变双透镜光轴中心在空间光调制器不同的区域，并分别依次加载0、2π/3、4π/3的相移角度，将不同视场下得到的相移全息图经过三步相移线性处理得到全息图；
在计算机中将不同视场下的全息图分别进行再现，得到多幅再现像，并将多幅再现像进行拼接融合，得到大视场融合图。
所述为空间光调制器加载双透镜模式，通过对空间光调制器依次加载相应的掩膜，在图像采集装置上得到不同视场下的相移全息图。
在计算机中应用角谱衍射法将不同视场下的全息图分别进行再现，得到多幅再现像。
所述空间光调制器的双透镜模式，随机选取一半像素加载焦距为fd1的透镜，另一半像素加载焦距为fd2的透镜，形成对入射光波分光的衍射分光图样。
所述空间光调制器的幅面划分为四个等分区域，当空间光调制器的像素为N*M时，以空间光调制器幅面的中心为坐标原点（0,0），双透镜光轴中心位置坐标从左到右、从上到下分别位于空间光调制器平面的（-N/4，M/4）、（N/4，M/4）、（-N/4，-M/4）、（N/4，-M/4）。
一种非相干数字全息大视场成像记录装置，包括：
用于在空间光调制器上加载双透镜模式的装置；
用于给空间光调制器加载不同掩膜调节双透镜光轴中心的位置、且当双透镜光轴中心分别处于不同区域时在空间光调制器上依次加载0、2π/3、4π/3的相移角度的装置；
用于记录不同区域的多幅相移全息图的图像采集装置；
用于将得到的相移全息图经过三步相移线性处理得到全息图、并将全息图再现得到重建像的装置。
所述空间光调制器为相位型反射式空间光调制器。
所述图像采集装置为高分辨率CCD或者CMOS。
本发明的有益效果：采用空间光调制器作为一个位相调制器件，这样可以免于在光路中添加额外的阵列器件以引起畸变和噪声，极大的丰富了全息术的应用范围；还可以克服材料、制造工艺、机械结构等方面存在的困难，减少仪器生产成本；通过调节空间光调制器上双透镜的光轴中心的位置来调节视场，在不同的视场下均依次加载0、2π/3、4π/3的相移角度进行拍照，记录不同视场下的全息图，因此在保证分辨率的同时有效扩大了全息系统的记录范围。对各视场下得到的再现像进行拼接融合后，可以明显提高再现像的视场。
附图说明
图1为本发明装置结构图。
图2为SLM依次加载掩模示意图。
图3为各视场的再现像。
图4为各视场再现像融合图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
用于在空间光调制器上加载双透镜模式的装置；该装置可选择计算机，通过计算机在空间光调制器上加载双透镜模式；
用于给空间光调制器加载不同掩膜调节双透镜光轴中心的位置、且在双透镜光轴中心分别处于不同区域时空间光调制器上依次加载0、2π/3、4π/3的相移角度的装置；该装置同样可选择计算机，通过计算机制作不同的掩膜并加载在空间光调制器上，改变双透镜光轴中心的位置，调节视场；
用于记录不同区域的多幅相移全息图的图像采集装置；该图像采集装置可选择高分辨率CCD或者CMOS；
用于将得到的相移全息图经过三步相移线性处理得到全息图、并将全息图再现的装置；该装置也可选择计算机。
本发明同样提供一种非相干数字全息大视场成像记录的方法，包括以下步骤：
将空间光调制器加载双透镜模式，并通过给空间光调制器加载不同的掩膜调节双透镜光轴中心的位置，从而控制光源的位置调节成像视场；
将空间光调制器的幅面划分为四个区域，当双透镜光轴中心处于不同的区域时，在空间光调制器上均依次加载0、2π/3、4π/3的相移角度，并获取不同相移角度下的多副相移全息图；
根据空间光调制器上加载的不同掩膜改变双透镜光轴中心的位置，使双透镜光轴中心处于不同的区域，并分别依次加载0，2π/3，4π/3的相移角度，将不同视场下得到的相移全息图经过三步相移线性处理得到全息图；
在计算机中应用角谱衍射法将不同视场下的全息图分别进行再现，得到多幅再现像，并将多幅再现像进行拼接融合，得到大视场融合图。
上述的空间光调制器的双透镜模式在加载时，随机选取一半像素加载焦距为fd1的透镜，另一半像素加载焦距为fd2的透镜，形成对入射光波分光的衍射分光图样。
获取相移全息图时，本发明利用空间光调制器的纯相位模式，利用计算机随机选取一半像素加载焦距为fd1的透镜，另一半像素加载焦距为fd2的透镜，形成对入射光波分光的衍射分光图样加载在空间光调制器上。例如，作为一种实施方式，计算机通过制备焦距分别为245mm和255mm的双透镜相位掩膜加载在空间光调制器上，通过改变双透镜光轴中心的位置来增大系统的视场，光轴中心在不同位置时分别依次加载0，2π/3，4π/3的相移角度，将每个视场下得到的三幅相移全息图经过三步相移线性处理得到全息图。最后对全息图采用角谱衍射法进行再现，即可重建出任意再现距离处的重建像。
本发明的空间光调制器选择为相位型反射式空间光调制器，其像素大小为512*512。
理论上，空间光调制器的幅面可以具有不同的区域划分方式，在本发明中，空间光调制器的幅面划分为四个区域，当空间光调制器的像素为N*M时，以空间光调制器幅面的中心为坐标原点（0,0），双透镜光轴中心位置坐标从左到右、从上到下分别位于空间光调制器平面的（-N/4，M/4）、（N/4，M/4）、（-N/4，-M/4）、（N/4，-M/4）。
即使用相位反射式空间光调制器时，上述将空间光调制器加载双透镜模式，调节双透镜光轴中心分别在空间光调制器平面的四个不同的位置，其坐标从上到下从左到右依次为（-128,128）、（128,128）、（-128，-128）、（128，-128），如图2中所示的四个512*512像素矩形孔径。
在分别为每个区域均加载双透镜掩膜后，分别对每个区域依次加载0，2π/3，4π/3的相移角度，将不同视场的相移全息图分别记录于采集装置上。
如图1所示，为本发明非相干数字全息大视场成像记录方法与装置系统的一种结构示意图。
该实施例中，所述系统包括：
光路系统：通过该光路系统，在空间光调制器上形成光束，进而在图像采集装置上形成全息图，最终获取全息图。该光路系统包括白光光源1、第一立方分束器2、待测物体3、滤波片4、偏振片5、准直透镜6、第二立方分束器7、反射式空间光调制器8、高分辨率单色CCD9、计算机11。
空间光调制器：采用反射式空间光调制器。
计算机：用于制作双透镜相位掩膜加载在空间光调制器上以控制双透镜光轴中心的位置，同时制作三步相移，用于在空间光调制器上分别依次加载0、2π/3、4π/3的相移角度；并且还可用于获取图像采集装置记录的多幅相移全息图，将不同视场下得到的相移图经过三步相移线性处理得到全息图；再使用角谱衍射法对全息图在计算机中再现，并将各个再现像进行拼接融合，得到高分辨率大视场图像。
高分辨率单色CCD：用作图像采集装置。
上述系统在使用时，白光光源1是连续谱白光光源，是一种非相干光源，为方便设备运行将白光光源1固定在平台上避免发生震动对实验造成影响。白光光源1发出的非相干光在本发明中具体的传播过程为：白光光源1发出的光经过滤波片4后成为单色光，经滤波片4后的光传播到第一立方分束器2上，又经第一立方分束器2反射后照射到物体3上，经物体3反射的光再经第一立方分束器2进入偏振片5后变为单色线偏振光，该单色线偏振光经准直透镜6准直作用以后变成准直的单色线偏振光，再经过第二立方分束器7后进入反射式空间光调制器8，反射式空间光调制器8上加载由计算机制作的双透镜掩膜，此双透镜掩膜可以将入射到反射式空间光调制器8上的光束进行波面变换并分为两束自相干光，此时计算机10控制高分辨率单色CCD9记录干涉条纹。
其中，计算机通过数据线与反射空间光调制器、高分辨率单色CCD连接。白光光源为连续谱白光光源。偏振片的偏振方向与所述反射式空间光调制器的偏振方向一致。滤光片中心波长为633nm，带宽为10nm，滤波后的光源相干长度为39.4μm。；所述反射式空间光调制器分辨率为512×512，光谱范围为：420nm－700nm；高分辨率单色CCD有效像素为1344×1024，像素尺寸6.45μm×6.45μm，波长响应范围为：300nm－1000nm，相位线性调制范围为0-2π。
如图2所示，将空间光调制器加载双透镜模式，调节双透镜光轴中心分别位于四个不同的位置，光轴中心在不同位置时分别依次加载0，2π/3，4π/3的相移角度；本发明通过在上述实施例中的系统进行实验对本发明的过程进行说明：
全息图的拍摄光路由白光光源，汇聚透镜，孔径光阑，滤光片，待测样品，准直透镜，分束棱镜，空间光调制器，图像传感器，计算机组成。
在计算机中生成空间光调制器加载的图样时，分别生成两个焦距不同的球面波的相位，并且在一个球面中加载额外的相移角度，具体的加载方法是：在空间光调制器上加载双透镜模式，并通过加载相应的掩膜来调节双透镜光轴中心的位置，光轴中心处于每一个位置时均分别依次加载0，2π/3及4π/3相移角度；相移角度的加载方式如图2所示。然后，将不同视场下获取的全息图分别用角谱衍射法进行再现，并将得到的四幅再现像进行拼接融合，最终得到大视场再现像。
大视场再现像如图4所示，可以看出，本发明的方法可以通过加载在空间光调制器上的掩膜来控制双透镜光轴中心的位置以调节视场，并记录不同视场下的全息图，从而在无需移动任何光学器件以及被测物体的前提下，简单迅速地获取物体大视场图像。该方法不仅大大降低了系统的成本造价，而且操作便捷节省大量时间，从而适用于物体大视场的全息三维成像，并有效扩大了数字全息技术的应用范围。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思的前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.非相干数字全息大视场成像记录方法，其特征在于：
将空间光调制器加载双透镜模式，并通过给空间光调制器加载不同的掩膜调节双透镜的光轴中心的位置，从而控制光源的位置以调节成像视场；
空间光调制器的幅面分为四个区域，当双透镜光轴中心处于其中任意一个区域时，在空间光调制器上均依次加载0、2π/3、4π/3的相移角度，并获取不同相移角度下的相移全息图；
通过在空间光调制器上加载不同的掩膜改变双透镜光轴中心在空间光调制器不同的区域，并分别依次加载0、2π/3、4π/3的相移角度，将不同视场下得到的相移全息图经过三步相移线性处理得到全息图；
在计算机中将不同视场下的全息图分别进行再现，得到多幅再现像，并将多幅再现像进行拼接融合，得到大视场融合图。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述为空间光调制器加载双透镜模式，通过对空间光调制器依次加载相应的掩膜，在图像采集装置上得到不同视场下的相移全息图。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在计算机中应用角谱衍射法将不同视场下的全息图分别进行再现，得到多幅再现像。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述空间光调制器的双透镜模式，随机选取一半像素加载焦距为f d1的透镜，另一半像素加载焦距为f d2的透镜，形成对入射光波分光的衍射分光图样。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述空间光调制器的幅面划分为四个等分区域，当空间光调制器的像素为N*M时，以空间光调制器幅面的中心为坐标原点（0,0），双透镜光轴中心位置坐标从左到右、从上到下分别位于空间光调制器平面的（-N/4，M/4）、（N/4，M/4）、（-N/4，-M/4）、（N/4，-M/4）。
6.一种应用权利要求1~5所述的方法的非相干数字全息大视场成像记录装置，其特征在于，包括：
用于在空间光调制器上加载双透镜模式的装置；
用于给空间光调制器加载不同掩膜调节双透镜光轴中心的位置、且当双透镜光轴中心分别处于不同区域时在空间光调制器上依次加载0、2π/3、4π/3的相移角度的装置；
用于记录不同区域的多幅相移全息图的图像采集装置；
用于将得到的相移全息图经过三步相移线性处理得到全息图、并将全息图再现得到重建像的装置。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述空间光调制器为相位型反射式空间光调制器。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述图像采集装置为高分辨率CCD或者CMOS。
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