CN108614405A - 一种基于环形光差频扫描实现边缘提取的全息方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于环形光差频扫描实现边缘提取的全息方法，属于数字全息技术领域。将激光器出射的一束中心频率为ω₀的光被分为两束，一束作为参考光束，另一束作为物光束，其中，对参考光束进行频率为Ω的频移处理后，通过一个光瞳调制形成平面波；将物光束通过另一个光瞳调制形成环形光束，将处理后的参考光束和物光束进行汇合并共路，通过光波迭加产生频率为Ω的干涉光，并会聚在位于透镜后焦面的载物台上，对位于载物台上的物体进行扫描，将扫描后的光束进行接收并转换为电流信号，然后对此电流信号进行信号解调，最终在计算机中实现全息图的重建。本发明用于物体边缘提取、图像增强、全息显微超分辨等领域，具有很好的应用前景。

Description

一种基于环形光差频扫描实现边缘提取的全息方法

技术领域

本发明涉及一种基于环形光差频扫描实现边缘提取的全息方法，属于数字全息技术领域。

背景技术

光学扫描全息(Optical Scanning Holography,OSH)技术是一种新型的数字全息技术，它由美国弗吉尼亚理工大学Ting-Chung Poon教授等人共同提出并逐步完善(Poon TC.Scanning holography and two-dimensional image processing by acousto-optictwo-pupil synthesis[J].Journal of the Optical Society of America A,1985,2(4):521-527.)，在国际信息光学领域受到广泛的关注，和其他数字全息技术相比，OSH技术在采集速度、环境适应性、抗干扰性和检测稳定性等方面具有很大优势，仅用单次二维光学外差扫描就可以获取到整个三维物体的数据信息，而且，典型的OSH系统是非相干的全息记录系统，即只对物体的强度信息敏感，而忽略了位相信息，和传统的数字全息相比，OSH技术可以有效避免相干所带来的散斑效应，因此有利于得到高质量的重构图像。

OSH技术与其他全息术相似，同样包括全息记录和三维重建两个过程。但是在全息记录过程中，OSH技术通过将光束分成不同的两个波前进行干涉形成菲涅尔波带(FresnelZone Plate，FZP)分布的结构光，进而实现对目标物体的高分辨率三维成像。同时采用光电探测器(Photodetector，PD)记录并转变成电流信号，这是光学扫描全息技术和其他全息术的特别不同之处。转化成电信号的全息图通过带通滤波，锁相检测等处理后，最终得到具有复数形式的全息图，并存储于计算机中，利用全息图进行物体的三维重建一般也在计算机上实现。

目前针对OSH技术的应用研究已经在多个科研领域展开，并在理论和实验方面均取得了非常多的成果。它在生物医学成像、形变测量、粒子场测试、光学显微和光学遥感等领域都有广泛的应用前景。其中在数字全息显微(Digital Holographic Microscopy，DHM)领域扫描全息显微镜是利用光学扫描全息最为成熟的技术，不同于任何其他全息显微镜,扫描全息显微镜具有独特的属性，能够采集荧光标本的三维全息信息。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于环形光差频扫描实现边缘提取的全息方法，提高图像边缘提取的效果，可以实现对物体边界信息有选择性的提取，同时可以有效的提高信噪比和分辨率。

本发明的技术方案是：一种基于环形光差频扫描实现边缘提取的全息方法，激光器出射的一束光通过第一分束镜分为两束，其中一束作为参考光束，依次通过声光调频器、第一反射镜、第一小孔、第一物镜、第二分束镜，另一束作为物光束，依次通过第二反射镜、第二小孔、第二透镜、环形光瞳滤波器、第三透镜、第二分束镜。物光束和参考光束通过第二分光镜合为一束光会聚在载物台上，通过计算机控制载物台对载物台上的待测物体进行三维扫描，扫描后的光束通过第四透镜会聚到光电探测器的输入端，光电探测器的输出端与带通滤波器的输入端相连，带通滤波器的输出信号分为两路分别与一个乘法器的输入端相连，乘法器的输出端和低通滤波器的输入端。低通滤波器的输出端与计算机的输入端相连。

所述的声光调频器通过计算机调控使两路光的频率差Ω。

所述的第二分光镜使参考光束的物光束汇合并共路，通过光波迭加，产生具有差频Ω的干涉光，用于对待测物体进行实时扫描。

所述的带通滤波器的中心频率为Ω，滤除光电探测器后信号的直流成分和高频干扰成分，得到以Ω为中心频率的窄带外差信号。

所述的外差信号分为两路分别与相互正交的两路单频信号cos(Ωt)和sin(Ωt)混频，通过低通滤波器提取出同相分量i_c和正交分量i_s，并作为复分布全息图的实部和虚部分别输入计算机(PC)中。

所述的计算机对于输入的同相分量i_c和正交分量i_s进行合成，便可以得到待测物体的全息图像。

本发明的有益效果是：

(1)本发明基于光学扫描全息技术，其中包括两个入射光瞳，本发明对其中的一个光瞳进行设计，通过插入环形光瞳滤波器实现对物光束的调制，另一个光瞳依然采用脉冲函数，以小孔实现，然后利用两束光的差频相干光场对物体进行二维扫描，然后通过光电探测器接收并转化为电流信号，通过带通滤波器和锁相放大器对电信号进行处理，最后就可以用计算机得到物体的复分布全息图，可以有效的获得物体的边缘信息，同时可以提高系统的信噪比。

(2)本发明中的物光束依次通过第二小孔扩束，第二透镜准直和环形光瞳滤波器调制可以产生环形光，通过改用不同尺寸的环形光瞳滤波器可以产生不同孔径比的环形光来实现对物体的扫描，实现对物体不同程度的边缘提取效果，可以有效的提高系统的分辨率。

附图说明

图1是本发明用到的全息系统的结构图(针对透明物体检测)；

图中：1、激光器，2、第一分束镜，3、声光调频器，4、第一反光镜，5、第一小孔，6、第一透镜，7、第二反光镜，8、第二小孔，9、第二透镜，10、环形光瞳滤波器，11、第三透镜，12第二分束镜，13载物台，14第四透镜，15光电探测器，16带通滤波器，17乘法器，18、低通滤波器，19、计算机。

图2是本发明中采用的环形光瞳滤波器的形貌图。

图3是物体及模拟得到的边界增强的图像。

其中：a、原始图，b、同相分量全息图，c、正交分量全息图，d、复分布全息图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1-3所示，一种基于环形光差频扫描实现边缘提取的全息方法，将激光器出射的一束中心频率为ω₀的光被分为两束，一束作为参考光束，另一束作为物光束，其中，对参考光束进行频率为Ω的频移处理后，通过一个光瞳调制形成平面波；将物光束通过另一个光瞳调制形成环形光束，将处理后的参考光束和物光束进行汇合并共路，通过光波迭加产生频率为Ω的干涉光，并会聚在位于透镜后焦面的载物台上，对位于载物台上的物体进行扫描，将扫描后的光束进行接收并转换为电流信号，然后对此电流信号进行信号解调，最终在计算机中实现全息图的重建。

所述参考光束经过声光调频器后产生频率为Ω的频移后，通过由小孔和透镜组成的一个光瞳形成平面波，物光束通过由小孔、透镜、环形光瞳滤波器组成的另一个光瞳形成环形光束。

所述的频率为Ω的干涉光，实现对物体扫描时系统的光学传递函数为：

其中，k_x和k_y分别表示频域坐标，j表示虚数单位，λ表示光波的波长，k₀＝2π/λ表示波数，f表示透镜的焦距，z表示待测物体到透镜后焦面的距离，x’和y’分别表示横向和纵向的积分变量，p₁、p₂分别表示两个光瞳函数的表达式，分别是小孔形成的脉冲函数p₁和由环形光瞳滤波器形成的环形光函数p₂，p₂表示为：

其中，circ表示圆孔透过率函数，w₀表示外环半径，w_i表示内环半径，r表示极坐标

所述的扫描过程由载物台实现，载物台通过计算机进行控制实现对待测不同位置的三维扫描。

所述的信号接收和解调具体过程为：对待测物体扫描后的光，通过透镜会聚后到达光电探测器，由光电探测器输出带有全息信息且与物体扫描位置相关的电流信号，表示为：

其中，P_1z和P_2z分别是两个光瞳的傅立叶变换，ω₀为激光器出射光的中心频率，Ω为声光调频器产生的频移信号频率，Γ₀(x’+x,y’+y,z)为待测物体的复光场，x和y分别表示物体的横向和纵向坐标，k_x和k_y分别表示频域坐标；

光电探测器的输出的电流信号进入带通滤波器的输入端，带通滤波器的中心频率为Ω，滤除电流信号中的直流成分和高频干扰成分，得到频率为Ω的外差电流信号为：

其中，Re表示实部；

通过带通滤波器后的信号分为两路分别通过乘法器和低通滤波器，其中一路通过乘法器与sin(Ωt)混频然后通过低通滤波器得到同相分量i_s(x,y；z)：

i_s(x,y；z)＝i_Ω(x,y；z)sin(Ωt)

另一路通过乘法器与cos(Ωt)混频然后通过低通滤波器得到正交分量i_c(x,y；z)：

i_c(x,y；z)＝i_Ω(x,y；z)cos(Ωt)

其中，i_Ω表示外差电流信号，sin和cos分别表示正弦和余弦。

所述的计算机全息图的重建过程为：通过低通滤波器后的同相分量i_c和正交分量i_s输入计算机的输入端，计算机对数据进行存储，并计算得到与物体相关的全息图，表示为：

H(x,y；z)＝i_c(x,y；z)+ji_s(x,y；z)

其中H(x,y；z)被称为复分布全息图，通过同相分量i_c和正交分量i_s两个记录全息图能够精确重构三维物体的复振幅信息。

实施例2：如图1所示，一种基于环形光差频扫描实现边缘提取的全息方法，方法中所用的全息系统包括激光器1、第一分束镜2、声光调频器3、第一反光镜4、第一小孔5、第一透镜6、第二反光镜7、第二小孔8、第二透镜9、环形光瞳滤波器10、第三透镜11第二分束镜12、载物台13、第四透镜14、光电探测器15、带通滤波器16、乘法器17、低通滤波器18、计算机19。

将激光器出射的一束中心频率为ω0的光被分为两束，一束作为参考光束，另一束作为物光束，其中参考光束通过声光调频器3产生Ω的频移后再通过第二反光镜4、第一小孔6、第一透镜后形成平面波，物光束通过第二反光镜7，第二小孔8、第二透镜9、环形光瞳滤波器10和第三透镜11后形成环形光，两束光通过第二分束镜13会聚，光波迭加后，产生具有差频Ω的干涉光，并会聚在位于透镜后焦面的载物台上，对物体进行扫描。实现对物体扫描时系统的光学传递函数为：

其中k_x和k_y分别表示频域坐标，j表示虚数单位，λ表示光波的波长，k₀＝2π/λ表示波数，f表示透镜的焦距，z表示待测物体到透镜后焦面的距离，x’和y’分别表示横向和纵向的积分变量，p₁、p₂分别表示两个光瞳函数的表达式，分别是小孔形成的脉冲函数p₁和由环形光瞳滤波器形成的环形光函数p₂，p₂表示为：

其中circ表示圆孔透过率函数，w₀表示外环半径，w_i表示内环半径，r表示极坐标

载物台13通过计算机19进行控制实现对待测物体不同位置的三维扫描。扫描后的光携带有待测物体的相关信息，通过第四透镜14会聚后到达光电探测器15，由光电探测器15的输出为带有全息信息且与物体扫描位置相关的电流信号：

其其中，P_1z和P_2z分别是两个光瞳的傅立叶变换，ω₀为激光器出射光的中心频率，Ω为声光调频器产生的频移信号频率，Γ₀(x’+x,y’+y,z)为待测物体的复光场，x和y分别表示物体的横向和纵向坐标，k_x和k_y分别表示频域坐标。

光电探测器的输出的电流信号进入带通滤波器的输入端，带通滤波器的中心频率为Ω，滤除电流信号中的直流成分和高频干扰成分，得到频率为Ω的外差电流信号：

其中Re表示实部。

通过带通滤波器后的信号分为两路分别通过乘法器和低通滤波器，其中一路通过乘法器与sin(Ωt)混频然后通过低通滤波器得到同相分量i_s(x,y；z)：

i_s(x,y；z)＝i_Ω(x,y；z)sin(Ωt)

另一路通过乘法器与cos(Ωt)混频然后通过低通滤波器得到正交分量i_c(x,y；z)：

i_c(x,y；z)＝i_Ω(x,y；z)cos(Ωt)

其中i_Ω表示外差电流信号，sin和cos分别表示正弦和余弦。

低通滤波器18后的同相分量i_c和正交分量i_s输入计算机19的输入端，计算机18可以对数据进行存储，并计算得到与物体相关的全息图表示为：

H(x,y；z)＝i_c(x,y；z)+ji_s(x,y；z)

其中H(x,y；z)被称为复分布全息图，这样通过同相分量i_c和正交分量i_s两个记录全息图就能够精确重构三维物体的复振幅信息，同时还可以自动消除系统存在的其他误差如像差等，他不再含有共轭像。该方法结构简单，易于操作，具有很强的实用性，运用环形光瞳滤波器可以形成环形光对物体进行扫描，可以用于物体边界提取，图像增强，全息显微超分辨等领域，具有重要的应用价值。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于环形光差频扫描实现边缘提取的全息方法，其特征在于：将激光器出射的一束中心频率为ω₀的光被分为两束，一束作为参考光束，另一束作为物光束，其中，对参考光束进行频率为Ω的频移处理后，通过一个光瞳调制形成平面波；将物光束通过另一个光瞳调制形成环形光束，将处理后的参考光束和物光束进行汇合并共路，通过光波迭加产生频率为Ω的干涉光，并会聚在位于透镜后焦面的载物台上，对位于载物台上的物体进行扫描，将扫描后的光束进行接收并转换为电流信号，然后对此电流信号进行信号解调，最终在计算机中实现全息图的重建。

2.根据权利要求1所述的基于环形光差频扫描实现边缘提取的全息方法，其特征在于：所述参考光束经过声光调频器后产生频率为Ω的频移后，通过由小孔和透镜组成的一个光瞳形成平面波，物光束通过由小孔、透镜、环形光瞳滤波器组成的另一个光瞳形成环形光束。

3.根据权利要求1所述的基于环形光差频扫描实现边缘提取的全息方法，其特征在于：所述的频率为Ω的干涉光，实现对物体扫描时系统的光学传递函数为：

其中，k_x和k_y分别表示频域坐标，j表示虚数单位，λ表示光波的波长，k₀＝2π/λ表示波数，f表示透镜的焦距，z表示待测物体到透镜后焦面的距离，x’和y’分别表示横向和纵向的积分变量，p₁、p₂分别表示两个光瞳函数的表达式，分别是小孔形成的脉冲函数p₁和由环形光瞳滤波器形成的环形光函数p₂，p₂表示为：

其中，circ表示圆孔透过率函数，w₀表示外环半径，w_i表示内环半径，r表示极坐标

4.根据权利要求1所述的基于环形光差频扫描实现边缘提取的全息方法，其特征在于：所述的扫描过程由载物台实现，载物台通过计算机进行控制实现对待测不同位置的三维扫描。

5.根据权利要求1所述的基于环形光差频扫描实现边缘提取的全息方法，其特征在于：

所述的信号接收和解调具体过程为：对待测物体扫描后的光，通过透镜会聚后到达光电探测器，由光电探测器输出带有全息信息且与物体扫描位置相关的电流信号，表示为：

其中，P_1z和P_2z分别是两个光瞳的傅立叶变换，ω₀为激光器出射光的中心频率，Ω为声光调频器产生的频移信号频率，Γ₀(x’+x,y’+y,z)为待测物体的复光场，x和y分别表示物体的横向和纵向坐标，k_x和k_y分别表示频域坐标；

光电探测器的输出的电流信号进入带通滤波器的输入端，带通滤波器的中心频率为Ω，滤除电流信号中的直流成分和高频干扰成分，得到频率为Ω的外差电流信号为：

其中，Re表示实部；

通过带通滤波器后的信号分为两路分别通过乘法器和低通滤波器，其中一路通过乘法器与sin(Ωt)混频然后通过低通滤波器得到同相分量i_s(x,y；z)：

i_s(x,y；z)＝i_Ω(x,y；z)sin(Ωt)

另一路通过乘法器与cos(Ωt)混频然后通过低通滤波器得到正交分量i_c(x,y；z)：

i_c(x,y；z)＝i_Ω(x,y；z)cos(Ωt)

其中，i_Ω表示外差电流信号，sin和cos分别表示正弦和余弦。

6.根据权利要求1所述的基于环形光差频扫描实现边缘提取的全息方法，其特征在于：

所述的计算机全息图的重建过程为：通过低通滤波器后的同相分量i_c和正交分量i_s输入计算机的输入端，计算机对数据进行存储，并计算得到与物体相关的全息图，表示为：

H(x,y；z)＝i_c(x,y；z)+ji_s(x,y；z)

其中H(x,y；z)被称为复分布全息图，通过同相分量i_c和正交分量i_s两个记录全息图能够精确重构三维物体的复振幅信息。