CN108646538A - 一种单次曝光复振幅物体全息重建方法、设备及系统 - Google Patents

一种单次曝光复振幅物体全息重建方法、设备及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN108646538A
CN108646538A CN201810375858.4A CN201810375858A CN108646538A CN 108646538 A CN108646538 A CN 108646538A CN 201810375858 A CN201810375858 A CN 201810375858A CN 108646538 A CN108646538 A CN 108646538A
Authority
CN
China
Prior art keywords
plane
amplitude
wave field
phase
complex
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810375858.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108646538B (zh
Inventor
张�成
汪东
王美琴
陈倩文
韦穗
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anhui University
Original Assignee
Anhui University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anhui University filed Critical Anhui University
Priority to CN201810375858.4A priority Critical patent/CN108646538B/zh
Publication of CN108646538A publication Critical patent/CN108646538A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108646538B publication Critical patent/CN108646538B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22—Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Holo Graphy (AREA)

Abstract

本发明公开了一种单次曝光复振幅物体全息重建方法、设备及系统，属于全息重建技术领域，其用于对图像传感器捕获的来自3D物体衍射波场经传播到达图像传感器平面的复波场的强度信息进行处理，且图像传感器的平面与掩模平面、3D物体的纵截面位于同一光路上，通过传感器阵列捕获衍射传播场的强度图像进行两步GS角谱迭代相位恢复算法，分别恢复出3D物体传播到掩模平面上的复波场的相位和振幅，并通过压缩重建算法利用该复波场重建原3D物体。本发明适用于实际应用中掩模平面波场强度无法直接获得的情形，并使用单次曝光的方法来获取传播到掩模平面衍射场的相位信息，简化操作过程，具有节省系统资源，成像速度快，维护成本低，应用范围广等优点。

Description

一种单次曝光复振幅物体全息重建方法、设备及系统
技术领域
本发明涉及全息重建技术领域，特别涉及一种单次曝光复振幅物体全息重建方法、设备及系统。
背景技术
全息重建技术是利用干涉和衍射原理记录并再现3D物体真实的三维图像的记录和再现的技术。其将真实的环境和虚拟的事物叠加在同一个画面或空间同时存在，增强了感官性，在各行各业得到广泛的应用。
其中，来自3D物质的复波场是由振幅和相位组成的，但是在数字全息实验中，电荷耦合器件(Charge-coupled Device，CCD)只能记录传播到CCD平面的波场强度数据，相位信息是丢失的。为了获取传播到传感器平面波场的相位信息，相关文献提出了许多方法，比如多次曝光等，但是增加曝光次数以及与此类似的方法增加了对硬件设备的要求，同时也提升了操作的复杂性。
压缩感知(Compressed Sensing，CS)理论代替了传统的Shannon-Nyquist采样定理，只需要对稀疏或者可压缩的信号进行少量的测量，便能对原信号进行精确的重构。这种方法对设备要求低，资源浪费少，使得该理论在数字全息技术中得到了广阔的发展。如今，压缩感知与数字全息术的结合已经在多个方向上取得了显著的成就，包括重建部分遮挡的物体，非散射和散射对象的三维断层扫描，增加了同轴全息术的轴向分辨率，压缩全息影像和同于无镜头数字全息术的超分辨率像素等。
有技术人员将压缩感知与数字全息相结合，成功的通过操作较为简单的单次曝光方法来获取传播到传感器平面波场的相位信息，但是必须要求原3D物体是个纯振幅的物体，且其重建过程遭受了共轭项和零级衍摄像的干扰。针对具有复振幅的物体，相关技术人员使用干涉的方法通过多次操作来获取传播到传感器平面波场的相位信息，但操作上较为复杂。
为此，相关技术人员通过单次曝光的方法获取传播到传感器平面波场的相位信息，并对具有复振幅的物体进行了高精度的全息重构。但是该工作室通过矩阵向量的形式来模拟衍射过程，在试验中需要占用大量的内存空间，同时浪费了大量的内存资源，对设备的要求较高。而且，在实际应用中，其只能对小分辨率的物体进行重构，大大阻碍了单次曝光方法在对较高分辨率物体的全息重建上的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一一种单次曝光复振幅物体全息重建方法、设备及系统，其仅通过单次曝光方法便能获取复波场的相位信息，并支持高分辨率复振幅物体的全息成像。
为实现以上目的，一方面，本发明采用一种单次曝光复振幅物体全息重建方法，其用于对图像传感器捕获的衍射波场强度数据进行处理，且图像传感器的平面与掩模平面、3D物体的纵截面位于同一光路上，包括如下步骤：
获取图像传感器捕获的来自3D物体衍射波场经传播到达图像传感器平面的复波场的强度信息；
设定三个位于同一光路的平面P1、P2、P3来分别表示3D物体的纵截面、掩模平面、图像传感器的平面；
在平面P2、P3之间采用GS角谱迭代相位恢复算法，对所述图像传感器上捕获的来自3D物体衍射波场经传播到达图像传感器平面的复波场的强度信息进行处理，得到3D物体传播到平面P2上的复波场的振幅A；
在平面P2、P3之间采用GS角谱迭代相位恢复算法，对掩模平面上的复波场的振幅A进行处理，得到3D物体传播到平面P2上的复波场的相位
对P2平面上由迭代恢复的振幅A、相位构成的复波场，利用TwIST算法对原3D物体进行全息重建。
优选地，所述在平面P2、P3之间采用GS角谱迭代相位恢复算法，对所述图像传感器上捕获的来自3D物体衍射波场经传播到达图像传感器平面的复波场的强度信息进行处理，得到3D物体经过衍射传播到平面P2上的复波场的振幅A，包括：
S101、在所述平面P2内对经掩模平面过滤后的复波场强度和相位信息进行初始化，分别得到第一初始相位和第一初始振幅；
S102、将第一初始相位和第一初始振幅组成复振幅，并经前向角谱传播到所述平面P3，得到第一复波场；
S103、获取第一复波场的相位、振幅，由第一复波场的相位、振幅组成的复振幅经反向角谱传播到所述平面P2，得到第二复波场；
S104、获取第二复波场的相位并将其作为第一初始相位，保持所述第一初始振幅不变，然后执行步骤S102进行反复迭代；
S105、迭代次数完成时，获得3D物体传播到平面P2上的复波场的振幅A。
优选地，在合成复波场时，所述平面P3处的第一复波场的振幅保持不变，所述初始振幅随着每次的迭代替换成新的振幅。
优选地，所述在平面P2、P3之间采用GS角谱迭代相位恢复算法，对掩模平面上的复波场的振幅A进行处理，得到3D物体传播到平面P2上的复波场的相位包括：
S201、在所述平面P2内对所述经掩模平面过滤的复波场的相位进行初始化，得到第二初始相位，并将所述复波场的振幅A作为第二初始振幅；
S202、将第二初始相位和第二初始振幅组成复振幅，并经前向角谱传播到所述平面P3，得到复波场a1；
S203、将复波场a1的相位和振幅组成的复振幅经反向角谱传播到所述平面P2，得到复波场a2；
S204、获取复波场a2的相位并将其作为第二初始相位，保持所述第二初始振幅不变，组成新的复波场，然后执行步骤S202进行反复迭代；
S205、迭代次数完成时，获得3D物体经衍射传播到平面P2上的复波场的相位
优选地，所述第一初始相位、第二初始相位的区间均为[0，π/2]，所述第一初始振幅的大小与所述3D物体一致且矩阵元素全为1。
优选地，所述掩模为随机0-1分布的随机均匀掩模图案。
优选地，在所述GS角谱迭代相位恢复算法中，角谱衍射传播的点扩散函数为：
其中，λ为非相干照明光源的波长，z为不同平面之间的距离，j表示虚数，H(fX,fY)表示波场传播的点扩散函数，为方向余弦，exp[]表示指数形式。
另一方面，采用一种GS迭代相位恢复设备，包括：获取模块、设置模块、第一角谱迭代模块、第二角谱迭代模块以及全息成像模块；
获取模块用于获取图像传感器捕获的来自3D物体衍射波场经传播到达图像传感器平面的复波场的强度信息；
设置模块用于设定三个位于同一光路的平面P1、P2、P3来分别表示3D物体的纵截面、掩模平面、图像传感器的平面；
第一角谱迭代模块用于在平面P2、P3之间采用GS角谱迭代相位恢复算法，对所述图像传感器上捕获的来自3D物体衍射波场经传播到达图像传感器平面的复波场的强度信息进行处理，得到3D物体经过衍射传播到平面P2上的复波场的振幅A；
第二角谱迭代模块用于在平面P2、P3之间采用GS角谱迭代相位恢复算法，对掩模平面上的复波场的振幅A进行处理，得到3D物体传播到平面P2上的复波场的相位
全息成像模块用于对P2平面上由迭代恢复的振幅A、相位构成的复波场，利用TwIST算法对原3D物体进行全息重建。
优选地，第一角谱迭代模块用于执行如下步骤：
S101、在所述平面P2内对经掩模平面过滤后的复波场强度和相位信息进行初始化，分别得到第一初始相位和第一初始振幅；
S102、将第一初始相位和第一初始振幅组成复振幅，并经前向角谱传播到所述平面P3，得到第一复波场；
S103、获取第一复波场的相位、振幅，由第一复波场的相位、振幅组成的复振幅经反向角谱传播到所述平面P2，得到第二复波场；
S104、获取第二复波场的相位并将其作为第一初始相位，保持所述第一初始振幅不变，然后执行步骤S102进行反复迭代；
S105、迭代次数完成时，获得3D物体传播到平面P2上的复波场的振幅A。
优选地，第二角谱迭代模块用于执行如下步骤：
S201、在所述平面P2内对所述经掩模平面过滤的复波场的相位进行初始化，得到第二初始相位，并将所述复波场的振幅A作为第二初始振幅；
S202、将第二初始相位和第二初始振幅组成复振幅，并经前向角谱传播到所述平面P3，得到复波场a1；
S203、将复波场a1的相位和振幅组成的复振幅经反向角谱传播到所述平面P2，得到复波场a2；
S204、获取复波场a2的相位并将其作为第二初始相位，保持所述第二初始振幅不变，组成新的复波场，然后执行步骤S202进行反复迭代；
S205、迭代次数完成时，获得3D物体经衍射传播到平面P2上的复波场的相位
另一方面，采用一种单次曝光复振幅物体全息重建系统，包括：3D物体、掩模、图像传感器以及如权利要求7-9任一项所述的GS迭代相位恢复设备，图像传感器的输出端与所述GS迭代相位恢复设备连接；
所述掩模设置在3D物体和图像传感器之间，所述3D物体的纵截面、掩模的平面以及图像传感器的平面位于同一光路上。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明一方面通过在3D物体和图像传感器之间设置掩模，来自物体自身的物波场经过角谱衍射过程传播到掩模平面，所得的复波场随后被掩模图案过滤，过滤后的复波场又经过角谱衍射传播到图像传感器平面，并通过传感器阵列捕获衍射传播场的强度图像。本方案通过迭代的方法取代多次相移干涉来恢复衍射波场的相位信息，因此在操作上较为简便。另一方面，传感器阵列捕获衍射传播场的强度图像最终被计算机端接收，然后采用两步GS角谱迭代相位恢复算法，处理恢复由3D物体波场传播到掩模平面的复波场的相位和振幅信息，并通过压缩重建算法重建原3D物体信息。本方案中通过采用GS角谱迭代相位恢复算法恢复传播到掩模平面的复波场的相位和振幅信息，解决模拟实验中掩模平面强度信息已知而实际应用中未知的情形，具有更高的实用性。
附图说明
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：
图1是一种单次曝光复振幅物体全息重建方法的流程示意图；
图2是恢复3D物体传播到掩模平面上的复波场的振幅的流程示意图；
图3是恢复3D物体传播到掩模平面上的复波场的相位的流程示意图；
图4是一种单次曝光复振幅物体全息重建方法的原理框图；
图5是GS迭代相位恢复设备的结构示意图；
图6是一种单次曝光复振幅物体全息重建方法的结构示意图。
具体实施方式
为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。
如图1至图3所示，本实施例公开了一种单次曝光复振幅物体全息重建方法，其用于对图像传感器捕获的来自3D物体衍射波场经传播到达图像传感器平面的复波场的强度信息进行处理，且图像传感器的平面与掩模平面、3D物体的纵截面位于同一光路上，包括如下步骤S1至S5：
S1、获取图像传感器捕获的来自3D物体衍射波场经传播到达图像传感器平面的复波场的强度信息；
需要说明的是，来自3D物体的复波场通过角谱传播到掩模平面，被掩模所过滤，经过过滤后的复波场随后通过角谱传播到图像传感器平面，通过图像传感器捕获衍射传播场的强度图像，图像传感器上测量的数据为：
其中，z1是3D物体的纵截面到传感器平面的距离，z2为掩模平面到传感器平面的距离，(α,β)为方向余弦，U(x,y,z1)为掩模平面处的复波场由角谱衍射传播被掩模所过滤的复波场，λ表示照明光源的波长，j表示虚数，x、y分别表示复波场中不同点的坐标，表示二重积分。
来自3D物体的复波场传播至掩模平面的传播过程为：
其中，M为元素满足随机均匀0-1分布的掩模，f(x,y,z1)为原3D物体表面的复波场，表示距离处物体z1处的物体波场由角谱衍射传播到掩模平面上被其所过滤的复波场。
本实施例中选择角谱衍射传播的方法作为复波场在自由空间传播的感知算子，复波场在自由空间传播的点扩散函数为：
其中，λ为非相干照明光源的波长，z为不同平面之间的距离，j表示虚数，H(fX,fY)表示波场传播的点扩散函数，为方向余弦，exp[]表示指数形式。
S2、设定三个位于同一光路的平面P1、P2、P3来分别表示3D物体的纵截面、掩模平面、图像传感器的平面；
S3、在平面P2、P3之间采用GS角谱迭代相位恢复算法，对所述图像传感器上捕获的来自3D物体衍射波场经传播到达图像传感器平面的复波场的强度信息进行处理，得到3D物体经过衍射传播到平面P2上的复波场的振幅A；
S4、在平面P2、P3之间采用GS角谱迭代相位恢复算法，对掩模平面上的复波场的振幅A进行处理，得到3D物体传播到平面P2上的复波场的相位
S5、对P2平面上由迭代恢复的振幅A、相位构成的复波场，利用TwIST算法对原3D物体进行全息重建。
需要说明的是，本实施例中通过在3D物体和图像传感器之间布置掩模，一方面解决多次曝光操作繁琐的问题。通过引入掩模，可用迭代的方法来获取相位信息，其属于单次曝光，操作简单。另一方面也用于提供GS算法迭代恢复过程中所需的支撑约束。
目前，单次曝光全息重建相关工作做了相关模拟实验，实验中P2平面的强度信息是已知的。但在实际应用中，P2平面的强度信息无法直接获得，本实施例采用GS角谱迭代传播算法进行两步迭代，分别得到3D物体传播到平面P2上的复波场的振幅A和相位解决模拟实验中掩模平面强度信息已知而实际应用中未知的情形，具有更高的实用性。
作为进一步优选的方案，上述步骤S3中的在平面P2、P3之间采用GS角谱迭代相位恢复算法，对3D物体强度数据进行处理，得到3D物体传播到平面P2上的复波场的振幅A，具体包括如下步骤：
S101、在所述平面P2内对经掩模平面过滤后的复波场强度和相位信息进行初始化，分别得到第一初始相位和第一初始振幅；
S102、将第一初始相位和第一初始振幅组成复振幅，并经前向角谱传播到所述平面P3，得到第一复波场；
S103、获取第一复波场的相位、振幅，由第一复波场的相位、振幅组成的复振幅经反向角谱传播到所述平面P2，得到第二复波场；
S104、获取第二复波场的相位并将其作为第一初始相位，保持所述第一初始振幅不变，然后执行步骤S102进行反复迭代；
S105、迭代次数完成时，获得3D物体传播到平面P2上的复波场的振幅A。
具体地，如图2所述，恢复3D物体传播到掩模平面上的复波场振幅的具体过称为：
在所述平面P2初始化一个区间为[0，π/2]的初始相位以及一个大小与所述3D物体一致且矩阵元素全为1的初始振幅A1；
取复振幅f1经角谱传播到平面P3的复波场的振幅A2和相位复振幅f1由相位和振幅A1构成，
取复振幅f2经反向角谱传播到平面P2的复波场的相位振幅A3，复振幅f2由相位和振幅A2构成，
将相位振幅A3分别作为初始相位、初始振幅，由相位A3和振幅A3构成的复波场传播至平面P3，如此反复迭代，直至迭代次数完成，得到3D物体传播到平面P2上的复波场的振幅A。
作为进一步优选的方案，在上述步骤S3的过程中，每次合成新的复波场的时候，复波场传播到平面P3处时，复波场的振幅为之前在平面P3处的第一复波场的振幅保持不变。初始振幅A1随着每次的迭代替换成新的振幅。
需要说明的是，复波场传播到平面P3处时，复波场的振幅为之前在平面P3处的第一复波场的振幅保持不变，是因为P3平面处的振幅是成像过程中唯一可以记录到的信息，本实施例中通过GS迭代相位恢复算法针对这一数据，来对相位信息进行恢复。
作为进一步优选的方案，上述步骤S4中的在平面P2、P3之间采用GS角谱迭代相位恢复算法，对掩模平面上的复波场的振幅A进行处理，得到3D物体传播到平面P2上的复波场的相位包括：
S201、在所述平面P2内对所述经掩模平面过滤的复波场的相位进行初始化，得到第二初始相位，并将所述复波场的振幅A作为第二初始振幅；
S202、将第二初始相位和第二初始振幅组成复振幅，并经前向角谱传播到所述平面P3，得到复波场a1；
S203、将复波场a1的相位和振幅组成的复振幅经反向角谱传播到所述平面P2，得到复波场a2；
S204、获取复波场a2的相位并将其作为第二初始相位，保持所述第二初始振幅不变，组成新的复波场，然后执行步骤S202进行反复迭代；
S205、迭代次数完成时，获得3D物体经衍射传播到平面P2上的复波场的相位
具体地，如图3所示，恢复3D物体传播到掩模平面上的复波场相位的具体过程为：
在平面P2初始化一个区间为[0，π/2]的初始相位将3D物体传播到平面P2上的复波场的振幅A作为初始振幅A'1；
取复振幅f1`经角谱传播到平面P3的复波场的振幅A'2和相位复振幅f′1由相位和振幅A'1构成，
取复振幅f′2经反向角谱传播到平面P2的复波场的相位复振幅f′2由相位和振幅A'2构成，
将相位作为初始相位并和振幅A'1构成复波场，传播至平面P3，如此反复迭代，直至迭代次数完成，得到3D物体传播到平面P2上的复波场的相位
需要说明的是，在迭代过程中，保持振幅A'1不变，是因为第一步迭代恢复结束后，振幅的信噪比显著提升，因此第二部迭代将着重对相位进行迭代恢复。。
作为进一步优选的方案，第一初始相位、第二初始相位的区间均为[0，π/2]，所述第一初始振幅即振幅A1的大小与所述3D物体一致且矩阵元素全为1。
需要说明的是，本实施例中相位初始区间为[0，π/2]时，恢复后的相位信息将具有更高的信噪比，初始化振幅的元素全为1的目的为此矩阵较为简单。应当说明的是，本实施例中不限定相位的初始区间及振幅的初始值，本领域技术人员也可选取其它初始值。
作为进一步优选的方案，掩模特征为随机0-1分布的随机均匀掩模图案。其中，本实施例中通过随机均匀掩模下迭代恢复后相位的信噪比较高，效果更好。
如图4所示，本实施例公开的一种单次曝光复振幅物体全息重建方法的工作原理为：
掩模特征为随机0-1分布的随机均匀掩模图案，来自3D物体自身的物波场经过角谱衍射过程传播到掩模平面，所得的复波场随后被掩膜图案过滤，过滤后的复波场又经过角谱衍射传播到图像传感器平面，并通过传感器阵列捕获衍射传播场的强度图像；采用改进的GS迭代相位恢复算法恢复出3D物体复波场传播到掩模平面的振幅和相位；通过压缩重建算法重建原3D物体信息。
在实际应用中，只能记录到传感器平面上的强度数据，存在掩模平面波场强度无法无法直接获取的情况，本实施例中通过采用GS迭代相位恢复算法恢复出3D物体复波场传播到掩模平面的振幅和相位，适用于实际应用中掩模平面波场强度无法直接获得的情形，实用性更高且普适性强。并使用单次曝光的方法来获取传播到图像传感器平面衍射波场的相位信息，大大简化操作过程，具有大大节省系统资源，成像速度快，维护成本低，应用范围广等优点。
如图5所示，本实施例公开了一种GS迭代相位恢复设备，包括：获取模块10、设置模块20、第一角谱迭代模块30、第二角谱迭代模块40以及全息重建模块50；
获取模块10用于获取图像传感器捕获的3D物体强度数据；
设置模块20用于设定三个位于同一光路的平面P1、P2、P3来分别表示3D物体的纵截面、掩模平面、图像传感器的平面；
第一角谱迭代模块30用于在平面P2、P3之间采用GS角谱迭代相位恢复算法，对3D物体强度数据进行处理，得到3D物体传播到平面P2上的复波场的振幅A；
第二角谱迭代模块40用于在平面P2、P3之间采用GS角谱迭代相位恢复算法，对掩模平面上的复波场的振幅A进行处理，得到3D物体传播到平面P2上的复波场的相位
全息重建模块50用于采用TwIST算法对3D物体传播到平面P2上的复波场的振幅A、相位进行处理，以对3D物体进行全息重建。
作为进一步优选的方案，第一角谱迭代模块30用于执行如下步骤：
S101、在所述平面P2内对经掩模平面过滤后的复波场强度和相位信息进行初始化，分别得到第一初始相位和第一初始振幅；
S102、将第一初始相位和第一初始振幅组成复振幅，并经前向角谱传播到所述平面P3，得到第一复波场；
S103、获取第一复波场的相位、振幅，由第一复波场的相位、振幅组成的复振幅经反向角谱传播到所述平面P2，得到第二复波场；
S104、获取第二复波场的相位并将其作为第一初始相位，保持所述第一初始振幅不变，然后执行步骤S102进行反复迭代；
S105、迭代次数完成时，获得3D物体传播到平面P2上的复波场的振幅A。
作为进一步优选的方案，第二角谱迭代模块40用于执行如下步骤：
S201、在所述平面P2内对所述经掩模平面过滤的复波场的相位进行初始化，得到第二初始相位，并将所述复波场的振幅A作为第二初始振幅；
S202、将第二初始相位和第二初始振幅组成复振幅，并经前向角谱传播到所述平面P3，得到复波场a1；
S203、将复波场a1的相位和振幅组成的复振幅经反向角谱传播到所述平面P2，得到复波场a2；
S204、获取复波场a2的相位并将其作为第二初始相位，保持所述第二初始振幅不变，组成新的复波场，然后执行步骤S202进行反复迭代；
S205、迭代次数完成时，获得3D物体经衍射传播到平面P2上的复波场的相位
需要说明的是，本实施例公开的一种GS迭代相位恢复设备用于执行上述实施例中的一种单次曝光复振幅物体全息重建方法中的步骤，具有相应的技术特征且实现相同的技术效果，此处不再赘述。
如图6所示，本实施例公开了一种单次曝光复振幅物体全息重建系统包括：3D物体1、掩模2、图像传感器3以及上述的GS迭代相位恢复设备4，图像传感器3的输出端与所述GS迭代相位恢复设备4连接；
所述掩模2设置在3D物体1和图像传感器3之间，所述3D物体1的纵截面、掩模2的平面以及图像传感器3的平面位于同一光路上。
具体地，掩模2平面中心区域元素符合随机0-1分布，中心区域边缘与掩模2边缘之间的部分为虚拟区域；在所述掩模2虚拟区域所包含的虚拟点处，其图像点的强度不是预先确定的，而是仅在GS迭代相位恢复设备执行GS迭代算法之后才确定，且数量必须大于或等于掩模内0-1元素中包含的零的数量。
本实施例公开的一种单次曝光复振幅物体全息重建方法的操作过程如下：
(1)搭建单次曝光全息重建系统；
(2)用波长为633nm的光源照射3D物体1，照明光波场与3D物体1自身的波场相干涉后形成的干涉场遵循自衍射传播过程，在图像传感器3平面捕获其强度数据，由GS迭代相位恢复设备4端接收捕获的强度图像并执行上述GS相位恢复算法恢复物体复波场传播到掩模2平面的复波场的相位和振幅，然后利用TwIST重建算法重建原3D物体信息。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单次曝光复振幅物体全息重建方法，其特征在于，其用于对图像传感器捕获的来自3D物体衍射波场经传播到达图像传感器平面的复波场的强度信息进行处理，且图像传感器的平面与掩模平面、3D物体的纵截面位于同一光路上，包括：
获取图像传感器捕获的来自3D物体衍射波场经传播到达图像传感器平面的复波场的强度信息；
设定三个位于同一光路的平面P1、P2、P3来分别表示3D物体的纵截面、掩模平面、图像传感器的平面；
在平面P2、P3之间采用GS角谱迭代相位恢复算法，对所述图像传感器上捕获的来自3D物体衍射波场经传播到达图像传感器平面的复波场的强度信息进行处理，得到3D物体经过衍射传播到平面P2上的复波场的振幅A；
在平面P2、P3之间采用GS角谱迭代相位恢复算法，对掩模平面上的复波场的振幅A进行处理，得到3D物体传播到平面P2上的复波场的相位
对P2平面上由迭代恢复的振幅A、相位构成的复波场，利用TwIST算法对原3D物体进行全息重建。
2.如权利要求1所述的单次曝光复振幅物体全息重建方法，其特征在于，所述在平面P2、P3之间采用GS角谱迭代相位恢复算法，对所述图像传感器上捕获的来自3D物体衍射波场经传播到达图像传感器平面的复波场的强度信息进行处理，得到3D物体经过衍射传播到平面P2上的复波场的振幅A，包括：
S101、在所述平面P2内对经掩模平面过滤后的复波场强度和相位信息进行初始化，分别得到第一初始相位和第一初始振幅；
S102、将第一初始相位和第一初始振幅组成复振幅，并经前向角谱传播到所述平面P3，得到第一复波场；
S103、获取第一复波场的相位、振幅，由第一复波场的相位、振幅组成的复振幅经反向角谱传播到所述平面P2，得到第二复波场；
S104、获取第二复波场的相位并将其作为第一初始相位，获取第二复波场的振幅并将其作为第一初始振幅，然后执行步骤S102进行反复迭代；
S105、迭代次数完成时，获得3D物体传播到平面P2上的复波场的振幅A。
3.如权利要求2所述的单次曝光复振幅物体全息重建方法，其特征在于，在合成复波场时，所述平面P3处的第一复波场的振幅保持不变，所述初始振幅随着每次的迭代替换成新的振幅。
4.如权利要求2所述的单次曝光复振幅物体全息重建方法，其特征在于，所述在平面P2、P3之间采用GS角谱迭代相位恢复算法，对掩模平面上的复波场的振幅A进行处理，得到3D物体传播到平面P2上的复波场的相位包括：
S201、在所述平面P2内对所述经掩模平面过滤的复波场的相位进行初始化，得到第二初始相位，并将所述复波场的振幅A作为第二初始振幅；
S202、将第二初始相位和第二初始振幅组成复振幅，并经前向角谱传播到所述平面P3，得到复波场a1；
S203、将复波场a1的相位和振幅组成的复振幅经反向角谱传播到所述平面P2，得到复波场a2；
S204、获取复波场a2的相位并将其作为第二初始相位，保持所述第二初始振幅不变，组成新的复波场，然后执行步骤S202进行反复迭代；
S205、迭代次数完成时，获得3D物体经衍射传播到平面P2上的复波场的相位
5.如权利要求4所述的单次曝光复振幅物体全息重建方法，其特征在于，所述第一初始相位、第二初始相位的区间均为[0，π/2]，所述第一初始振幅的大小与所述3D物体一致且矩阵元素全为1。
6.如权利要求1-5任一项所述的单次曝光复振幅物体全息重建方法，其特征在于，所述掩模为随机0-1分布的随机均匀掩模图案。
7.一种GS迭代相位恢复设备，其特征在于，包括：获取模块、设置模块、第一角谱迭代模块、第二角谱迭代模块以及全息成像模块；
获取模块用于获取图像传感器捕获的来自3D物体衍射波场经传播到达图像传感器平面的复波场的强度信息；
设置模块用于设定三个位于同一光路的平面P1、P2、P3来分别表示3D物体的纵截面、掩模平面、图像传感器的平面；
第一角谱迭代模块用于在平面P2、P3之间采用GS角谱迭代相位恢复算法，对所述图像传感器上捕获的来自3D物体衍射波场经传播到达图像传感器平面的复波场的强度信息进行处理，得到3D物体经过衍射传播到平面P2上的复波场的振幅A；
第二角谱迭代模块用于在平面P2、P3之间采用GS角谱迭代相位恢复算法，对掩模平面上的复波场的振幅A进行处理，得到3D物体传播到平面P2上的复波场的相位
全息成像模块用于对P2平面上由迭代恢复的振幅A、相位构成的复波场，利用TwIST算法对原3D物体进行全息重建。
8.如权利要求7所述的GS迭代相位恢复设备，其特征在于，所述第一角谱迭代模块用于执行如下步骤：
S101、在所述平面P2内对经掩模平面过滤后的复波场强度和相位信息进行初始化，分别得到第一初始相位和第一初始振幅；
S102、将第一初始相位和第一初始振幅组成复振幅，并经前向角谱传播到所述平面P3，得到第一复波场；
S103、获取第一复波场的相位、振幅，由第一复波场的相位、振幅组成的复振幅经反向角谱传播到所述平面P2，得到第二复波场；
S104、获取第二复波场的相位并将其作为第一初始相位，保持所述第一初始振幅不变，然后执行步骤S102进行反复迭代；
S105、迭代次数完成时，获得3D物体传播到平面P2上的复波场的振幅A。
9.如权利要求7所述的GS迭代相位恢复设备，其特征在于，所述第二角谱迭代模块用于执行如下步骤：
S201、在所述平面P2内对所述经掩模平面过滤的复波场的相位进行初始化，得到第二初始相位，并将所述复波场的振幅A作为第二初始振幅；
S202、将第二初始相位和第二初始振幅组成复振幅，并经前向角谱传播到所述平面P3，得到复波场a1；
S203、将复波场a1的相位和振幅组成的复振幅经反向角谱传播到所述平面P2，得到复波场a2；
S204、获取复波场a2的相位并将其作为第二初始相位，保持所述第二初始振幅不变，然后执行步骤S202进行反复迭代；
S205、迭代次数完成时，获得3D物体经衍射传播到平面P2上的复波场的相位
10.一种单次曝光复振幅物体全息重建系统，其特征在于，包括：3D物体、掩模、图像传感器以及如权利要求7-9任一项所述的GS迭代相位恢复设备，图像传感器的输出端与所述GS迭代相位恢复设备连接；
所述掩模设置在3D物体和图像传感器之间，所述3D物体的纵截面、掩模的平面以及图像传感器的平面位于同一光路上。
CN201810375858.4A 2018-04-24 2018-04-24 一种单次曝光复振幅物体全息重建方法、设备及系统 Active CN108646538B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810375858.4A CN108646538B (zh) 2018-04-24 2018-04-24 一种单次曝光复振幅物体全息重建方法、设备及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810375858.4A CN108646538B (zh) 2018-04-24 2018-04-24 一种单次曝光复振幅物体全息重建方法、设备及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108646538A true CN108646538A (zh) 2018-10-12
CN108646538B CN108646538B (zh) 2020-11-20

Family

ID=63747287

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810375858.4A Active CN108646538B (zh) 2018-04-24 2018-04-24 一种单次曝光复振幅物体全息重建方法、设备及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108646538B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109683461A (zh) * 2019-01-24 2019-04-26 杭州光粒科技有限公司 基于光场渲染的全息图生成方法、系统、存储介质及近眼ar全息三维显示系统
CN109859127A (zh) * 2019-01-17 2019-06-07 哈尔滨工业大学 基于编码孔径的物体相位恢复技术
CN110647023A (zh) * 2019-09-16 2020-01-03 四川大学 一种基于部分角谱法的快速全息图生成和高质量再现方法
CN110738727A (zh) * 2019-09-29 2020-01-31 东南大学 一种基于光场的复振幅全息图算法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103092049A (zh) * 2013-01-16 2013-05-08 北京工业大学 降低散斑噪声的全固态数字全息成像系统
CN104331616A (zh) * 2014-10-28 2015-02-04 南京理工大学 基于求解光强传输方程的数字全息图解调方法
CN105451024A (zh) * 2015-12-31 2016-03-30 北京大学 一种采用压缩感知的数字全息图编码传输方法
CN105629696A (zh) * 2016-01-13 2016-06-01 西安交通大学 一种基于迭代去噪收缩阈值算法的数字全息重构方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103092049A (zh) * 2013-01-16 2013-05-08 北京工业大学 降低散斑噪声的全固态数字全息成像系统
CN104331616A (zh) * 2014-10-28 2015-02-04 南京理工大学 基于求解光强传输方程的数字全息图解调方法
CN105451024A (zh) * 2015-12-31 2016-03-30 北京大学 一种采用压缩感知的数字全息图编码传输方法
CN105629696A (zh) * 2016-01-13 2016-06-01 西安交通大学 一种基于迭代去噪收缩阈值算法的数字全息重构方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张成: "基于压缩感知的超分辨率图像重建", 《光电子.激光》 *
张成: "物理可实现的压缩成像理论与方法研究", 《信息科技辑》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109859127A (zh) * 2019-01-17 2019-06-07 哈尔滨工业大学 基于编码孔径的物体相位恢复技术
CN109683461A (zh) * 2019-01-24 2019-04-26 杭州光粒科技有限公司 基于光场渲染的全息图生成方法、系统、存储介质及近眼ar全息三维显示系统
CN109683461B (zh) * 2019-01-24 2020-11-10 杭州光粒科技有限公司 基于光场渲染的全息图生成方法、系统、存储介质及近眼ar全息三维显示系统
CN110647023A (zh) * 2019-09-16 2020-01-03 四川大学 一种基于部分角谱法的快速全息图生成和高质量再现方法
CN110647023B (zh) * 2019-09-16 2020-04-28 四川大学 一种基于部分角谱法的快速全息图生成和高质量再现方法
CN110738727A (zh) * 2019-09-29 2020-01-31 东南大学 一种基于光场的复振幅全息图算法
CN110738727B (zh) * 2019-09-29 2024-04-02 东南大学 一种基于光场的复振幅全息图方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108646538B (zh) 2020-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108646538A (zh) 一种单次曝光复振幅物体全息重建方法、设备及系统
Yuan et al. Snapshot compressive imaging: Theory, algorithms, and applications
Jin et al. Learning light field angular super-resolution via a geometry-aware network
Marwah et al. Compressive light field photography using overcomplete dictionaries and optimized projections
CN110175971A (zh) 一种多光谱单像素成像的深度学习图像重构方法
Ding et al. Dynamic fluid surface acquisition using a camera array
CN110501072B (zh) 一种基于张量低秩约束的快照式光谱成像系统的重构方法
CN110425986A (zh) 基于单像素传感器的三维计算成像方法及装置
CN105874391B (zh) 用于执行物体的同轴无透镜数字全息术的装置和方法
CN108369399A (zh) 全息光场成像装置和及其使用方法
CN108955882B (zh) 基于液晶高光谱计算成像系统的三维数据重构方法
CN104121990A (zh) 基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统
CN105467806B (zh) 单像素全息相机
CN109697697A (zh) 基于优化启发的神经网络的光谱成像系统的重构方法
CN104992424A (zh) 一种基于离散余弦变换的单像素快速主动成像系统
CN105973164A (zh) 一种基于像素偏振片阵列的数字全息显微方法
Park et al. Resolution-enhanced 3D image correlator using computationally reconstructed integral images
CN107064005A (zh) 一种高光谱光场的快照式成像系统以及重建算法
CN110097634A (zh) 一种自适应多尺度的三维鬼成像方法
CN107727238A (zh) 基于掩膜板调制的红外并行压缩成像系统及成像方法
CN109343238A (zh) 一种基于电光晶体偏转的压缩超高速摄影装置
Huang et al. Spectral clustering super-resolution imaging based on multispectral camera array
Nguyen et al. Multi-mask camera model for compressed acquisition of light fields
Peng et al. Towards non-line-of-sight photography
CN105700135B (zh) 一种自然光照明的高速大场景相位恢复数据采集装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant