CN109709786B - 一种超分辨率数字全息成像系统和成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超分辨率数字全息成像系统和成像方法，该成像系统是在传统的马赫‑曾德尔全息光路前加入一块透射式空间光调制器(SLM)，通过在SLM中生成不同方向的条纹图，从而产生不同方向的结构光，图像传感器采集到一系列结构光照明形成的全息图。该成像方法在计算机中对每一幅全息图进行傅里叶变换，并将这一系列全息图进行空间频域上的叠加，再解调其高频信息，最后使用数字全息的经典重建算法，实现对物体更高分辨率的成像。本发明为提升数字全息成像系统分辨率提供了新的解决思路。

Description

一种超分辨率数字全息成像系统和成像方法

技术领域

本发明涉及数字全息成像技术领域，具体为一种超分辨率数字全息成像系统和成像方法。

背景技术

数字全息是将计算机技术和全息术相结合，利用图像传感器来替换原有的全息干板来记录全息图，并在计算机中对全息图进行处理。其不受光学系统的限制，直接记录干涉全息图，然后通过计算处理即可获得被测物体的结构信息，其纵向分辨率能达到亚纳米级别。数字全息显微技术不仅有其他光学测量技术的高精度、非接触等特点，而且系统简单，无需对被测物成像，无需扫描，所有滤波处理都通过计算机完成，具有较强的鲁棒性。因此数字全息显微技术被广泛应用于MEMS微结构应力观测、微结构动态参数及微生物的动态观察、粒子场的实时变换检测等。但是受现有图像传感器分辨率和尺寸的限制，数字全息的横向分辨率有待提高。

发明内容

本发明的目的是在不改变现有数字全息系统结构的基础上，通过结合结构光照明技术，提升数字全息成像的横向分辨率。提出一种超分辨率数字全息成像系统和成像方法，在常规的数字全息成像光路前加入一个透射式空间光调制器，将原有的成像系统的均匀光照明改造为结构光照明，让物体更高的空间频率进入图像传感器，然后，在计算机中对每一幅全息图进行傅里叶变换，并将这一系列全息图进行空间频域上的叠加，再进行解调高频信息的过程，最后使用数字全息的经典重建算法，实现对物体更高分辨率的成像。

本发明采用的技术方案为：一种超分辨率数字全息成像系统，激光器1同轴方向上依次放置衰减片2，扩束镜3产生较大的光束，再通过透射式SLM 4生成结构光，后被第一分光平片5分为两束能量相同的光波；其中一束经过第一反射镜6反射后透射经过第二分光平片10平行出射在待测物体11表面，待测物体11表面反射光经过第二分光平片10反射后，进入图像传感器12作为物光；另一束经第一分光平片5反射作为参考光，经过第二反射镜7反射后，通过显微物镜8形成聚焦光束，后出射于显微物镜8焦平面上的针孔9，近而形成球面光波，再通过第二分光平片10，进入图像传感器12，与物光干涉后产生含有物体信息的干涉条纹被图像传感器12接收，然后通过算法解调出原始高频信息，重建物光波。

其中，透射式SLM放置于分光光路之前。

其中，图像传感器12包括面阵彩色相机、线阵彩色相机、面阵黑白相机和线阵黑白相机，其类型包括CMOS和CCD。

其中，第二分光平片10可调，即适用于离轴全息和同轴全息。

其中，重建算法可以为菲涅尔变换法、卷积法、角谱法和小波变换法等常用重建方式。

其中，为了获取图像各个方向上超分辨，至少需要三幅不同方向的条纹图，条纹图的方向和数量不定。

其中，成像方法包括以下步骤：

步骤1)、收集不同方向条纹图对应的全息图，对其进行傅里叶变换，在频域中提取全息图的原始像。

步骤2)、融合几幅全息图原始像的频谱。

步骤3)、对融合后的频谱进行频谱搬移、频谱拼接等解调过程。

步骤4)、使用常用的重建算法完成物光重建。

本发明的有益效果为：

1)在普通的数字全息系统的分光光路之前加入一块透射式SLM，使更多的物光高频信息进入到图像传感器中。

2)本发明的成像方法结合结构光照明的解调算法和数字全息的重建算法，经过频谱拼接、频谱搬移等步骤使高频信息得以恢复，因此重建的图像具有较高的分辨率。

3)本发明与现有的数字全息技术兼容，具有较强的可拓展性。

附图说明

图1为一种超分辨率数字全息成像系统示意图；

图2为透射式SLM生成的不同方向的条纹图其中，图2(1)为θ＝0°，图2(2)为θ＝60°，图2(3)为θ＝120°；

图3为原始像频谱混叠图；

图4为成像方法的频率解调算法示意图，其中，图4(1)为频谱获取，图4(2)为提取高频，图4(3)为频谱搬移，图4(4)为频谱拼接；

图1中附图标记含义为：1为激光器，2为衰减片，3为扩束镜，4为透射式SLM，5为第一分光平片，6为第一反射镜，7为第二反射镜，8为显微物镜，9为针孔，10为第二分光平片，11为待测物体，12为图像传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

如图1所示，图1为一种超分辨率数字全息成像系统示意图；如图所见，本这套成像系统包括：激光器1同轴方向上依次放置衰减片2，扩束镜3产生较大的光束，再通过透射式SLM 4生成结构光，后被第一分光平片5分为两束能量相同的光波；其中一束经过第一反射镜6反射后透射经过第二分光平片10平行出射在待测物体11表面，待测物体11表面反射光经过第二分光平片10反射后，进入图像传感器12作为物光；另一束经第一分光平片5反射作为参考光，经过第二反射镜7反射后，通过显微物镜8形成聚焦光束，后出射于显微物镜8焦平面上的针孔9，近而形成球面光波，再依次通过第二分光平片10，进入图像传感器12，后与物光干涉后产生含有物体信息的干涉条纹被图像传感器12接收，计算机通过算法解调出原始高频信息，重建物光波。光路中各光学元件与激光束垂直并中心保持在光轴上。

以上光路中的激光器使用的是波长为632.8nm的He-Ne激光器，扩束镜对光斑产生3倍的扩束效果，透射式SLM中依次产生图2所示的3幅条纹图用于扩展不同方向的系统数值孔径，从而使物体各个方向的高频信息得以进入图像传感器。

通过上述的超分辨率数字全息成像系统得到的全息图使用特定成像方法进行物光重建，该方法有以下步骤：

1)在透射式SLM上依次显示的图2的条纹图，其条纹周期为30μm，条纹角度分别为0°、60°、120°，图像传感器收集得到3幅相应的条纹图对应的全息图E_i(x,y,0)(i＝1,2,3)。

2)对每一幅全息图进行傅里叶变换，得到其空间频域：

上式中

代表E_i(x,y,0)的频谱，u和v分别是x和y方向上的空间频率。频谱上有3个亮斑，分别代表共轭像、零级像和原始像的频谱，为了获取不受干扰的物光波，使用窗函数对这个频谱中的原始像进行提取，并把这个原始像的频谱平移到整个频谱的中心位置，得到的图像频谱表示为

3)因为受到了结构光的调制，可以发现每幅原始像频谱中心亮点的周围都有两个中心对称的亮点，且每幅图的中心对称的亮点位置不同，将这3幅处理过的图像频谱叠加在一起，如图3所示，形成了一幅完整的频谱混叠图。

4)对得到的频谱混叠图进行解调，解调过程如图4所示，首先，通过建立3个方程，将高频信息和低频信息分离开来，然后将错位的高频信息通过傅里叶变换的平移特性移到正确的位置，最后再将处于正确位置的高频信息和低频信息叠加再一起，使全息图的频谱达到整体拓宽的效果，解调后的频谱表示为

5)对频谱进行角谱传播计算：

上式中的z₀代表待测物体到图像传感器之间的距离，得到全息图传播到z＝z₀时的频谱。

6)最后对这个频谱进行逆傅里叶变换，得到物光波的复振幅：

通过这个复振幅就能求得待测物体的强度信息I(x,y)和相位信息φ(x,y)：

I(x,y)＝|E_i(x,y,z)|² (4)

相位信息和物体的高度之间又存在一个映射关系，所以通过这个映射关系就可以获取待测物体的高度信息，实现对物体的三维成像。

Claims (1)

1.一种超分辨率数字全息成像方法，利用超分辨率数字全息成像系统，激光器(1)同轴方向上依次放置衰减片(2)，扩束镜(3)产生较大的光束，再通过透射式SLM(4)生成结构光，后被第一分光平片(5)分为两束能量相同的光波；其中一束经过第一反射镜(6)反射后透射经过第二分光平片(10)平行出射在待测物体(11)表面，待测物体(11)表面反射光经过第二分光平片(10)反射后，进入图像传感器(12)作为物光；另一束经第一分光平片(5)反射作为参考光，经过第二反射镜(7)反射后，通过显微物镜(8)形成聚焦光束，后出射于显微物镜(8)焦平面上的针孔(9)，近而形成球面光波，再通过第二分光平片(10)，进入图像传感器(12)，与物光干涉后产生含有物体信息的干涉条纹被图像传感器(12)接收，然后通过算法解调出原始高频信息，重建物光波，透射式SLM放置于分光光路之前，图像传感器(12)包括面阵彩色相机、线阵彩色相机、面阵黑白相机或线阵黑白相机，其类型包括CMOS和CCD，第二分光平片(10)可调，即适用于离轴全息和同轴全息，重建算法为菲涅尔变换法、卷积法、角谱法和小波变换法重建方式，为了获取图像各个方向上超分辨，至少需要3幅不同方向的条纹图，其特征在于：成像方法包括以下步骤：

1)在透射式SLM上依次显示条纹图，其条纹周期为30μm，条纹角度分别为0°、60°、120°，图像传感器收集得到3幅相应的条纹图对应的全息图E_i(x,y,0)(i＝1,2,3)；

2)对每一幅全息图进行傅里叶变换，得到其空间频域：

上式中

代表E_i(x,y,0)的频谱，u和v分别是x和y方向上的空间频率，频谱上有3个亮斑，分别代表共轭像、零级像和原始像的频谱，为了获取不受干扰的物光波，使用窗函数对这个频谱中的原始像进行提取，并把这个原始像的频谱平移到整个频谱的中心位置，得到的图像频谱表示为

3)因为受到了结构光的调制，可以发现每幅原始像频谱中心亮点的周围都有两个中心对称的亮点，且每幅图的中心对称的亮点位置不同，将这3幅处理过的图像频谱叠加在一起，形成了一幅完整的频谱混叠图；

4)对得到的频谱混叠图进行解调，首先，通过建立3个方程，将高频信息和低频信息分离开来，然后将错位的高频信息通过傅里叶变换的平移特性移到正确的位置，最后再将处于正确位置的高频信息和低频信息叠加再一起，使全息图的频谱达到整体拓宽的效果，解调后的频谱表示为

5)对频谱进行角谱传播计算：

上式中的z₀代表待测物体到图像传感器之间的距离，得到全息图传播到z＝z₀时的频谱；

6)最后对这个频谱进行逆傅里叶变换，得到物光波的复振幅：

通过这个复振幅就能求得待测物体的强度信息I(x,y)和相位信息φ(x,y)：

I(x,y)＝|E_i(x,y,z)|² (4)

相位信息和物体的高度之间又存在一个映射关系，所以通过这个映射关系就可以获取待测物体的高度信息，实现对物体的三维成像。

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