CN110262206A - 一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像方法和系统，包括将空间光调制器加载双透镜模式；在空间光调制器上加载相移角度为0°的相位掩模；通过图像采集装置记录0°相移全息图；利用0°相移全息图H1分别构建出120°相移全息图H2、240°相移全息图H3，将三幅相移全息图叠加后得到复值全息图H；将复值全息图在计算机中应用角谱衍射法进行再现。本发明通过在空间光调制器上加载双透镜相位掩模记录下0°全息图，利用该全息图构造出120°以及240°全息图，通过三步相移干涉技术去除零级像和共轭像的干扰，对叠加后的复值全息图采用角谱法进行重建获取重建像。该方法实现了共路同轴的非相干数字全息单次曝光成像，兼具了FINCH技术的优点，为非相干数字全息术的实时成像提供有力保障。
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，具体涉及一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像方法与系统。
背景技术
近年来，随着计算机、高分辨率电荷耦合器(CCD)和空间光调制器(SLM) 的进步，数字全息术得到迅速发展，非相干全息术的提出突破了全息记录必须使用相干光照明的局限，发挥出了独特的优势，其中最引人注目的技术是Joseph Rosen等提出的基于SLM的菲涅尔非相干相关全息术(FINCH)。FINCH技术记录过程中无需扫描、移动任何光学器件，可以快速获取物体的三维信息，实现了共路同轴的非相干数字全息记录，相比于传统的数字全息成像具有稳定性强、分辨率高、成像速度快等优点，广泛应用于荧光显微成像，共聚焦显微成像和望远镜成像。但由于FINCH系统同轴光路配置下零级像、原始像和共轭像相互之间存在干扰，需要采用相移干涉技术利用多个全息图的叠加去除零级像和共轭像，因此至少需要两次拍摄记录，不利于动态物体的瞬时测量。
因此，为了能够实现FINCH系统的单次曝光记录，科研人员进行了相关研究。例如，2016年，Yuhong Wan等人将菲涅尔非相干相关全息显微技术与平行相移技术相结合，可瞬时获得空间复用相移全息图，但由于采样不充分引入了噪声，需要利用压缩传感算法获取质量较高的重建像，过程需要3240秒，比较费时，难以实现实时成像。2017年，Xiangyu Quan等人通过使用具有衍射光栅的双聚焦透镜提出了非相干数字全息单次曝光方法，引入的衍射光栅可以生成离轴全息图并减少SLM中未调制光的零级项和其它噪声，在不需要相移的情况下对简单的点光源进行了全息记录并获取重建像，然而该方法适用于对低密度、低相干物体进行全息记录。2018年，Dong Liang等人利用几何相位透镜代替空间光调制器，并与具有微偏振器阵列的相机相结合，利用平行相移数字全息技术可以获得包含多个相移干涉信息的全息图，通过四步相移法获取复合全息图，实现了菲涅耳非相干同轴数字全息的单次曝光记录，虽然该方法光路简单紧凑，但获得的全息图的重建像质量较差。
发明内容
本发明提供了一种通过对FINCH系统成像及再现原理进行理论分析，获知相移角度为0°的全息图与其他相移角度全息图的关系，利用0°全息图构建出其他相移角度的全息图，通过单次曝光记录0°全息图，实现FINCH系统的三步相移单次曝光记录的方法。
本发明采用以下技术方案：
一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像方法，
将空间光调制器加载双透镜模式；
在空间光调制器上加载相移角度为0°的相位掩模；
通过图像采集装置记录0°相移全息图；
利用0°相移全息图H1分别构建出120°相移全息图H2、240°相移全息图H3，将三幅相移全息图叠加后得到复值全息图H；
将复值全息图在计算机中应用角谱衍射法进行再现。
所述图像采集装置为CCD；
所述利用0°相移全息图H1分别构建出120°相移全息图H2、240°相移全息图 H3的方法包括：
空间光调制器上加载两个曲率半径不同的透镜，空间光调制器的反射系数 R(x,y)为：
其中λ为工作波长；B和B'为常数；fd1和fd2为加载透镜焦距；i是复数单位，具体来说，本发明的公式为从傅里叶变换公式变换得到，i为傅里叶变换公式中的复数i，θ为相移常数；
CCD表面强度分布为：
C和C1是复常数，是C1的复共轭，MT是系统横向放大率，zr是再现距离，表示物体所在平面空间位置坐标，(x,y)表示CCD所在平面空间坐标； CCD图像传感器平面上的相移干涉图为：
g(xs,ys,zs)为非相干光照射下物体表面反射或透射光强度，*表示卷积；
利用小波变换方法去除直流项C；
当相移角度θ为0°时有：
点源全息图H1为：
同理，当相移角度分别为120°、240°时，点扩散函数分别为：
根据以上公式将全息图H2、H3用含有H1的式子近似表达出来，即：
根据三步相移公式得到复值全息图H(x,y)，
H(x,y)＝H1(x,y)[exp(±iθ3)-exp(±iθ2)]+H2(x,y)[exp(±iθ1)-exp(±iθ3)] +H3[exp(±iθ2)-exp(±iθ1)]
其中D为常数。
空间光调制器加载双透镜模式时，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。
所述空间光调制器为相位型反射式空间光调制器加载两个不同半径的球面波。
所述图像采集装置为高分辨率CCD或者CMOS。
一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像记录装置，包括：
用于在空间光调制器上加载双透镜模式的装置；
用于在空间光调制器上加载0°相位掩模的装置；
用于记录全息图的图像采集装置；
用于利用0°相移全息图分别构建出120°、240°相移全息图，将三幅相移图叠加后得到复值全息图的装置；
根据复值全息图在计算机中应用角谱衍射法进行全息图的再现。
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：通过在空间光调制器上加载双透镜相位掩模记录下0°全息图，利用该全息图构造出120°以及240°全息图，通过三步相移干涉技术去除零级像和共轭像的干扰，对叠加后的复值全息图采用角谱法进行重建获取重建像。该方法实现了共路同轴的非相干数字全息单次曝光成像，兼具了FINCH技术的优点，为非相干数字全息术的实时成像提供有力保障。
附图说明
图1为本发明装置结构图。
图2为模拟实验结果，(a)为0°全息图，(b)为利用小波变换去除直流项之后的全息图，(c)为再现像，(d)为原始图像。
图3为SLM加载掩模示意图。
图4为0°相移全息图。
图5为再现像。
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。
本发明提供一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像方法，通过在空间光调制器上加载双透镜模式记录0°全息图，利用该全息图构建出120°、240°全息图完成三步相移干涉处理，实现FINCH系统的单次曝光记录。
本发明的方法包括以下步骤：
STP1：将空间光调制器加载双透镜模式。
STP2：在空间光调制器上加载相移角度为0°的相位掩模。
STP3：通过图像采集装置记录0°相移全息图H1。图像采集装置选择高分辨率 CCD或者CMOS。
STP4：利用0°相移全息图H1分别构建出120°相移全息图H2、240°相移全息图H3；将获得的三幅相移全息图叠加去除零极像和共轭像并得到复值全息图H。
STP5：将复值全息图H在计算机中应用角谱衍射法进行再现。
上述的STP1中，本发明在空间光调制器加载双透镜模式时，利用空间光调制器的纯相位模式，选择随机加载的方式，即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。
作为一种实施方式，计算机通过制备焦距分别为245mm和255mm的双透镜掩模加载在空间光调制器上，由CCD记录下0°全息图，利用0°全息图构建出其他角度全息图，最后对全息图采用角谱法进行再现，即可重建出任意重建距离处的重建像。
利用0°相移全息图H1分别构建出120°相移全息图H2、240°相移全息图H3的方法包括：
空间光调制器上加载两个曲率半径不同的透镜，空间光调制器的反射系数 R(x,y)为：
其中，λ为工作波长；B和B'为实常数；fd1和fd2为加载透镜焦距；θ为附加的相位常数，是为了消除零级项和共轭像，考虑到全息图获取的高效性和算法运算速度，一般选择三步相移法，常常取θ1＝0°、θ2＝120°、θ3＝240°。
为透镜的相位变换因子，i是复数的单位，电磁波用复数形式表示，f表示焦距。
CCD表面强度分布即为图1系统中的点扩散函数(PSF)：
其中为物点位置，下标s表示物体所在平面坐标，与透镜的距离为zs；(x,y)表示CCD所在平面空间坐标。C，C1为复常数，是的C1复共轭；λ为中心波长；θ为相移角度；zr为再现距离；MT为系统的横向放大率。s表示物体所在平面。
CCD平面上的干涉图案是物体表面上所有点源全息图的非相干叠加，即相移干涉图为：
g(xs,ys,zs)表示三维物体表面的反射强度分布，本发明中表示非相干光照射下物体表面反射或透射光强度，*表示卷积。
利用小波变换方法可以去除直流项C，为构造方便先将点扩散函数简化，所以当相移角度θ为0°时可写为：
所以点源全息图H1为：
同理，当相移角度分别为120°、240°时，点扩散函数分别为：
根据以上公式可以将全息图H2、H3用含有H1的式子近似表达出来，即：
根据三步相移公式得到复值全息图H(x,y)，
H(x,y)＝H1(x,y)[exp(±iθ3)-exp(±iθ2)]+H2(x,y)[exp(±iθ1)-exp(±iθ3)] +H3[exp(±iθ2)-exp(±iθ1)]
其中D为常数。
本发明还提供一种应用上述方法的装置，该装置至少包括：
用于在空间光调制器上加载双透镜模式的装置；例如计算机。
用于在空间光调制器上加载0°相位掩模的装置；例如计算机。
用于记录全息图的图像采集装置；例如高分辨率相机。
用于利用0°相移全息图分别构建出120°、240°相移全息图，将三幅相移图叠加后得到复值全息图的装置；例如计算机。
根据复值全息图在计算机中应用角谱衍射法进行全息图的再现。
如图1所示，为本发明装置的一种具体结构，该装置为现有技术，本发明在现有技术的基础上使用本发明的方法进行全息图的重现。
该装置中，空间光调制器为相位型反射式空间光调制器，图像采集装置为高分辨率CCD或者CMOS。
该装置具体包括：
光路系统：由物点发出的球面波经准直透镜后传播至空间光调制器上，空间光调制器上加载双透镜模式，透镜焦距分别为fd1、fd2，将来自物点的光波分割成两束曲率半径不同的自相干光，最后由CCD完成全息图的记录。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10。
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模加载在空间光调制器上获取0°全息图；通过编程利用0°全息图构建120°以及240°全息图；利用角谱衍射法将全息图再现得到再现像。
高分辨率单色CCD：用作图像采集装置。
上述装置在使用时，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模，此双透镜掩模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式空间光调制器、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20nm，滤波后的光源相干长度为39.4μm。；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。
图2为采用图1所示系统对本发明方法进行模拟仿真所得实验结果，其中，图(a)为CCD记录的0°全息图，图(b)为利用小波变换去除直流项之后的全息图，图(c)为再现像，图(d)为原始图像。
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；相移角度的加载方式如图3所示。
由CCD记录的0°全息图如图4所示，通过计算机利用该全息图构建其他角度全息图，并利用三步相移去除零级像和共轭像，并对叠加后的复值全息图采用角谱法进行重建，并经过小波变换去除直流项得到如图5所示再现像。可以看出本发明方法可以通过单次曝光实现全息记录，提高了FINCH系统全息成像的效率，适用于动态样品和动态过程的全息三维成像。
在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应该涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像方法，其特征在于：
将空间光调制器加载双透镜模式；
在空间光调制器上加载相移角度为0°的相位掩模；
通过图像采集装置记录0°相移全息图；
利用0°相移全息图H1分别构建出120°相移全息图H2、240°相移全息图H3，将三幅相移全息图叠加后得到复值全息图H；
将复值全息图在计算机中应用角谱衍射法进行再现。
2.根据权利要求1所述的一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像方法，其特征在于：
所述图像采集装置为CCD；
所述利用0°相移全息图H1分别构建出120°相移全息图H2、240°相移全息图H3的方法包括：
空间光调制器上加载两个曲率半径不同的透镜，空间光调制器的反射系数R(x,y)为：
其中λ为工作波长；B和B'为常数；fd1和fd2为加载透镜焦距；i是复数单位，θ为相移常数；
CCD表面强度分布为：
C和C1是复常数，是C1的复共轭，MT是系统横向放大率，zr是再现距离，表示物体所在平面空间位置坐标，(x,y)表示CCD所在平面空间坐标；
CCD图像传感器平面上的相移干涉图为：
g(xs,ys,zs)为非相干光照射下物体表面反射或透射光强度，*表示卷积；
利用小波变换方法去除直流项C；
当相移角度θ为0°时有：
点源全息图H1为：
同理，当相移角度分别为120°、240°时，点扩散函数分别为：
根据以上公式将全息图H2、H3用含有H1的式子近似表达出来，即：
根据三步相移公式得到复值全息图H(x,y)，
H(x,y)＝H1(x,y)[exp(±iθ3)-exp(±iθ2)]+H2(x,y)[exp(±iθ1)-exp(±iθ3)]+H3[exp(±iθ2)-exp(±iθ1)]
其中D为常数。
3.根据权利要求1所述的一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像方法，其特征在于：
空间光调制器加载双透镜模式时，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。
4.根据权利要求1所述的一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像方法，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加载两个不同半径的球面波。
5.根据权利要求1所述的一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像方法，其特征在于：
所述图像采集装置为高分辨率CCD或者CMOS。
6.一种应用权利要求1～5所述方法的菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像记录系统，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；
用于在空间光调制器上加载0°相位掩模的装置；
用于记录全息图的图像采集装置；
用于利用0°相移全息图分别构建出120°、240°相移全息图，将三幅相移图叠加后得到复值全息图的装置；
根据复值全息图在计算机中应用角谱衍射法进行全息图的再现。
7.根据权利要求6所述的一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像系统，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所述的一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像系统，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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