CN110579167B - 一种数字图像记录实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种数字图像记录实验系统及方法。该实验系统通过将激光器发出的光分为两束光波，其中一束光波携带物体的信息，另外一束光波经扩束准直后成为平面光波，该平面光波经一个电致变焦透镜后形成所需形状的参考光波；通过改变施加在电致变焦透镜上的电压，可以获得平面参考光波，或者球面参考光波，两束光波在CCD上相干涉形成干涉图样；通过本申请的实验系统，可以同时记录不同类型的数字图像。

Description

一种数字图像记录实验系统及方法

技术领域

本申请涉及一种数字图像记录实验系统，属于光学教学和科研实验领域。

背景技术

通常的显微镜，主要是通过透镜组获得，这样获得的显微图像无法记录保存，观察后对图像的细节很快就记不清楚。随着半导体技术和激光技术的不断发展，现阶段出现了一种数字显微镜，其能够在获得成像物体的强度图像的同时，获得成像物体的位相图像，或者说其能够获得成像物体的三维图像，并且能够将获得的三维图像永久的保存。

数字显微镜技术利用光电耦合器件(CCD或CMOS)记录干涉条纹，然后送入计算机并通过算法重构物体的强度及位相分布。与传统的光学显微镜相比，数字显微镜具有许多突出的优点，这些优点使数字显微镜得到了广泛关注，已成为一个研究热点。近年来，随着记录飞秒级超快瞬态过程的脉冲数字技术的出现，数字显微镜技术更展现出在科学研究及光学无损检测中的活力。

数字显微镜技术又名数字全息术，用CCD采集成像物体的全息图，将全息图输入计算机中，在计算机中利用算法模拟实际的全息图再现过程，从而在计算机中重建物体的三维图像。全息图的再现像相对于普通的数码相机获取的图像，全息图的再现像除了具有强度图像外，还有位相图像，即物体的三维形貌图像，因此数字全息术中最关键的是物体位相信息的重建。数字全息位相重建的常规方法是：通过对全息图作傅里叶变换得到其频谱，然后进行频谱滤波将不需要的0级及-1级频谱滤除，之后对滤波后的频谱再作逆傅里叶变换，最后通过衍射计算获得再现像的波前信息。

现有数字全息术中，大部分采用离轴全息的方式获得数字全息图像，离轴全息的记录系统包括激光器、光阑、第一半波片、偏振分束镜、第一扩束准直镜、第一反射镜、透明物体、合束镜(半透射半反射)、CCD、第二半波片、第二扩束准直镜、第二反射镜以及计算机；激光器发出的光束经偏振分束镜后分为光束A和光束B，光束A经第一扩束准直镜后形成平行光波，经第一反射镜后照射透明物体形成物光波，该物光波透过合束镜后达到CCD靶面；经偏振分束镜后的光束B经过第二半波片以及第二扩束准直镜形成平面参考光波，所述参考光波经过第二反射镜、合束镜后到达CCD靶面与物光波形成干涉图样。上述采用平面参考光波记录图像，这种图像记录系统为离轴菲涅尔数字全息记录系统。在数字全息记录系统中，还有一种记录系统，其采用球面参考光波记录图像，即在如图1所示的记录系统中，在第二反射镜与合束镜之间加入一个显微物镜，平行光波经显微物镜后形成球面参考光波，这种记录系统中，通常将球面参考光波的发散中心到CCD的距离设置为等于透明物体到CCD的距离，这就是常用的离轴无透镜傅里叶变换数字全息记录系统。离轴菲涅尔数字全息记录系统与离轴无透镜傅里叶变换数字全息记录系统是最常用的两种数字全息记录系统，在教学和科研实验中经常使用。然而，在实际的实验中，在使用离轴菲涅尔数字全息记录系统记录全息图像后，如果要记录离轴无透镜傅里叶变换数字全息图像，此时需要在原来的离轴菲涅尔数字全息记录系统中加入显微物镜，然而由于实验中使用的都是高倍的显微物镜，在加入显微物镜的过程中，要求的精度是很高的，稍微有点差错，就可能导致平行光无法进入显微物镜中，或者平行光的方向与显微物镜的光轴不一致，从而导致记录的图像质量严重恶化。

另外，在全息图的记录当中，通过旋转合束镜调节物光波和参考光波的夹角，从而获得离轴全息，通过对离轴全息的再现，能够获得分离的再现像。然而，在旋转合束镜时，如果旋转角度较小，可能得不到再现像完全分离的离轴全息，影响再现像的质量；如果旋转角度较大，可能有一部分物光波信息没有被参考光波记录下来，从而损失物体信息。现有技术中，对于合束镜旋转角度的调节，都是人工进行手动调节，这样的调节方式精度差，影响数字全息图像的再现质量。

发明内容

本申请提供一种显微图像记录实验系统及图像记录方法，使得在离轴菲涅尔数字全息记录系统与离轴无透镜傅里叶变换数字全息记录系统之间可以自由转换，且能够实现物光波和参考光波之间夹角调节的自动化，从而提高角度调节的精度。

本申请采用如下技术方案，一种数字图像记录实验系统，包括激光器、第一半波片、偏振分束镜、第一反射镜、第一扩束准直镜、透明物体、合束镜(半透射半反射)、CCD、第二扩束准直镜、第二反射镜、电致变焦透镜以及计算机；激光器发出的光束经偏振分束镜后分为第一光束和第二光束，第一光束经第一反射镜和第一扩束准直镜后形成平行光波，照射透明物体形成物光波，该物光波透过合束镜后达到CCD靶面；经偏振分束镜后的第二光束经过第二扩束准直镜形成平面参考光波，所述平面参考光波经过第二反射镜进入电致变焦透镜、并经合束镜后到达CCD靶面与物光波形成干涉图样；所述CCD记录的干涉图样传送到计算机并保存，其特征在于：所述电致变焦透镜包括透明上基板，透明下基板，在上基板的内表面设置有透明的第一电极，在下基板的内表面设置有透明的第二电极，以及位于第一电极和第二电极之间的液态材料，在第一电极和第二电极上施加电压，从而使得平面光波通过电致变焦透镜后形成所需形状的光波；且所述计算机可以自动控制合束镜的转动，从而控制物光波和参考光波的夹角，以获得最佳干涉图样，所述干涉图样经重建后能够获得的再现像中原始像、共轭像以及零级衍射项刚好分离。

附图说明

图1数字图像记录实验系统的结构示意图；

图2电致变焦透镜结构示意图；

图3离轴菲涅尔数字全息记录坐标示意图；

图4角度调节自动控制系统。

具体实施方式

如图1所示，本申请的数字图像记录实验系统包括激光器1、第一半波片2、偏振分束镜3、第一反射镜4、第一扩束准直镜5、透明物体6、合束镜7(半透射半反射)、CCD8、第二扩束准直镜9、第二反射镜10、电致变焦透镜11以及计算机12。激光器发出的光束经偏振分束镜后分为第一光束和第二光束，第一光束经第一反射镜后进入第一扩束准直镜后形成平行光照射透明物体形成物光波，该物光波透过合束镜后到达CCD靶面；经偏振分束镜后的第二光束第二扩束准直镜形成平面光波，所述平面光波经过第二反射镜进入电致变焦透镜11形成参考光波，所述参考光波经合束镜后到达CCD靶面与物光波形成全息图；所述CCD记录的全息图传送到计算机并保存。

如图2所示，所述电致变焦透镜11包括透明上基板111，透明下基板115，在上基板111的内表面设置有透明的第一电极112，在下基板115的内表面设置有透明的第二电极114，以及位于第一电极和第二电极之间的液态材料113，所述液态材料为液晶。所述第一基板和第二基板为圆形，所述第一电极112为面状电极，所述第二电极为间隔设置的环形电极，且第二电极与第一电极之间的电压差具有一定的变化规律，第二电极与第一电极的电压差从中间位置向外围边缘位置的方向逐渐增大(或者逐渐变小)，例如中间的电压差为1V，到了最外围边缘增加到10V。该液态材料113在第一电极和第二电极之间的电压差的驱动下，液态分子会发生旋转，电压差越大液态分子旋转的角度越大，从而使得光线的折射角度发生改变，因此，在第一电极和第二电极上施加渐变的电压差，从而能够形成液态透镜，根据电压差的变化方式不同，可以形成凹透镜或者凸透镜。

经第二反射镜反射的平面光波进入电致变焦透镜，如果对第二电极施加相同的电压，此时第一电极和第二电极之间的电压差，从中间到外围边缘都相同，电致变焦透镜不会改变入射光波的曲率，通过电致变焦透镜后仍然为平面光波，那么此时在CCD上获得的全息图为菲涅尔全息图。如果对不同位置处的第二电极施加不同电压，使得不同位置处的第一电极与第二电极的电压差不同，从而改变入射光波的变得发散，从而形成一个球面光波，那么此时在CCD上获得的全息图为球面参考光波全息图。因此，通过一套显微图像系统，既能记载菲涅尔数字全息图(即使用平面参考光波)，也能够记录球面参考光波的数字全息图(在保证球面参考光波的发散中心与物体到CCD的距离相等时，即为无透镜傅里叶变换数字全息)。同时，由于所述液态材料113具有旋光性，因此相比传统的数字全息记录光路，可以省略偏振分束棱镜与第二反射镜之间的半波片。

下面以离轴菲涅尔数字全息的记录为例，介绍离轴数字全息图的记录，以及在记录过程中如何精准调节物光波和参考光波的夹角，从而获得高质量的再现图像。

在图3所示的离轴菲涅尔数字全息记录光路示意图中，设单位振幅的平面参考光波与yoz平面和xoz平面之间的夹角分别为α和β，根据菲涅耳衍射公式，在近轴近似条件下，忽略常数位相因子，到达CCD平面的参考光波和物光波分布分别为

R(x,y)＝exp[-jk(xsinα+ysinβ)] (1-1)

其中o(x₀,y₀)为原物光波场分布，k为波数。全息图平面上干涉光强分布为

H(x,y)＝|O|²+|R|²+OR^*+RO^* (1-3)

用参考光的复共轭再现全息图，则全息图中代表共轭实像的项是RO^*，且

将与x、y无关的项合并，并用C(x₀,y₀)表示，则

根据定积分的性质，(1-5)式表示的全息干涉条纹图可以看作是由积分核所表示的各种不同基元全息图叠加而成的，即全息图是由各种不同空间取向的光栅结构构成的。因此，衍射场中各点的相位及沿x、y两个方向的条纹空间频率分别是

设物体在x、y方向上的长度分别为X、Y，则由物面边缘上的点x₀＝-X/2、y₀＝-Y/2发出的光衍射到全息图边缘x＝L_x/2、y＝L_y/2时，其中L_x、L_y为全息图在x、y方向上的长度。与参考光的夹角最大，因而形成的干涉条纹频率最大；而对应x₀＝X/2、y₀＝Y/2，x＝-L_x/2、y＝-L_y/2点的条纹空间频率最小。最大和最小空间频率分别为

根据尼奎斯特抽样定理，一个条纹周期内的采样点数不能低于2个，因此干涉条纹的最大空间频率不应超过CCD的截止频率，即应有：

由上式可见，为了满足抽样定理的要求，参考光的入射角须满足如下限制条件：

若取临界抽样，即最高空间频率等于CCD的截止频率，此时α、β取值应使上式中等号成立。

全息图强度中，|R|²＝常数，其频谱是位于空间频率平面的δ函数，原始像R^*O的频率分布与共轭像RO^*相同，而|O|²＝OO^*，表示物体自相干产生的晕轮光项，所形成的干涉条纹沿x、y方向的最大空间频率分别是^[160]

全息图的局部空间频率分布与其傅里叶变换谱的频率分布近似相等，因此，在下面的分析中，我们认为局部空间频率的最大与最小值分别与全息图频谱的最大与最小频率相等。

在数字全息中，参考光起着载频的作用，因此，确定参考光偏置角的原则是：使零级衍射项、原始像和共轭像的频谱互不重叠，即要求

从而

于是得到了离轴菲涅耳全息记录时对参考光偏置角度的又一个限制条件，即再现像的分离条件：

式(1-11)和(1-15)给出了离轴菲涅耳数字全息记录中参考光的入射角取值范围。根据式(1-15)，若以最小偏置记录全息图，则

此时全息图的各项频谱刚好分离，称为临界分离。

由式(1-11)和(1-15)得到对记录距离的限制如下：

其中，z_0x、z_0y分别是根据CCD光敏面在x、y方向上的尺寸计算得到的记录距离限制。由此得到离轴菲涅耳全息的最小记录距离如下：

式中max表示取二者中较大的值。

由上面的分析可知，只有(1-18)式成立，才能够得到同时满足抽样条件和分离条件的全息图，因此，上式是获得高质量全息图的必要条件。

根据全息理论，由菲涅耳重建法得到的再现像的极限分辨尺寸

可见，减小记录距离和等效增大CCD的孔径是提高再现像分辨率的两种有效方法。由于全息系统空间带宽积的限制，增大物场和提高分辨率形成一对矛盾。

若以最小记录距离记录全息图，这时得到参考光的偏置(设CCD像元为正方形，且X＝Y)为

可见，再现频谱恰好临界分离且临界抽样，故α_c称为临界角，这时CCD带宽得到充分利用，再现像分辨率最高。

以上是离轴菲涅尔数字全息图记录条件的理论分析，通过上述分析可知，1)存在一个最小记录距离，在记录距离大于等于该最小记录距离时，才能获得满足抽样条件的全息图；2)在同一记录距离，在再现像刚好分离的情况下，再现像的分辨率最高；因此，每一个记录距离都对应一个临界角，以该临界角记录的全息图，对该全息图进行再现时，才能获得分辨率最高且不重叠的原始像或共轭像。在实际的离轴菲涅尔全息图的记录中，物体到CCD的距离d通过测量容易得到，但是参考光与物光波之间的夹角很难获得，

现有技术中都是通过手动调节上述夹角，这样的方式角度调节精度得不到保证，因此严重影响数字全息图的再现质量。下面介绍一种精确调节物光波和参考光波之间夹角的方法；具体包括如下步骤：

1)测量合束镜至CCD靶面的第一距离d₁并记录；

2)采集物光波和参考光波的第一干涉图样并保存；

3)对第一干涉图样进行重建得到再现像1，判断得到的再现像1中原始像和零级衍射项分离的程度；

4)如果再现像1中的原始像和零级衍射项重叠或部分重叠，计算机发出指令控制合束镜旋转规定的角度(例如0.5度)；

5)继续采集物光波和参考光波的第二干涉图样并保存；

6)对第二干涉图样进行重建得到再现像2，判断得到的再现像2中原始像和零级衍射项分离的程度；

7)如果再现像2中原始像和零级衍射项仍然部分重叠，则重复上述步骤4)-6)，直到再现像中的原始像、零级衍射项完全分离；

8)对原始像和零级衍射项完全分离的再现像继续判断，如果原始像和零级衍射项之间的距离太远，则计算机发出指令控制合束镜反方向旋转规定的角度的一半(例如0.25度)；

9)继续采集物光波和参考光波的第三干涉图样并保存；

10)对第三干涉图样进行重建得到再现像3，判断得到的再现像3中原始像和零级衍射项分离的程度；

11)如果原始像和零级衍射项之间的距离仍然太远，则重复上述步骤8)-10)，直到再现像中的原始像和零级衍射项刚好分离；此时对应的干涉图样为d₁距离对应的最佳干涉图样P₁；将该最佳干涉图样P₁保存在数据库中。

12)控制CCD向前或向后移动规定距离Δd，然后重复上述步骤1)-11)，直到获得与距离d₁±Δd对应的最佳干涉图样P₂,将该最佳干涉图样P₂保存在数据库中。

13)将获得的最佳干涉图样P₁、P₂…P_n与对应的距离d₁、d₂…d_n建立距离-干涉图样对应表；

14)在后续的离轴菲涅尔数字全息图的记录中，首先测量CCD到合束镜的距离d，输入距离d后从计算机中的上述距离-干涉对应表中调出所需的最佳干涉图样P，作为标准干涉图样；其次，计算机发出指令控制合束镜旋转角度后拍摄干涉图样M，将该干涉图样M与上述标准干涉图样进行匹配(即识别)，如果干涉图样不匹配，则继续旋转角度拍摄干涉图样；如果干涉图样匹配，则将此时拍摄的干涉图样M保存，作为重建物体三维图像的干涉图样。

上述干涉图样的匹配过程中，由于两幅干涉图样完全一致是很难做到的，因此可以设置一个误差阈值，当匹配的误差值小于上述阈值，则可以认为是匹配的，大于上述阈值则不匹配。

本申请由于通过采集与距离对应的最佳干涉图样，并建立距离-干涉图样对应表，在以后的数字显微镜系统调节中，只需输入CCD到合束镜的距离，计算机系统自动控制合束镜旋转并获得最佳干涉图样，通过该最佳干涉图样，就能够获得更精准的三维再现像。

进一步的，本申请还提供一种通过计算机精确地控制合束镜旋转角度的角度调节系统。如图4所示，该角度调节系统包括：支撑平台14、旋转轴15、拉线16、位移传感器17、驱动器18。合束镜固定在支撑平台上，通过旋转轴的旋转，带动合束镜旋转，从而调节参考光和物光的夹角，旋转轴的旋转带动拉线的位移，拉线的移动距离通过位移传感器监测，通过位移传感器获得拉线的移动距离，进而获得旋转轴的旋转角度，由于拉线的移动距离能够被位移传感器准确获得，且在旋转轴的直径为一恒定值时，旋转轴旋转的角度也能够被准确的获得。计算机控制驱动器驱动旋转轴旋转，在旋转轴旋转的过程中，带动拉线位移，位移传感器探测拉线的直线位移，当直线位移等于预设值时，位移传感器发出信号至计算机进而控制旋转轴停止旋转，所述预设值与合束镜需要旋转的规定角度对应。通过上述角度调节系统，能够精确地调节在上述的离轴菲涅尔全息图记录中物光波和参考光波的夹角，从而获得高质量的再现像。

Claims (4)

1.一种数字图像记录方法，使用数字图像记录实验系统进行干涉图样记录，所述数字图像记录实验系统包括激光器、第一半波片、偏振分束镜、第一反射镜、第一扩束准直镜、透明物体、合束镜、CCD、第二扩束准直镜、第二反射镜、电致变焦透镜以及计算机；激光器发出的光束经偏振分束镜后分为第一光束和第二光束，第一光束经第一反射镜和第一扩束准直镜后形成平行光波，照射透明物体形成物光波，该物光波透过合束镜后达到CCD靶面；经偏振分束镜后的第二光束经过第二扩束准直镜形成平面光波，所述平面光波经过第二反射镜透过电致变焦透镜后形成参考光波、并经合束镜后到达CCD靶面与物光波形成干涉图样；所述CCD记录的干涉图样传送到计算机并保存，所述电致变焦透镜包括透明上基板，透明下基板，在上基板的内表面设置有透明的第一电极，在下基板的内表面设置有透明的第二电极，以及位于第一电极和第二电极之间的液态材料，在第一电极和第二电极上施加电压，从而使得平面光波通过电致变焦透镜后形成所需形状的参考光波；且所述计算机可以自动控制合束镜的转动，从而控制物光波和参考光波的夹角，以获得最佳干涉图样，所述干涉图样经重建后能够获得的再现像中原始像、共轭像以及零级衍射项刚好分离；其特征在于：所述数字图像记录方法包括以下步骤：

1)测量合束镜至CCD靶面的第一距离d₁并记录；

2)采集物光波和参考光波的第一干涉图样并保存；

3)对第一干涉图样进行重建得到再现像一，判断得到的再现像一中原始像和零级衍射项分离的程度；

4)如果再现像一中的原始像和零级衍射项重叠或部分重叠，计算机发出指令控制合束镜旋转规定的角度；

5)继续采集物光波和参考光波的第二干涉图样并保存；

6)对第二干涉图样进行重建得到再现像二，判断得到的再现像二中原始像和零级衍射项分离的程度；

7)如果再现像二中原始像和零级衍射项仍然部分重叠，则重复上述步骤4)-6)，直到再现像中的原始像、零级衍射项完全分离；

8)对原始像和零级衍射项完全分离的再现像继续判断，如果原始像和零级衍射项之间的距离太远，则计算机发出指令控制合束镜反方向旋转规定的角度的一半；

9)继续采集物光波和参考光波的第三干涉图样并保存；

10)对第三干涉图样进行重建得到再现像三，判断得到的再现像三中原始像和零级衍射项分离的程度；

11)如果原始像和零级衍射项之间的距离仍然太远，则重复上述步骤8)-10)，直到再现像中的原始像和零级衍射项刚好分离；此时对应的干涉图样为d₁距离对应的最佳干涉图样P₁；将该最佳干涉图样P₁保存在数据库中；

12)控制CCD向前或向后移动规定距离Δd，然后重复上述步骤1)-11)，直到获得与距离d₁±Δd对应的最佳干涉图样P₂,将该最佳干涉图样P₂保存在数据库中；

13)将获得的最佳干涉图样P₁、P₂…P_n与对应的距离d₁、d₂…d_n建立距离-干涉图样对应表；

14)在后续的离轴菲涅尔数字全息图的记录中，首先测量CCD到合束镜的距离d，输入距离d后从计算机中的上述距离-干涉对应表中调出所需的最佳干涉图样P，作为标准干涉图样；其次，计算机发出指令控制合束镜旋转角度后拍摄干涉图样M，将该干涉图样M与上述标准干涉图样进行匹配，如果干涉图样不匹配，则继续旋转角度拍摄干涉图样；如果干涉图样匹配，则将此时拍摄的干涉图样M保存，作为重建物体三维图像的干涉图样。

2.如权利要求1所述的数字图像记录方法，其特征在于：所述形成所需形状的参考光波是指形成平面光波或者球面光波。

3.如权利要求1-2任一项所述的数字图像记录方法，其特征在于：第一电极为透明圆形面状电极，第二电极为透明的多个环状电极，所述多个环状电极围绕一个中心由内向外等间距设置。

4.如权利要求3所述的数字图像记录方法，其特征在于：对第一电极施加基准电压，对所述多个环状电极上施加相同的电压时，透过所述电致变焦透镜后形成平面光波；当对所述多个环状电极上施加不同的电压时，透过所述电致变焦透镜后形成球面光波。

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