CN111459004B - 双光路合成孔径全息图拼接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双光路合成孔径全息图拼接方法，该方法包括以下步骤：搭建并设置成像光路与校准光路；在成像光路和校准光路上采集2N幅全息图；计算并获取2N幅全息图的相对位置；根据相对位置获取N个探测位置的相对位移实现物体全息图的配准。也就是说，建立双同轴全息光路系统，将相机平移在多个位置分别记录一个点源和一个成像物体的全息图，利用点源的信息实现各个探测位置信息的检索和读取，最终将多个位置探测的子全息图进行拼接。该方法光路复杂度低，搭设成本低，在多个探测位置采集时，不要求相邻全息图的探测区域有重叠，可在探测平面上任意位置进行探测，且校准圆点物的尺寸与像素尺寸相当，可实现像素级别的位置对准。
Description
技术领域
本发明涉及数字全息技术领域，特别涉及一种双光路合成孔径全息图拼接方法。
背景技术
全息技术可以同时记录物体的振幅和相位，随着高读取速度和高分辨率成像器件CCD(电荷耦合器件)或CMOS(金属氧化物半导体)的发展，数字全息技术目前已经被广泛应用于显微成像、图像识别和加密等领域。衍射理论表明，光学成像系统相当于低通滤波器，保留物体光谱的低空间频率但丢失了部分高频信息。对于数字成像，传感器(例如CCD)中有限像素数也是限制成像系统空间带宽的另一个因素。数字全息和合成孔径成像的结合有可能成为光学显微镜的重要工具。
目前数字全息技术在实际应用中仍存在一些技术问题，主要是重建物光的分辨率受光电成像传感器(如CCD、CMOS)的性能指标的制约，具体表现为：1、光电成像传感器的总探测面积较小，只能记录物光场一定频率范围的信息，导致高频部分丢失；2、单个像素的像素尺寸较大，使得数字全息的衍射带限角较小，同样导致高频成分丢失。随着工作距离增大，单个探测器采集的全息图会造成严重的分辨率受限的问题。为了解决这一问题，数字全息可采用合成孔径的方法扩展光电成像探测器的等效分辨率和等效数值孔径。可在同一平面上移动探测器获取多个位置的全息图，而多孔径之间的相对位置获取是孔径合成的关键技术。可采用多传感器记录法，但多传感器记录法的成本较高，对隔振也有严格的要求，并且需要对拍摄的多幅图像进行像素级位置匹配。也可采用探测器平移的方法，但平移的配准需要相邻探测区域有重叠部分，增加了操作的复杂度。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种双光路合成孔径全息图拼接方法，该方法可以在探测平面采用多个固定相机采集，将校准光路的校准圆点物替换成校准线物。
为达到上述目的，本发明实施例提出了双光路合成孔径全息图拼接方法，包括以下步骤：搭建并设置成像光路与校准光路；在所述成像光路和所述校准光路上采集2N幅全息图，其中，N为正整数；计算并获取所述2N幅全息图的相对位置；根据所述相对位置获取N个探测位置的相对位移实现物体全息图的配准。
本发明实施例的双光路合成孔径全息图拼接方法，基于平移探测器合成孔径的思想，以同轴全息为基础，在光路端设置两条光路，一条为成像光路，另一条为校准光路。成像光路放置成像物体，校准光路放置一个校准圆点物，校准圆点物的直径与探测器的像素大小相当。平行光分别通过校准光路和成像光路，形成两幅全息图。利用校准光路的重建校准圆点物信息可以获得不同探测位置的相对关系，进而进行孔径配准。从而获得多孔径效果，还可以在探测平面采用多个固定相机采集，将校准光路的校准圆点物替换成校准线物，除了获得相对位置关系，还可采用同样的方法可校准多个相机之间的旋转误差。
另外，根据本发明上述实施例的双光路合成孔径全息图拼接方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，搭建所述成像光路和校准光路为：在激光器的输出光路上，沿光轴方向依次垂直放置衰减片、物镜、针孔和透镜，激光依次经过所述衰减片、所述物镜、所述针孔和所述透镜形成平行光，所述平行光经过分束器后，形成第一束平行光和第二束平行光，其中，所述第一束平行光作为所述成像光路的光源，所述第二束平行光作为所述校准光路的光源。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述成像光路上设置成像物体，第一束平行光入射至所述成像物体上时，一部分光被所述成像物体散射形成第一物光，另一部分未散射的光形成第一参考光。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述校准光路将成像物体设置为校准圆点物，第二束平行光入射至所述校准圆点物时，一部分光被所述校准圆点物散射形成第二物光，另一部分未散射的光形成第二参考光。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述成像光路和所述校准光路上采集2N幅全息图，包括：在探测平面的预设位置上固定探测器；在所述成像光路和所述校准光路前放置移动遮光板；将所述移动遮光板将所述校准光路遮挡，利用探测器采集第一物光和第一参考光形成成像物体全息图；将所述移动遮光板将所述成像光路遮挡，利用探测器采集第二物光和第二参考光形成校准圆点物全息图；在探测平面上改变所述探测器位置N次，重复执行上述采集步骤，得到所述2N幅全息图，其中，所述2N幅全息图的N幅为所述成像物体全息图，另外N幅为所述校准圆点物全息图，每一幅校准圆点物全息图对应一幅成像物体全息图。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在两个相邻探测位置采集两幅校准圆点物的全息图p1(x1,y1)和p2(x1,y1)，其中，x1、y1分别表示探测平面上的横、纵坐标；对所述两幅校准圆点物的全息图进行扩张，得到P1(ξ,η)和P2(ξ,η)分别表示探测平面上对应的二维傅里叶变换；构建重建图像的函数r1(x2,y2)和r2(x2,y2)，其中，x2、y2分别表示物平面上的横、纵坐标，R1(ξ,η)和R2(ξ,η)分别表示物平面上对应的二维傅里叶变换；根据所述重建图像的函数和所述物平面上对应的二维傅里叶变换得到重建后的两个校准圆点物函数分布；根据所述重建后的两个校准圆点物函数分布计算互相关函数峰值的相对位置。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述重建图像的函数如下公式获得：
其中，FT和IFT表示二维傅里叶变换和二维傅里叶逆变换，AST表示角谱传输过程，z表示探测平面与物平面的距离，λ表示光波长，k为对应的波矢量。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述计算互相关函数峰值的相对位置的公式为：
其中，U12表示互相关函数峰值的位置，τ表示积分常数。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的同轴全息校准光路与成像光路示意图；
图2为根据本发明一个实施例的双光路合成孔径全息图拼接方法的流程图；
图3为根据本发明一个实施例的校准光路采集示意图；
图4为根据本发明一个实施例的利用校准光路计算相邻子全息图的相对位移的流程图；
图5为根据本发明一个实施例的实现成像光路的全息图拼接重建的流程图。
附图标记说明：
101-绿光激光器、102-衰减片、103-显微物镜、104-针孔、105-透镜、106-半反半透镜、107-反射镜、108-滑轨、109-吸收挡板、110-成像物体、111-校准圆点物、112-半反半透镜、113-反射镜、114-探测器、115计算机。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的双光路合成孔径全息图拼接方法。
首先，本发明实施例由两条同轴数字全息衍射光路组成，如图1所示，上部分光路为成像光路，下部分光路为校准光路，具体包括一台绿光激光器101，其波长为532nm；一片衰减片102，衰减片是一种能够使绿光激光光强衰减的介质板；一个显微物镜103，一个针孔104，一个透镜105，其中，物镜103、针孔104和透镜105组成一个波束放大器，可以使输出的激光扩束并成为平面波；一个半反半透镜106，将平面波分为两束，第一束平行光进入成像光路，第二束平行光进入校准光路；一块反射镜107；滑轨108和吸收挡板109组成遮挡装置，吸收挡板109可在滑轨108上移动，对成像光路探测时，吸收挡板109放置在校准光路上，对校准光路探测时，吸收挡板109放置在成像光路上，保证探测器只对其中一路信号响应；成像物体110；校准圆点物111；一块半反半透镜112；一块反射镜113；探测器114，探测器可在探测平面的二维空间内自由移动；一台计算机115，用于处理全息图。
图2是本发明一个实施例的双光路合成孔径全息图拼接方法的流程图。
如图2所示，该双光路合成孔径全息图拼接方法包括以下步骤：
在步骤S201中，搭建并设置成像光路与校准光路。
进一步地，本发明实施例搭建成像光路和校准光路为：在激光器101的输出光路上，沿光轴方向依次垂直放置衰减片102、物镜103、针孔104和透镜105，激光依次经过衰减片102、物镜103、针孔104和透镜105形成平行光，平行光经过分束器后，形成第一束平行光和第二束平行光，其中，第一束平行光作为成像光路的光源，第二束平行光作为校准光路的光源。
进一步地，在本发明的一个实施例中，成像光路上设置成像物体，第一束平行光入射至成像物体上时，一部分光被成像物体散射形成第一物光，另一部分未散射的光形成第一参考光。
具体而言，激光经过物镜103、针孔104和透镜105后成为平面波，经过半反半透镜106，直接透射的平行光成为成像光路的光源，光路上放置成像物体110。平行光入射至物体上，一部分光被物体散射形成第一物光，另一部分未被散射的光形成第一参考光，第一物光和第一参考光透过半反半透镜112在探测器114的探测平面上干涉形成成像物体110的全息图。
进一步地，在本发明的一个实施例中，校准光路将成像物体设置为校准圆点物，第二束平行光入射至校准圆点物时，一部分光被校准圆点物散射形成第二物光，另一部分未散射的光形成第二参考光。
具体地，激光经过物镜103、针孔104和透镜105后成为平面波，经过半反半透镜106，反射的平行光作为校准光路的光源，经过反射镜107反射，如图1所示，校准光路上的成像物体设置为一个校准圆点物111，校准圆点物111的直径与探测器像素尺寸相当。平行光入射后，被校准圆点物111散射的光形成第二物光，未被散射的光形成第二参考光，第二物光和第二参考光经过反射镜113和半反半透镜112反射后，在探测器114的探测平面上干涉形成校准光路的校准圆点物111全息图。
在步骤S202中，在成像光路和校准光路上采集2N幅全息图，其中，N为正整数。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在成像光路和校准光路上采集2N幅全息图，包括：
在探测平面的预设位置上固定探测器114；
在成像光路和校准光路前放置移动遮光板109(即吸收挡板)；
将移动遮光板109将校准光路遮挡，利用探测器114采集第一物光和第一参考光形成成像物体全息图；
将移动遮光板109将成像光路遮挡，利用探测器114采集第二物光和第二参考光形成校准圆点物全息图；
在探测平面上改变探测器114位置N次，重复执行上述采集步骤，得到2N幅全息图，其中，2N幅全息图的N幅为成像物体全息图，另外N幅为校准圆点物全息图，每一幅校准圆点物全息图对应同一位置探测的一幅成像物体全息图。
具体地，首先对单幅全息图的采集：将探测器114固定在探测平面上的某一位置。在成像光路的成像物体110和校准光路的校准圆点物111前放置导轨108和一块可移动的遮光板109，为了保证两个光路的信息不串扰，通过移动遮光板，分别对两个光路进行遮挡，成像光路探测时，吸收挡板109放置在校准光路上，对校准光路探测时，吸收挡板109放置在成像光路上，保证探测器只对其中一路信号响应，因此一个探测位置对应可获得两幅全息图，分别为成像物体110的全息图和校准圆点物111的全息图。
随后，采集多幅全息图。在探测平面上通过平移台可在整个二维平面上自由移动探测器114。改变探测位置，重复对单幅全息图的采集的过程，在平面上的N个位置可对应获得2N幅全息图，其中，N幅为校准圆点物全息图，另外N幅为成像物体全息图，每一幅校准圆点物全息图对应同一位置探测的一幅成像物体全息图。
在步骤S203中，计算并获取2N幅全息图的相对位置。
具体地，由于全息图具有冗余性，在两个相邻探测位置采集到两幅校准圆点物111的全息图，如图3所示，301表示校准圆点物平面，中心为校准圆点；302表示探测器的两个相邻采集区域示意，采集区域可不重叠；303表示整个探测平面上的衍射光场。两个探测区域302分别都可以重建一个校准圆点物。由于只采集到了一部分，需要对全息图进行扩张，使重建点能够显示出来。两个校准圆点物111的全息图的函数可以表示为：p1(x1,y1)和p2(x1,y1)，其中x1、y1分别表示探测平面上的横、纵坐标。P1(ξ,η)和P2(ξ,η)分别表示探测平面上对应的二维傅里叶变换。重建图像的函数可以表达为：r1(x2,y2)和r2(x2,y2)，其中x2、y2分别表示物平面上的横、纵坐标，R1(ξ,η)和R2(ξ,η)分别表示物平面上对应的二维傅里叶变换。重建图像可以由以下关系获得
采用公式(1)从全息图获取重建图像，其中FT和IFT表示二维傅里叶变换和二维傅里叶逆变换，AST表示角谱传输过程，z表示探测平面与物平面的距离，λ表示光波长，k为对应的波矢量。可得到重建后的两个校准圆点物函数分布。两个校准圆点物经过互相关运算：
采用公式(2)计算两个校准圆点物的互相关函数，计算互相关函数U12峰值的位置，设其像素位置为(Δm,Δn)，与中心原点的距离横向和纵向距离即为△m和△n，此值即为该两幅相邻全息图的相对像素位移距离，τ表示积分常数。
在步骤S204中，根据相对位置获取N个探测位置的相对位移实现物体全息图的配准。
具体地，首先获取N个探测位置的相对位移过程为：N幅校准圆点物111中每一幅子全息图都可以重建一个校准圆点物，得到N个校准圆点物的重建图像。N个重建的校准圆点物，按照步骤S203的过程，逐一对每一幅子全息图进行配准，获得相对像素位移距离。
再对物体全息图进行配准：如图4所示，从两个相邻探测位置的成像物体110全息图对应的校准圆点物111全息图计算出两个相邻探测位置的相对位置关系。根据这个相对位置关系，如图5所示，将该两幅成像物体全息图拼接成一个大全息图。按照相邻的关系，逐一对所有全息图进行相对位置配准。得知所有全息图的相对位置关系后，可将其拼接成一幅大全息图，最终实现大视场物体的重建。
根据本发明实施例提出的双光路合成孔径全息图拼接方法，具有以下有益效果：
第一，相比传统同轴全息，本发明实施例基于同轴数字全息与合成孔径原理，仅多增设了一条同轴全息校准光路，光路复杂度以及搭设成本低。
第二，本发明实施例在多个探测位置采集时，不要求相邻全息图的探测区域有重叠，可在探测平面上任意位置进行探测。
第三，校准圆点物的尺寸与像素尺寸相当，可实现像素级别的位置对准
第四，校准光路与成像光路分开，利用校准光路的信息获取探测位置，在成像光路探测过程中没有引入额外干扰的前提下，可实现成像物体子全息图的配准与合成。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种双光路合成孔径全息图拼接方法，其特征在于，包括以下步骤：
搭建并设置成像光路与校准光路；
在所述成像光路和所述校准光路上采集2N幅全息图，其中，N为正整数；
计算并获取所述2N幅全息图的相对位置；
根据所述相对位置获取N个探测位置的相对位移实现物体全息图的配准；
其中，所述计算并获取所述2N幅全息图的相对位置，包括：
在两个相邻探测位置采集两幅校准圆点物的全息图p1(x1,y1)和p2(x1,y1)，其中，x1、y1分别表示探测平面上的横、纵坐标；对所述两幅校准圆点物的全息图进行扩张，得到P1(ξ,η)和P2(ξ,η)分别表示探测平面上对应的二维傅里叶变换；构建重建图像的函数r1(x2,y2)和r2(x2,y2)，其中，x2、y2分别表示物平面上的横、纵坐标，R1(ξ,η)和R2(ξ,η)分别表示物平面上对应的二维傅里叶变换；根据所述重建图像的函数和所述物平面上对应的二维傅里叶变换得到重建后的两个校准圆点物函数分布；根据所述重建后的两个校准圆点物函数分布计算互相关函数峰值以获取相对位置。
2.根据权利要求1所述的双光路合成孔径全息图拼接方法，其特征在于，搭建所述成像光路和校准光路为：在激光器的输出光路上，沿光轴方向依次垂直放置衰减片、物镜、针孔和透镜，激光依次经过所述衰减片、所述物镜、所述针孔和所述透镜形成平行光，所述平行光经过分束器后，形成第一束平行光和第二束平行光，其中，所述第一束平行光作为所述成像光路的光源，所述第二束平行光作为所述校准光路的光源。
3.根据权利要求1所述的双光路合成孔径全息图拼接方法，其特征在于，所述成像光路上设置成像物体，第一束平行光入射至所述成像物体上时，一部分光被所述成像物体散射形成第一物光，另一部分未散射的光形成第一参考光。
4.根据权利要求1所述的双光路合成孔径全息图拼接方法，其特征在于，所述校准光路将成像物体设置为校准圆点物，第二束平行光入射至所述校准圆点物时，一部分光被所述校准圆点物散射形成第二物光，另一部分未散射的光形成第二参考光。
5.根据权利要求1所述的双光路合成孔径全息图拼接方法，其特征在于，所述在所述成像光路和所述校准光路上采集2N幅全息图，包括：
在探测平面的预设位置上固定探测器；
在所述成像光路和所述校准光路前放置移动遮光板；
将所述移动遮光板将所述校准光路遮挡，利用探测器采集第一物光和第一参考光形成成像物体全息图；
将所述移动遮光板将所述成像光路遮挡，利用探测器采集第二物光和第二参考光形成校准圆点物全息图；
在探测平面上改变所述探测器位置N次，重复执行上述采集步骤，得到所述2N幅全息图，其中，所述2N幅全息图的N幅为所述成像物体全息图，另外N幅为所述校准圆点物全息图，每一幅校准圆点物全息图对应一幅成像物体全息图。
6.根据权利要求1所述的双光路合成孔径全息图拼接方法，其特征在于，所述重建图像的函数如下公式获得：
其中，FT和IFT表示二维傅里叶变换和二维傅里叶逆变换，AST表示角谱传输过程，z表示探测平面与物平面的距离，λ表示光波长，k为对应的波矢量。
7.根据权利要求1所述的双光路合成孔径全息图拼接方法，其特征在于，所述计算互相关函数峰值的相对位置的公式为：
其中，U12表示互相关函数峰值的位置，τ表示积分常数。
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