CN112666815A - 一种连续太赫兹波无透镜傅里叶变换数字全息成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续太赫兹波无透镜傅里叶变换数字全息成像方法，包括数字全息图的拍摄，由于记录的是物光波的空间频谱，所以仅需利用一次傅里叶变换就可得到物体的再现像，针对动态变换样品的连续视频拍摄多幅全息图进而得到多幅全息图，再将获得的多幅全息图进行傅里叶变换得到物体的再现像，最终利用Matlab软件将这些再现像进行视频展现就得到再现物体动态变换过程的实时再现。无透镜傅里叶变换全息允许的最小记录距离与被记录物体的大小成正比，与热释电探测器的靶面尺寸无关，对于微小物体可以以很小的距离记录全息图，从而实现高分辨率成像。实验装置简单、紧凑，便于实用化。

Description

一种连续太赫兹波无透镜傅里叶变换数字全息成像方法

技术领域

本发明涉及一种数字全息实时动态成像的方法，特别是涉及一种连续太赫兹波无透镜傅里叶变换数字全息成像的方法。

背景技术

连续太赫兹波数字全息是传统光学全息术、计算机技术及热释电探测技术相结合的产物，该技术利用面阵热释电探测器代替传统光学全息术中的感光胶片等光敏介质材料，并由计算机模拟光学衍射过程实现被记录物体的数值再现。但是在实验过程中，受到衍射回传至物平面，所需记录时间就变慢，很多动态样品在变化过程中的重要信息会丢失掉。连续太赫兹波无透镜傅里叶变换数字全息成像的方法是在不改变探测器尺寸、斩波频率等系统元件参数的情况下进行的。通过连续视频记录一段时间内太赫兹波照射到被测样品上的不同时刻无透镜傅里叶变换图而得到被测样品的复振幅动态变换过程，通过对每一帧数字全息图做一次傅里叶变换即可得到物体的再现像。

发明内容

本发明采用的技术方案为一种连续太赫兹波无透镜傅里叶变换数字全息成像系统，该成像系统的光路装置包括CO₂泵浦太赫兹激光器1、第一镀金离轴抛面镜2、第二镀金离轴抛面镜3、太赫兹分束镜4、被测样品5、第三镀金60°角离轴抛物面镜6、热释电探测器7。CO₂泵浦太赫兹激光器1用于输出连续太赫兹波，CO₂泵浦太赫兹激光器1与第一镀金离轴抛面镜2相对应，第一镀金离轴抛面镜2和第二镀金离轴抛面镜3相对应布置组成一个扩束单元，可将CO₂泵浦太赫兹激光器1输出的太赫兹波光斑直径扩大三倍，其传播方向平行；硅片4设置在第二镀金离轴抛面镜3反射光路上，硅片4作用在于将扩束后的太赫兹波分为反射波4a和透射波4b，反射波4a被第三镀金离轴抛物面镜6反射作为球面参考光波6a传播到热释电探测器7中，透射波4b传播到被测样品5上，通过被测样品5透射将携带样品信息的物光波5a传输到热释电探测器7，其中球面参考光6a的焦点和样品5处于同一个平面，与物光波5a发生干涉，通过热释电探测器7记录无透镜傅里叶变换数字全息图H_i＝(x,y)，其中i表示采集全息图的幅数。

利用上述系统进行的一种连续太赫兹波无透镜傅里叶变换数字全息成像数字全息成像方法，包括数字全息图的拍摄，由于记录的是物光波的空间频谱，所以仅需利用一次傅里叶变换就可得到物体的再现像，针对动态变换样品的连续视频拍摄多幅全息图进而得到多幅全息图，再将获得的多幅全息图进行傅里叶变换得到物体的再现像，最终利用Matlab软件将这些再现像进行视频展现就得到再现物体动态变换过程的实时再现。记录的无透镜傅里叶变换数字全息图能更有效地利用热释电探测器的带宽。无透镜傅里叶变换全息允许的最小记录距离与被记录物体的大小成正比，与热释电探测器的靶面尺寸无关，对于微小物体可以以很小的距离记录全息图，从而实现高分辨率成像。实验装置简单、紧凑，便于实用化。

一种连续太赫兹波无透镜傅里叶变换数字全息成像方法，其实现动态实时成像的过程分为六个步骤：

1)硅片4反射的太赫兹波4b通过第三镀金离轴抛物面镜6反射形成球面参考光6a，硅片4透射的太赫兹波4b通过被测样品5透射成为携带物信息的太赫兹波5a传播到热释电探测器7平面，而且6a的焦点和样品5处于同一个平面，为了实现再现像中+1级、-1级和0级相互分开，采用的第三镀金离轴抛物面镜6是反射角为60°，球面参考光6a与携带物信息的太赫兹波5a发生相干叠加并产生形成离轴角为30°的无透镜傅里叶变换数字全息图H_i(x,y)，其中i为记录全息图的幅数，利用热释电探测器7记录无透镜傅里叶变换数字全息图H_i(x,y)。

2)由于再现被测物体的复振幅只需进行一次傅里叶变换即可，所以非常适合对动态样品进行连续观测，通过采取连续拍摄的方式记录不同时间段下的携带物体信息的无透镜傅里叶变换数字全息图H_i(x,y)。根据被测物体的动态变化过程选择相应的连续记录幅数和时间。

3)由于记录的全息图H_i(x,y)中同一像素点位置的光强值(横坐标)与强度像素出现次数(纵坐标)在连续记录的多帧全息图中呈现高斯分布，为了消除记录的全息图中负像素和坏点的影响，将出现频率最高的光强值来替代原始值，同时计数该像素点位置强度被替代的图像帧数，累加之后的数值除以计数帧数，得到的更新数值就是处理纸后的该像素的位置，可以采用这种方式对记录的所有全息图H_i(x,y)全部进行高斯预处理。

4)由于采用三角离轴光路进行(如图1)进行成像，这会造成了没有能够将物光束5a和球面参考光束6a进行合束的光学元件，加之热释电探测器7记录的无透镜傅里叶变换全息图H_i(x,y)记录的是物光波的空间频谱,而不是物光波本身，所以将全息图进行一次傅里叶变换得到被测物体5的再现像，但这个再现象中的+1级和-1级分别对称的分布于0级左右两侧，使得截取+1级或者-1级任一个都受到0级干扰，影响其再现像质量的最大因素即全息图的0级衍射。0级衍射项可看成是全息图的低频成分,±1级衍射项则看成是全息图的高频成分。对数字全息图作傅里叶变换之前,先在空间域对其进行高通滤波处理以滤除其低频成分,经过一次傅里叶变换后,就可以消除再现像中的0级衍射斑。具体操作即在空间域中把全息图像与滤波函数的空间域函数h(x,y)做卷积运算即可实现。

5)基于上述记录的多幅无透镜傅里叶变换数字全息图和去掉物体5后的无透镜傅里叶变换背景全息图H_i1(x,y)，分别进行高斯预处理以及高通滤波后，再分别进行傅里叶变换，进而得到不同时间段记录的再现复振幅，再将多幅再现复振幅的+1级或者-1级进行滤波，通过将滤出的复振幅通过平方计算得到物体的强度像，将滤出的复振幅进行反正切运算得到包裹的相位分布。在与背景光全息图H_i1(x,y)进行相同运算后相减得到物体包裹着的相位像，通过最小二乘解包裹运算即可得到物体5的连续相位像。进行去除相位畸变操作得到样品的无畸变相衬相位像。

6)对实时动态变化的样品进行连续视频一段时间拍摄，然后将视频用Matlab程序读取，读取后将视频的每一帧上将样品的位置识别并记录下来。由于系统所需记录的是被测样品受到太赫兹波吸收，其振幅分布随时间而变化，且实验中所用样品大多为振幅型且易受太赫兹波吸收而变化的，所以定位每一帧上样品的振幅归一化强度值，即可实现对其动态过程的观测。

本发明的典型实施例的试验结果表明，通过无透镜傅里叶变换数字全息的方法能够有效再现动态物体成像的连续变化过程。随着记录数字全息图每一张时间的缩短和累计幅数的增加，成像系统得到的样品动态变化过程信息也越丰富，结果是成像变化过程也越接近真实变化的过程。

有益效果

一种基于连续太赫兹波无透镜傅里叶变换数字全息成像的方法，通过连续记录太赫兹波照射到被测样品5上的随时间变化的多幅无透镜傅里叶变换数字全息图，通过傅里叶变换得到每幅物体的再现像，将多幅再现强度图与相位像信息进行视频显示，从而得到随时间变化的样品5的不同时刻的再现像。

附图说明

图1是一种基于太赫兹波无透镜傅里叶变换数字全息成像方法的系统光路。

图中：1、CO₂泵浦太赫兹激光器，2、第一镀金离轴抛面镜，3、第二镀金离轴抛面镜，4、硅片，5、被测样品，6、第三镀金60°离轴抛物面镜，7、热释电探测器。

具体实施方式

下面参照附图样式详细说明本发明的典型实施例及其特征。

一种连续太赫兹波无透镜傅里叶变换数字全息成像系统，该系统的光路包括CO2泵浦太赫兹激光器1，第一镀金离轴抛面镜2(焦距为25.4mm)，第二镀金离轴抛面镜3(焦距为76.2mm)，硅片4，被测样品5，第三镀金60°离轴抛物面镜6，热释电探测器7，如图1所示。实验中的太赫兹激光器CO2泵浦太赫兹激光器1，频率为2.52THz(对应中心波长为118.83μm)，其可产生平均功率为150mW的连续太赫兹波，热释电探测器7的像素个数为320×320像素，像素尺寸为80μm×80μm，采样频率为48Hz，即每一幅图的记录时间是0.02秒。

成像试验的被测样品5为水草，热释电探测器探7测得到的全息图尺寸为320×320像素，共采集15000帧全息图，分别再现后进行叠加。

首先参照发明的内容，完成全息图的拍摄：

一种连续太赫兹波无透镜傅里叶变换数字全息成像方法，其动态成像的过程分为五个步骤：

1)硅片4反射的太赫兹波4a经过第三镀金60°离轴抛物面镜6反射形成球面参考光波6a，硅片4透射的太赫兹波4b通过被测样品5透射成为携带物信息的太赫兹波5a传播到热释电探测器7平面，球面参考光波6a的焦点与物体5处于同一平面，最后携带物信息的太赫兹波5a与球面参考光波6a相干叠加产生全息图H_i(x,y)，其中i表示采集的幅数。利用热释电探测器7获取并记录数字全息图H_i(x,y)。在这个过程中，仅处在热释电探测器7光敏面内的干涉图样能够被记录。由于无需知道记录距离就可以得到再现像的强度分布，因此利用基于连续太赫兹无透镜傅里叶变换数字全息术能够得到绝对准确的强度。将被测样品5所在的平面记为(x₀,y₀)面，热释电探测器7所在平面(x,y)面为记录面，则被测样品5的光场5a的复振幅表示为：

U_i(x₀,y₀)＝O'(f_x,f_y)A_i(x,y)

其中，O'(fx,fy)为物函数与一个二次位相因子的乘积的傅里叶变换，

为照明光波的复振幅，其中A₀为常数，Z₀为记录距离。参考光6a在记录面(x,y)的复振幅可以表示为：

(x_r,y_r)参考点源相对物平面(x₀，y₀)中心的偏置量。为被测样品5反射的物光传播至记录面与参考光波6a发生相干产生全息图H_i(x,y)如下，：

式中,“*“表示共轭项。

2)空间域对全息图与高通滤波函数h(x,y)作卷积运算处理以滤除其低频成分。

将记录的全息图与滤波器做卷积运算：

3)再现参考球面波的热释电探测器平面的表达式为：

将记录到的全息图Hi(x,y)进行傅里叶变换得到再现像光场的复振幅分布为H_i(f_x,f_y)：

其中，(f_x,f_y)平面为再现像平面,

表示傅里叶变换,f_x,f_y表示全息图在x,y方向的空间频率，λ为太赫兹波波长

4)直接对无透镜傅里叶变换数字全息图进行一次傅里叶变换，则其振幅再现结果是中心在(x_r,y_r)的准确原物体分布，再现物体的强度I(x_i,y_i)和相位分布φ(x_i,y_i)可计算得到：

I(x_i,y_i)＝|H(f_x,f_y)|²

得到的原物体振幅分布准确，但其相位分布是不正确的，出现了二次相位畸变，对于相衬成像，需要对该畸变予以校正。选用两步法来对相位畸变进行矫正，保持所有的实验条件不变，只去除掉物体，再记录一幅全息图进行再现，当通过上述步骤进行在现后，振幅分布是一致的，但是相位都会有二次畸变，所以将两相位相减处理后就把畸变去除。由于被测物体5的轴向光学厚度超过一个波长，则此时得到的是包裹着的相位图像，进一步可选用最小二乘法进行相位解包裹，最终得到解包裹的物体的相位图像

5)由于被测物体5是其体内的水分由于受到太赫兹波热效应逐渐蒸发而连续变化的物体，所以需要连续视频拍摄方式记录一段时间其变化过程的全息图，再通过上述步骤进行全息图和再现振幅以及相位像处理，最后通过Matlab里“implay”函数实现被测物体再现像连续变换视频显示。

本发明的典型实施例的试验结果表明，结合太赫兹波无透镜傅里叶变换数字全息成像技术具有仅一次傅里叶变换就可再现物体复振幅分布的优势，通过记录多幅连续动态样品的变化，就可得到样品在一段时间内连续实时变化的信息。

Claims (3)

1.一种连续太赫兹波无透镜傅里叶变换数字全息成像系统，其特征在于：该成像系统的光路装置包括CO₂泵浦太赫兹激光器(1)、第一镀金离轴抛面镜(2)、第二镀金离轴抛面镜(3)、硅片(4)、被测样品(5)、第三镀金60°离轴抛面镜(6)、热释电探测器(7)；CO₂泵浦太赫兹激光器(1)用于输出连续太赫兹波，CO₂泵浦太赫兹激光器(1)与第一镀金离轴抛面镜(2)相对应，第一镀金离轴抛面镜(2)和第二镀金离轴抛面镜(3)相对应布置组成一个扩束单元，将CO₂泵浦太赫兹激光器(1)输出的太赫兹波光斑直径扩大三倍，其传播方向平行；硅片(4)设置在第二镀金离轴抛面镜(3)反射光路上，硅片(4)作用在于将扩束后的太赫兹波分为反射波(4a)和透射波(4b)，反射波(4a)传播到被测样品(5)上，透过被测样品(5)将携带样品信息的物光波(5a)传播到热释电探测器(7)，反射光波(4a)被第三镀金60°离轴抛面镜(6)反射并形成球面参考光波(6a)传播到热释电探测器(7)中，且球面参考光波(6a)的焦点位置与被测样品(5)处于同一平面，球面参考光波(6a)与物光波(5a)发生干涉，通过热释电探测器(7)记录数字全息图H_i(x,y)，其中i是记录的全息图幅数。

2.利用上述系统进行的一种无透镜傅里叶变换连续太赫兹波照明数字全息成像方法，其特征在于：由于热释电探测器(7)记录的数字全息图H_i(x,y)是物光波(5a)的空间频谱，所以拍摄一次数字全息图，只需利用一次傅里叶变换即可得到再现振幅像与相位像；无透镜傅里叶变换全息允许的最小记录距离与被记录物体的大小成正比，与热释电探测器的靶面尺寸无关，对于微小尺寸的物体以很小的距离记录全息图，实现高分辨率成像；

其实现动态样品实时观测的过程如下：

1)硅片(4)反射的太赫兹波(4a)通过被测样品(5)透射成为携带物信息的太赫兹物光波(5a)传播到热释电探测器(7)平面，第三镀60°金离轴抛物面镜(6)反射的球面参考光(6a)传播到热释电探测器(7)平面，球面参考光(6a)与物光波(5a)在热释电探测器(7)平面发生干涉并产生无透镜傅里叶变换数字全息图H_i(x,y)；利用热释电探测器(7)记录离轴角为30°的无透镜傅里叶变换数字全息图H_i(x,y)；全息图H_i(x,y)由于能在热释电探测器(7)记录面上比较大的尺寸范围内形成接近等间距的干涉条纹，因此在无透镜傅里叶变换数字全息图H_i(x,y)的记录中就能利用热释电探测器(7)的带宽；

2)由于再现被测物体的复振幅只需进行一次傅里叶变换即可，所以非常适合对动态样品进行连续观测，通过采取连续拍摄的方式记录不同时间段下的携带物体信息的无透镜傅里叶变换数字全息图H_i(x,y)；根据被测物体的动态变化过程选择相应的连续记录幅数和时间；

3)为消除记录的全息图中负像素和坏点的影响，采用高斯预处理的方式对全息图进行处理；在构建的处理后的全息图中采用出现频率最高的光强值来替代原始值，获得预处理之后的包含物体信息的五透镜傅里叶变换全息图H_i(x,y)和没有物体时拍摄的背景光全息图H_i1(x,y)；

4)无透镜傅里叶变换全息图H_i(x,y)记录的是物光波的空间频谱,而不是物光波本身，所以将全息图进行一次傅里叶变换得到被测物体的复振幅分布，由于采用三角离轴光路进行成像，造成没有能够将物光束和参考光束进行合束的光学元件，从而使得其+1级和-1级对称的分布于0级左右两侧，使得截取+1级或者-1级任一个都受到0级干扰，影响其再现像质量的最大因素即全息图的0级衍射；0级衍射项可看成是全息图的低频成分,±1级衍射项则看成是全息图的高频成分；对数字全息图作傅里叶变换之前,先在空间域与高通滤波函数进行卷积运算处理以滤除其低频成分，经过一次傅里叶变换后,就可以消除再现像中的0级衍射斑；具体操作即在空间域中把全息图像与滤波函数的空间域函数h(x,y)做卷积即可实现；

5)基于上述记录的多幅数字全息图，分别进行高斯预处理以及高通滤波后，再分别进行傅里叶变换，进而得到不同时间段记录的再现像，再将多幅全息图的+1级或者-1级进行滤波，通过将滤出的复振幅通过平方计算得到物体的强度像，对复振幅进行反正切运算提取包裹相位，然后与背景光全息图H_i1(x,y)进行相同处理后相减运算得到物体包裹着的相位像，通过最小二乘解包裹运算即可得到物体(5)的连续相位像；进行去除相位畸变操作得到样品的无畸变相衬相位像；

6)对实时动态变化的样品进行连续视频一段时间拍摄，然后将视频用Matlab程序读取，读取后将视频的每一帧上将样品的位置识别并记录下来；由于系统所需记录的是被测样品受到太赫兹波吸收，其振幅分布随时间而变化，且实验中所用样品大多为振幅型且易受太赫兹波吸收而变化的，所以定位每一帧上样品的振幅归一化强度值，即可实现对其动态过程的观测。

3.根据权利要求2所述的一种无透镜傅里叶变换连续太赫兹波照明数字全息成像方法，其特征在于：其实现对动态样品实时观测并得到其实现式时的振幅和相位像的过程如下：

1)硅片(4)反射的太赫兹波(4a)通过被测样品(5)透射成为携带物信息的太赫兹波(5a)传播到热释电探测器(7)平面，与球面参考光波(6a)相干叠加产生全息图H_i(x,y)；利用热释电探测器(7)获取并记录数字全息图H_i(x,y)；在这个过程中，仅处在热释电探测器(7)光敏面内的干涉图样能够被记录；若将太赫兹无透镜傅里叶变换数字全息成像系统看成一个相干成像系统，那么仅有部分物光频谱信息能够通过这一衍射受限成像系统，记录到的全息图仅包含了有限频率范围的物光频谱；被测样品(5)为对太赫兹波部分吸收的物体，参考太赫兹波为一球面光波(6a)，将被测样品(5)所在的平面记为(x₀,y₀)面，热释电探测器(7)所在平面(x,y)面为记录面，则被测样品(5)透射射光场(5a)的复振幅表示为：

U_i(x₀,y₀)＝O'(f_x,f_y)A_i(x,y)

其中，O'(fx,fy)为物函数与一个二次位相因子的乘积的傅里叶变换，

为照明光波的复振幅，其中A₀为常数，Z₀为记录距离；太赫兹波经过测样品(5)产生的物光5a传播至记录面与球面参考光波发生相干产生全息图H_i(x,y)如下，：

式中,“*“表示共轭项；而球面参考光(6a)在记录面(x,y)的复振幅表示为：

(x_r,y_r)参考点源相对物平面(x₀，y₀)中心的偏置量；

2)空间域对全息图与高通滤波函数h(x,y)作卷积运算处理以滤除其低频成分；

将记录的全息图与滤波器做卷积运算：

3)将卷积后的全息图H_i2(x,y)进行傅里叶变换得到再现像：

其中，

表示傅里叶变换；

4)再现物体的强度I(x_i,y_i)和相位分布φ(x_i,y_i)计算得到：

I(x_i,y_i)＝|H(f_x,f_y)|²

得到的原物体振幅分布准确，但其相位分布是不正确的，出现了二次相位畸变，对于相衬成像，需要对该畸变予以校正；选用两步法来对相位畸变进行矫正，保持所有的实验条件不变，只去除掉物体，再记录一幅全息图进行再现，当进行再现后，振幅分布是一致的，但是相位都会有二次畸变，所以将两相位相减处理后就把畸变去除；由于被测物体的轴向光学厚度超过一个波长，则此时得到的是包裹着的相位图像，选用最小二乘法进行相位解包裹，最终得到解包裹的物体的相位图像；

5)由于被测物体是一个外形连续变化的物体，所以需要连续视频拍摄方式记录一段时间其变化过程，再进行全息图和再现振幅以及相位像处理，最后通过Matlab里“implay”函数实现被测物体再现像连续变换视频显示。

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