CN112947023B - 一种光学扫描全息三维物体实时识别系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光学扫描全息三维物体实时识别系统及方法，包括激光器、空间滤波器、第一透镜、第一分束镜、声光移频器、第一反光镜、第一快门、第二反光镜、第二透镜、第二快门、第二分束镜、二维扫描振镜、物体、第三透镜、光电探测器、带通滤波器、乘法器、低通滤波器、计算机、空间光调制器、光致聚合物、第四透镜、CCD。本发明光学扫描全息在记录三维物体信息时对系统的稳定性要求较低，且记录的全息图信噪比高，能够提高三维物体的识别效率；本发明减少识别过程对计算机的依赖，且通过实验实现三维物体的实时识别，增加其应用的可能性；光学扫描全息技术能够实时记录三维物体的振幅和相位信息，实现真正意义上的三维物体实时识别。

Description

一种光学扫描全息三维物体实时识别系统及方法
技术领域
本发明涉及光学扫描全息技术领域，具体涉及一种光学扫描全息(opticalscanning holography)三维物体实时识别系统及方法。
背景技术
三维物体识别技术可用于3D显微镜，医学成像和识别，机器人视觉以及光学遥感等领域，相比传统二维图像识别，三维物体识别具有识别灵敏度高的优势。由于一般的光学系统记录的物体信息只包含强度信息，而不包含物体相位信息，进而只能对物体二维信息进行处理，因此不能直接实现三维物体的识别。
光学扫描全息(OSH)是由美国弗吉尼亚理工大学Ting-Chung Poon教授等人提出的一种特殊数字全息技术。该技术可以实现非相干实时记录，通过对物体进行一次二维光学外差扫描即可获取三维对象的全部数据信息，且OSH可有效避免传统全息术存在的孪生像、零级斑等问题，具有实时性好、分辨率高等特点。
文献“Optical image recognition of three-dimensional objects”提出了一种基于双光瞳光学外差扫描的三维图像识别技术，并通过仿真的方法验证所提方法的可行性；文献“Three-Dimensional Image Matching Using Two-Dimensional OpticalHeterodyne Scanning”利用纯相位全息信息和维格纳分布进行三维图像匹配识别，并通过仿真验证所提方法的可行性。但该过程的数据计算量较大，实验较为困难，且对计算机的依赖较强。
文献“基于微透镜阵列的实时三维物体识别”利用微透镜阵列多视角成像特点，将三维物体的深度信息转化为二维透射像阵列的角度信息，并利用光学二维图像识别技术，实现对三维物体的识别。但该光学系统利用微透镜成像只是记录了三维物体的强度信息而未记录相位信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学扫描全息三维物体实时识别系统及方法。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种光学扫描全息三维物体实时识别系统，沿着光路依次包括：激光器、空间滤波器、第一透镜、第一分束镜；
第一分束镜之后分成两个光路，即第一透射光路、第一反射光路；沿着第一透射光路依次包括声光移频器、第一反光镜、第一快门；沿着第一反射光路依次包括第二反光镜、第二透镜、第二快门；
之后，第一光路和第二光路分别垂直的进入第二分束镜；
第二分束镜之后再次分成两个光路，即第二透射光路、第二反射光路；沿着第二透射光路依次包括空间光调制器、光致聚合物、第四透镜、CCD；沿着第二反射光路依次包括二维扫描振镜、物体、第三透镜、光电探测器；
光电探测器依次连接带通滤波器、乘法器、低通滤波器；
空间光调制器、CCD、低通滤波器分别与计算机连接。
激光器出射光光轴方向与空间滤波器中心保持一致，空间滤波器与第一透镜之间的距离为第一透镜的焦距长；
二维扫描振镜与第二透镜之间的距离为第二透镜的焦距长；
物体和光电探测器分别置于第三透镜的前焦面和后焦面上；
带通滤波器的输入端与光电探测器的输出端相连，带通滤波器的输出信号分为两路分别连接乘法器的输入端，低通滤波器的输入端和输出端分别连接乘法器的输出端与计算机；空间光调制器的输入端与计算机相连；光致聚合物垂直置于空间光调制器的透射光方向；光致聚合物和CCD分别位于第四透镜的前焦面和后焦面上。
一种光学扫描全息三维物体实时识别方法，利用上述系统，包括如下步骤：
步骤1：激光器出射的平行光准直后经空间滤波器调制为发散的球面波，球面光束经过第一透镜成平面波；平面波经第一分束镜分为两路，即第一透射光路、第一反射光路，其中第一透射光路经声光移频器、第一反光镜、第一快门，第一反射光路经第二反光镜、第二透镜、第二快门，两个光路在第二分束镜汇合并形成时变菲涅尔波带板；
具体地，在第二分束镜处汇合的平面波P和球面波Q的表达式分别为：
P＝Aexp[j(ω0+Ω)t]#
Figure BDA0002931605200000021
且在物平面上形成的时变菲涅尔波带板干涉条纹SΩ表达式为：
SΩ＝|P+Q|2
其中A和B分别表示平面波和球面波的振幅，j为虚数单位，Ω为声光移频器的移频量，t为时间变量，k0为波数，x和y表示波前平面的坐标，z为光波传播方向距离；
步骤2：时变菲涅尔波带板通过二维扫描振镜扫描物体，携带有物体相位信息的光波经第三透镜在其后焦面上由光电探测器记录下参考物体全息图的频谱电流信号，电流信号通过带通滤波器、乘法器和低通滤波器处理后得到只含参考物体振幅和相位信息的全息频谱图，并将其输入到空间光调制器中；
具体地，光电探测器有效区域上记录的三维参考物体全息图的频谱电流信号iR近似为：
Figure BDA0002931605200000031
其中F{}表示傅里叶变换；其中l、w和h分别表示三维物体的长度，宽度和深度；x′，y′表示时变菲涅尔波带板的空间位移量；Γ0(x，y；z)表示参考物体的强度透过率函数；符号
Figure BDA0002931605200000032
表示相关运算；
进一步地，电流信号通过带通滤波器、乘法器和低通滤波器处理后得到只含参考物体振幅和相位信息的全息频谱电流信号iR′表示为：
Figure BDA0002931605200000033
其中F*{}表示共轭的傅里叶变换；kx和ky表示空间频率。
步骤3：关闭第二快门，将第二分束镜透射的平面光照射到空间光调制器上，在光致聚合物上记录下参考物体的全息频谱信息，作为待识别物体的匹配滤波相关器。
步骤4：打开第二快门，选择另一物体作为待识别的目标对象，利用与步骤2和步骤3相同的过程在光致聚合物上记录下待识别目标物体的全息图的频谱，使携带目标物体全息图频谱的透射光波作为匹配滤波相关器读出光波。经第四透镜后，在其后焦面上由CCD记录下目标物体与参考物体的相关输出，并输入到计算机中进行分析，达到实时识别的目的。
具体地，待识别的目标对象的全息频谱图iO′的表达式为：
Figure BDA0002931605200000041
其中Γ1(x，y；z)表示待识别的目标对象的强度透过率函数。
进一步地，由CCD记录的全息相关输出信息c为：
c＝F{iO′iR′}。
本发明的增益效果为：
1.相比于传统全息术，光学扫描全息在记录三维物体信息时对系统的稳定性要求较低，且记录的全息图信噪比高，因此能够提高三维物体的识别效率。
2.利用光致聚合物响应速度快，衍射效率高，灵敏度高，储存容量大等特点制备匹配滤波相关器，减少识别过程对计算机的依赖，且能通过实验实现三维物体的实时识别，增加其应用的可能性。
3.光学扫描全息技术能够实时记录三维物体的振幅和相位信息，从而实现真正意义上的三维物体实时识别。
附图说明
图1是本发明方法系统结构示意图。
图2是本发明实施例的参考物体模型。
图3是本发明实施例的待识别目标物体模型。
图4是本发明实施例的参考物体自相关输出仿真结果。
图5是本发明实施例的参考物体与目标物体的互相关输出仿真结果。
图中：激光器1，空间滤波器2，第一透镜3，第一分束镜4，声光移频器5，第一反光镜6，第一快门7，第二反光镜8，第二透镜9、第二快门10，第二分束镜11，二维扫描振镜12，物体13，第三透镜14，光电探测器15，带通滤波器16，乘法器17，低通滤波器18，计算机19，空间光调制器20，光致聚合物21，第四透镜22，CCD23。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
如图1所示，附图中的标号分别表示：激光器1，空间滤波器2，第一透镜3，第一分束镜4，声光移频器5，第一反光镜6，第一快门7，第二反光镜8，第二透镜9、第二快门10，第二分束镜11，二维扫描振镜12，物体13，第三透镜14，光电探测器15，带通滤波器16，乘法器17，低通滤波器18，计算机19，空间光调制器20，光致聚合物21，第四透镜22，CCD23。
其中，激光器1出射光光轴方向与空间滤波器2中心保持一致，空间滤波器2置于第一透镜3和激光器1之间，且空间滤波器2与第一透镜3之间的距离为第一透镜3的焦距长；第一分束镜4垂直置于第一透镜3透射光的方向；声光移频器5置于第一分束镜4和第一反光镜6之间；第一快门7置于第一反光镜6反射光的方向；第二反光镜8置于第一分束镜4反射光的方向；第二透镜9垂直置于第二反光镜8和第二快门10之间；第二分束镜11置于第一反光镜6反射光与第二透镜9透射光交汇处；二维扫描振镜12与第二透镜9之间的距离为第二透镜9的焦距长；物体13和光电探测器15分别置于第三透镜14的前焦面和后焦面上；带通滤波器16的输入端与光电探测器15的输出端相连，带通滤波器16的输出信号分为两路分别连接乘法器17的输入端，低通滤波器18的输入端和输出端分别连接乘法器17的输出端与计算机19；空间光调制器20的输入端与计算机19相连，并垂直置于第二分束镜11的透射光方向；光致聚合物21垂直置于空间光调制器20的透射光方向；第四透镜22置于光致聚合物21和CCD23之间，且光致聚合物21和CCD23分别位于第四透镜22的前焦面和后焦面上。
本发明所述的一种光学扫描全息三维物体实时识别系统及方法，具体包括以下步骤：
步骤(1)：激光器1出射的平行光准直后经空间滤波器2调制为发散的球面波，球面光束经过第一透镜3形成平面波。平面波经第一分束镜4分为两路，其中透射光路经声光移频器5、第一反光镜6、第一快门7与反射光路经第二反光镜8、第二透镜9、第二快门10在第二分束镜11汇合并形成时变菲涅尔波带板。
具体地，在第二分束镜11处汇合的平面波和球面波的表达式分别为：
P＝Aexp[j(ω0+Ω)t]#
Figure BDA0002931605200000051
且在物平面上形成的时变菲涅尔波带板干涉条纹表达式为：
SΩ＝|P+Q|2
其中A和B分别表示平面波和球面波的振幅，j为虚数单位，Ω为声光移频器的移频量，t为时间变量，k0为波数，x和y表示波前平面的坐标，z为光波传播方向距离；
步骤(2)：时变菲涅尔波带板通过二维扫描振镜12扫描物体13，物体13为参考物体，图2是参考物体模型图。携带有参考物体相位信息的光波经第三透镜14在其后焦面上由光电探测器15记录下参考物体全息图的频谱电流信号，电流信号通过带通滤波器16、乘法器17和低通滤波器18处理后得到只含参考物体振幅和相位信息的全息频谱图，并将其输入到空间光调制器20中。
具体地，光电探测器15有效区域上记录的三维参考物体全息图的频谱电流信号近似为：
Figure BDA0002931605200000061
其中F{}表示傅里叶变换；其中l、w和h分别表示三维物体的长度，宽度和深度；x′，y′表示时变菲涅尔波带板的空间位移量；Γ0(x，y；z)表示参考物体的强度透过率函数；符号
Figure BDA0002931605200000062
表示相关运算；
进一步地，电流信号通过带通滤波器16、乘法器17和低通滤波器18处理后得到只含参考物体振幅和相位信息的全息频谱电流信号表示为：
Figure BDA0002931605200000063
其中F*{}表示共轭的傅里叶变换；kx和ky表示空间频率。
步骤(3)：关闭第二快门10，将第二分束镜11透射的平面光照射到空间光调制器20上，在光致聚合物21上记录下参考物体的全息频谱信息，作为待识别物体的匹配滤波相关器。
步骤(4)：打开第二快门10，选择另一物体作为待识别的目标对象，利用与步骤2和步骤3相同的过程在光致聚合物21上记录下待识别目标物体的全息图的频谱，使携带目标物体全息图频谱的透射光波作为匹配滤波相关器读出光波。图3为待识别目标物体模型图。经第四透镜22后，在其后焦面上由CCD23记录下目标物体与参考物体的相关输出，并输入到计算机19中进行分析，达到实时识别的目的。
具体地，待识别的目标对象的全息频谱图的表达式为：
Figure BDA0002931605200000071
其中Γ1(x，y；z)表示待识别的目标对象的强度透过率函数。
进一步地，由CCD记录的全息相关输出信息c为：
C＝F{iO′iR′}。
计算机中显示的参考物体与目标物体的互相关输出的仿真结果如图5所示。
若待识别目标物体为参考物体，计算机中显示的为参考物体的自相关输出，其自相关输出的仿真结果如图4所示。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种光学扫描全息三维物体实时识别系统，其特征在于，沿着光路依次包括：激光器(1)、空间滤波器(2)、第一透镜(3)、第一分束镜(4)；
第一分束镜(4)之后分成两个光路，即第一透射光路、第一反射光路；沿着第一透射光路依次包括声光移频器(5)、第一反光镜(6)、第一快门(7)；沿着第一反射光路依次包括第二反光镜(8)、第二透镜(9)、第二快门(10)；
之后，第一光路和第二光路分别垂直的进入第二分束镜(11)；
第二分束镜(11)之后再次分成两个光路，即第二透射光路、第二反射光路；沿着第二透射光路依次包括空间光调制器(20)、光致聚合物(21)、第四透镜(22)、CCD(23)；沿着第二反射光路依次包括二维扫描振镜(12)、物体(13)、第三透镜(14)、光电探测器(15)；
光电探测器(15)依次连接带通滤波器(16)、乘法器(17)、低通滤波器(18)；
空间光调制器(20)、CCD(23)、低通滤波器(18)分别与计算机(19)连接；
所述的激光器(1)出射光光轴方向与空间滤波器(2)中心保持一致，空间滤波器(2)与第一透镜(3)之间的距离为第一透镜(3)的焦距长；
二维扫描振镜(12)与第二透镜(9)之间的距离为第二透镜(9)的焦距长；
物体(13)和光电探测器(15)分别置于第三透镜(14)的前焦面和后焦面上；
带通滤波器(16)的输入端与光电探测器(15)的输出端相连，带通滤波器(16)的输出信号分为两路分别连接乘法器(17)的输入端，低通滤波器(18)的输入端和输出端分别连接乘法器(17)的输出端与计算机(19)；空间光调制器(20)的输入端与计算机(19)相连；光致聚合物(21)垂直置于空间光调制器(20)的透射光方向；光致聚合物(21)和CCD(23)分别位于第四透镜(22)的前焦面和后焦面上。
2.一种光学扫描全息三维物体实时识别方法，其特征在于，采用权利要求1所述的光学扫描全息三维物体实时识别系统，包括如下步骤：
步骤1：激光器(1)出射的平行光准直后经空间滤波器(2)调制为发散的球面波，球面光束经过第一透镜(3)成平面波；平面波经第一分束镜(4)分为两路，即第一透射光路、第一反射光路，其中第一透射光路经声光移频器(5)、第一反光镜(6)、第一快门(7)，第一反射光路经第二反光镜(8)、第二透镜(9)、第二快门(10)，两个光路在第二分束镜(11)汇合并形成时变菲涅尔波带板；
所述步骤1中，在第二分束镜(11)处汇合的平面波P和球面波Q的表达式分别为：
P＝Aexp[j(ω0+Ω)t]
Figure FDA0003639668410000021
且在物平面上形成的时变菲涅尔波带板干涉条纹SΩ表达式为：
SΩ＝|P+Q|2
其中A和B分别表示平面波和球面波的振幅，j为虚数单位，Ω为声光移频器的移频量，t为时间变量，k0为波数，x和y表示波前平面的坐标，z为光波传播方向距离；
步骤2：时变菲涅尔波带板通过二维扫描振镜扫描物体，携带有物体相位信息的光波经第三透镜(14)在其后焦面上由光电探测器(15)记录下参考物体全息图的频谱电流信号，电流信号通过带通滤波器(16)、乘法器(17)和低通滤波器(18)处理后得到只含参考物体振幅和相位信息的全息频谱图，并将其输入到空间光调制器(20)中；
步骤3：关闭第二快门(10)，将第二分束镜(11)透射的平面光照射到空间光调制器(20)上，在光致聚合物(21)上记录下参考物体的全息频谱信息，作为待识别物体的匹配滤波相关器；
步骤4：打开第二快门(10)，选择另一物体作为待识别的目标对象，利用与步骤2和步骤3相同的过程在光致聚合物上记录下待识别目标物体的全息图的频谱，使携带目标物体全息图频谱的透射光波作为匹配滤波相关器读出光波；经第四透镜(22)后，在其后焦面上由CCD(23)记录下目标物体与参考物体的相关输出，并输入到计算机(19)中进行分析，达到实时识别的目的。
3.根据权利要求2所述的一种光学扫描全息三维物体实时识别方法，其特征在于，所述步骤2中，光电探测器(15)有效区域上记录的三维参考物体全息图的频谱电流信号iR近似为：
Figure FDA0003639668410000022
其中F{}表示傅里叶变换；其中l、w和h分别表示三维物体的长度，宽度和深度；x′，y′表示时变菲涅尔波带板的空间位移量；Γ0(x，y；z)表示参考物体的强度透过率函数；符号
Figure FDA0003639668410000023
表示相关运算；
电流信号通过带通滤波器、乘法器和低通滤波器处理后得到只含参考物体振幅和相位信息的全息频谱电流信号iR′表示为：
Figure FDA0003639668410000031
其中F*{}表示共轭的傅里叶变换；kx和ky表示空间频率。
4.根据权利要求3所述的一种光学扫描全息三维物体实时识别方法，其特征在于，所述步骤4中，待识别的目标对象的全息频谱图iO′的表达式为：
Figure FDA0003639668410000032
其中Γ1(x，y；z)表示待识别的目标对象的强度透过率函数；
由CCD(23)记录的全息相关输出信息c为：
c＝F{iO′iR′}。
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