CN117029714A - 基于量子干涉的抗干扰全息图像生成系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于量子干涉的抗干扰全息图像生成系统和方法，该系统包括光源、分束器、第一透镜、出射模块、接收模块、干涉测量模块和图像生成模块。光源产生相干脉冲光束，分束器将脉冲光束分为两束，其中一束经出射模块发射至目标物体，形成相干回波至接收模块，另一束直接入射在HOM干涉元件内与相干回波相互干涉，形成干涉图样。本发明提供的全息图像生成方法将所述干涉图样进行归一化符合测量和空间反演计算，获取目标物体的振幅和相位信息，生成全息图。本发明技术方案的系统结构简单，性能稳定，通过HOM干涉的空间反演计算有效消除远距离成像中环境噪声的影响，可在微弱光条件下生成高质量图像。
Description
技术领域
本发明涉及图像生成领域，尤其是一种基于量子干涉的抗干扰全息图像生成系统和方法。
背景技术
传统全息成像系统中，当成像链路中存在由散射或者湍流引起的相位噪声时，光波前会发生不规则变化，这种变化将破坏目标物体原本的物像关系，使得生成的图像缺失、重叠甚至变形扭曲。特别地，当激光束经过远距离传输衰减，变得十分微弱时，目标物体的信息将完全淹没在噪声中。一般地，现有技术通过增加探测器的积分时间来提高探测光能量，但由于成像链路中相位干扰随时间微小变化，使得长的积分窗口获取的图像模糊不清。
发明内容
为了消除传统远距离成像系统中环境引起的相位噪声，本发明提供了一种基于量子干涉的抗干扰全息图像生成系统，该系统通过HOM(Hong-Ou-Mandel)干涉的空间符合测量技术，彻底消除了成像链路中相位噪声的影响，解决了远距离尤其是微弱光条件下的环境噪声干扰问题。
基于上述目的，本发明所采用的技术方案是：
本发明提供了一种基于量子干涉的抗干扰全息图像生成系统，所述抗干扰全息图像生成系统通过HOM干涉和空间反演计算实现目标物体的全息成像，所述抗干扰全息图像生成系统包括：
光源，包括脉冲激光器，用于产生脉冲光束，所述脉冲光束的光场为相干光场；
分束器，用于将所述脉冲光束分为第一光束和第二光束；
第一透镜，设置于第一光束，用于汇聚第一光束；
出射模块，设置于第二光束，包括第二透镜，用于将第二光束汇聚传播至所述目标物体；
接收模块，包括第三透镜，用于接收所述第二光束经所述目标物体反射的相干回波；
干涉测量模块，包括HOM干涉元件、第一探测器和第二探测器，所述第一光束经所述第一透镜至所述HOM干涉元件的第一输入端，所述相干回波经所述接收模块至所述HOM干涉元件的第二输入端，所述第一光束和所述相干回波在所述HOM干涉元件内相互干涉，并在所述HOM干涉元件的第一输出端生成第一干涉图样，在所述HOM干涉元件的第二输出端生成第二干涉图样，所述第一探测器用于测量所述第一干涉图样，所述第二探测器用于测量所述第二干涉图样；
图像生成模块，与所述第一探测器和所述第二探测器电性连接，用于对所述第一干涉图样和所述第二干涉图样进行归一化符合测量和空间反演计算，生成所述目标物体的全息图像。
进一步地，所述分束器为不等值分束器，以使所述第二光束的强度大于所述第一光束的强度。
优选地，所述干涉测量模块还包括可调反射镜，所述可调反射镜设置于所述第三透镜和所述HOM干涉元件之间，用于调节所述相干回波的光路，使所述相干回波的光束中心与所述第一光束的光束中心在所述HOM干涉元件重合。
优选地，所述图像生成模块还包括时序发生器，用于生成电脉冲序列，以使所述光源根据所述电脉冲序列产生所述脉冲光束，并使所述干涉测量模块根据延时的所述电脉冲序列对所述脉冲光束进行同步测量。
优选地，所述脉冲激光器的重复频率f满足条件，其中c是光速，K是自然数，L是所述目标物体与所述分束器的距离。
优选地，所述光源还包括空间滤波器，以滤除所述相干光场的高阶模式。
另外，本发明还提供了一种基于量子干涉的抗干扰全息图像生成方法，应用于所述干扰全息图像生成系统，该方法具体包括以下步骤：
S1. 生成脉冲光束，所述脉冲光束的光场为相干光场；
S2. 将所述脉冲光束分为所述第一光束和所述第二光束，使所述第二光束照射所述目标物体，反射产生相干回波；
S3. 使所述第一光束和所述相干回波在所述HOM干涉元件内发生干涉，在所述HOM干涉元件的第一输出端生成第一干涉图样，在所述HOM干涉元件的第二输出端生成第二干涉图样；
S4. 使用所述第一探测器测量所述第一干涉图样，使用所述第二探测器测量所述第二干涉图样，对所述第一干涉图样和所述第二干涉图样进行归一化符合测量和空间反演计算，生成所述目标物体的全息图像。
具体地，所述方法还包括使用电脉冲序列控制所述光源，使所述光源根据所述电脉冲序列产生所述脉冲光束，所述方法还包括使用所述电脉冲序列的延时控制所述干涉测量模块，使所述干涉测量模块对所述脉冲光束进行同步测量。
具体地，所述归一化符合测量的步骤包括：
S11:对所述第一干涉图样和所述第二干涉图样分别进行归一化；
S12:对归一化后的所述第一干涉图样中坐标为的像素和所述第二干涉图样中坐标为/>的像素，进行符合测量，将只有所述第一探测器探测到光子的情况记入第一单路计数/>，将只有所述第二探测器探测到光子的情况记入第二单路计数/>，将所述第一探测器和所述第二探测器同时探测到光子的情况记入符合计数/>；
S13：计算归一化的符合计数率；
具体地，所述空间反演计算的步骤包括：
S21:在所述第一干涉图样和所述第二干涉图样中，选取坐标相同的像素进行归一化符合测量，获取简化的归一化符合计数率；
S22:根据简化的归一化符合计数率，
；
计算所述目标物体对应坐标x的反射率；
S23:设定所述目标物体对应坐标x0的初始相位，根据归一化计数率的定义公式：
；
计算所述目标物体对应坐标x的相位。
由上可知，本发明提供的技术方案可产生如下效果：
1）利用量子HOM干涉的抗干扰特性，解决了成像链路中相位噪声的干扰问题，系统响应灵敏，成像稳定，尤其在微弱光条件下的远距离成像领域具有显著优势。
2）相比于自适应光学的相位纠正技术，本发明的全息图像生成系统无需波前测量装置和波前校正装置，系统结构简单易于操作，更适合商业集成。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于量子干涉的抗干扰全息图像生成系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供一种基于量子干涉的抗干扰全息图像生成方法的流程图；
图3是本发明实施例中一维目标物体反射的相位回波的相位-空间以及振幅-空间分布图；
图4是本发明实施例提供的技术方案对一维目标物体的符合测量结果图。
附图标记说明：
1、光源；11、脉冲激光器；12、空间滤波器；
2、分束器；21、第一光束；22、第二光束；23、相干回波；
3、第一透镜；4、第二透镜；5、第三透镜；
6、干涉测量模块；61、HOM干涉元件；611、第一输出端；612、第二输出端； 613、第一输入端； 614、第二输入端；
62、第一探测器；63、第二探测器；64、可调反射镜
7、图像生成模块；71、时序发生器；
8、目标物体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。应该理解，此处所描述的实施例仅用于解释本发明，但不用于限制本发明的范围。
实施例一
本发明提供了一种基于量子干涉的抗干扰全息图像生成系统，该系统通过HOM干涉和空间反演计算实现目标物体8的全息成像。请参阅图1，本发明实施例的一种基于量子干涉的抗干扰全息图像生成系统的结构示意图，由图可知，本发明实施例的抗干扰全息图像生成系统包括：光源1、分束器2、第一透镜3、出射模块、接收模块、干涉测量模块6和图像生成模块7。
光源1包括脉冲激光器11，脉冲激光器11产生脉冲光束。在本发明实施例中，脉冲光束通过空间滤波器12滤除相干光场的高阶模式，从而形成光束质量较好的相干光场。在考虑光子分布的空间结构下，本发明实施例的相干光场可以表示为。其中表示位于坐标x处的相干态，通过直积的形式描述相干态的空间分布。
分束器2用于制备相同分布的两个相干光场，将脉冲光束分为第一光束21和第二光束22。分束器2为不等值分束器，使第二光束22的强度大于第一光束21的强度。在本发明实施例中，为充分利用脉冲激光器11的能量实现远距离成像，分束器2的分束比可设定为99:1，确保主要能量分束到第二光束，便于照明目标物体。在其他实施例中，分束器2的分束比也可以为其他大于1的数值。
出射模块设置于第二光束22，包括第二透镜4，第二光束22在出射模块中通过第二透镜4，汇聚传播至目标物体8，经过和目标物体8相互作用反射形成相干回波光场。用表示目标物体8相对坐标x处的反射率，/>表示目标物体8携带的相位，/>表示相位噪声或干扰，则目标物体8的相干回波23的光场可用波函数描述为：
，
接收模块包括第三透镜5，用于接收第二光束22经目标物体8反射的相干回波23；
干涉测量模块6包括HOM干涉元件61、第一探测器62和第二探测器63，第一光束21经第一透镜3至HOM干涉元件61的第一输入端613，相干回波23经接收模块至HOM干涉元件61的第二输入端614，第一光束21和相干回波23在HOM干涉元件61内相互干涉，并在HOM干涉元件61的第一输出端611生成第一干涉图样，在HOM干涉元件61的第二输出端612生成第二干涉图样，第一探测器62用于测量第一干涉图样，第二探测器63用于测量第二干涉图样。
干涉测量模块6还包括可调反射镜64，可调反射镜64设置于第三透镜5和HOM干涉元件61之间，用于调节相干回波23的光路，使相干回波23的光束中心与第一光束21的光束中心在HOM干涉元件61重合。
图像生成模块7与第一探测器62和第二探测器63电性连接，用于对第一干涉图样和第二干涉图样进行归一化符合测量和空间反演计算，生成目标物体8的全息图像。
本发明实施例中，第一探测器62和第二探测器63采用面阵单光子探测器，在第一输出端611（坐标）和第二输出端612（坐标/>）进行相干光的符合测量，获得归一化的符合计数率。具体步骤为：
S11:对第一干涉图样和第二干涉图样进行归一化；
S12:在归一化后的第一干涉图样选取坐标为的像素，以及在归一化后的第二干涉图样选择坐标为/>的像素，进行符合测量，将只有所述第一探测器探测到光子的情况记入第一单路计数/>，将只有所述第二探测器探测到光子的情况记入第二单路计数，将所述第一探测器和所述第二探测器同时探测到光子的情况记入符合计数；
S13：计算归一化的符合计数率。
根据归一化的符合计数率的定义有：
；
其中表示HOM干涉元件61输入的量子态，即/>。和/>分别为HOM干涉元件61第一输出端和第二输出端的产生（湮灭）算子。具体地，利用HOM干涉元件61输入端和输出端的产生湮灭算子的关系，可将第一输出端和第二输出端的湮灭算子分别表示为：
；
其中，和/>分别表示HOM干涉元件第一输入端613和第二输入端614的湮灭算子，结合相干态的本征方程：
，
可分别得到符合计数、第一单路计数/>以及第二单路计数：
；
；
；
将上面三个式子带入归一化符合计数率的定义公式，得：
。
由上式可以看出，归一化符合计数率包括目标物体8的振幅信息和相位信息，且相位信息只与相位差相关，消除了相位噪声/>的影响。因此，通过第一干涉图样和第二干涉图样测算获取归一化符合计数率，可以反解出没有相位噪声影响的目标物体全息图像。
特别地，令，归一化符合计数率可简化为/>，解算反射率/>，可获得目标物体8的振幅信息，再将/>带入到/>，可获取相位信息/>。具体步骤如下：
S21:在所述第一干涉图样和所述第二干涉图样中，选取坐标相同的像素进行归一化符合测量，获取简化的归一化符合计数率；
S22:根据简化的归一化符合计数率：
；
计算所述目标物体对应坐标x的反射率；
S23:设定所述目标物体对应坐标x0的初始相位，根据归一化计数率的定义公式：
；
计算所述目标物体对应坐标x的相位。
优选地，本发明实施例的抗干扰全息图像生成系统的图像生成模块7还包括时序发生器71，用于生成电脉冲序列，以使光源1根据电脉冲序列产生脉冲光束，并使干涉测量模块6根据延时的电脉冲序列对脉冲光束进行测量。
在本发明实施例中，假设抗干扰全息图像生成系统与目标物体8的距离为L，脉冲激光器11的脉冲重复频率为f，并假设有，由脉冲激光器11出射的第M个光脉冲经目标物体8反射后，与经第一透镜3汇聚的第N个光脉冲同时到达HOM干涉元件，则有：
；
其中，为光速。可得
；
其中，K为自然数。一般地，当相邻的两个光脉冲发生干涉，即，则有。
在本实施例中，脉冲激光器11出光后为获得低阶相关的光场，空间滤波器12可以通过4f系统和孔径光阑实现，f为脉冲激光器11重复频率。
特别地，系统中第一透镜3、第二透镜4和第三透镜5进行镀膜以及对分束器2进行镀膜，以增加光脉冲的透射率。
实施例二
本发明实施例二提供了一种基于量子干涉的抗干扰全息图像生成方法，请参阅附图2，应用在本发明实施例一的抗干扰全息图像生成系统，本发明实施例二的方法包括以下步骤：
S1、生成脉冲光束，脉冲光束的光场为低阶的相干光场；
对于S1需要说明的是，脉冲光束是由脉冲激光器11产生，通过空间滤波器12后，可以滤除相干光场的高阶模式，从而形成低阶的相干光场。
S2、将脉冲光束分为第一光束21和第二光束22，使第二光束22照射目标物体8，反射产生相干回波23；
对于S2需要说明的是，分束器2是为不等值分束器，将脉冲光束分为第一光束21和第二光束22，制备相同分布的两个相干光场，且分束器2为不等值分束器，以使第二光束22的强度大于第一光束21的强度。第一光束21通过第一透镜3汇聚到达HOM干涉元件61。通过第二透镜4，将第二光束22汇聚传播至目标物体8，经过和目标物体8相互作用形成相干回波23。
S3、使第一光束21和相干回波23在HOM干涉元件61内发生干涉，在HOM干涉元件61的第一输出端611生成第一干涉图样，在HOM干涉元件61的第二输出端612生成第二干涉图样；
S4、使用第一探测器62测量第一干涉图样，使用第二探测器63测量第二干涉图样，对第一干涉图样和第二干涉图样进行归一化符合测量和空间反演计算，生成目标物体8的全息图像。
对于S4需要说明的是，对第一干涉图样和第二干涉图样进行归一化符合测量和空间反演计算，生成目标物体8的全息图像是在图像生成模块7中完成，图像生成模块7与第一探测器62和第二探测器63电性连接。其中，归一化符合测量和空间反演计算的具体步骤请参阅实施例一的具体计算，这里不再赘述。
进一步地，该全息图像生成方法还包括使用电脉冲序列控制光源1，使所述光源1根据电脉冲序列产生脉冲光束，使用电脉冲序列的延时控制所述干涉测量模块6，使干涉测量模块6对所述脉冲光束进行测量。其中，电脉冲序列由时序发生器71产生。
在本发明实施例中，可加入频率、偏振等物理量的控制方式稳定量子干涉的对比度，进一步减少环境噪声的影响，得到清晰稳定的干涉图样。在本发明实施例中，脉冲光束的相干光场制备，可以通过光束整形技术提高光束质量。在本发明的其他一些实施例中，出射模块和接收模块，还包括其他光学元件，以消除像差的方法，进一步提高图像信噪比。
请参阅附图3和附图4，为简化计算，附图3以一维分布的目标物体为例，通过本发明实施例的抗干扰全息图像生成系统获取的相干回波的相位-空间分布图（a）和振幅-空间分布图（b），对本发明披露的系统进行说明。附图3的横坐标表示一维空间坐标x，在本发明实施例中，目标物体的尺寸在50mm范围内，由图可知，目标物体相干回波的相位-空间分布图（a）在空间不同地方相位有0π或者的差异，振幅-空间分布图(b)在空间不同地方反射率不同。在本发明实施例中，/>表示第一干涉图样的空间坐标，/>表示第二干涉图样的空间坐标，使用第一探测器62位于坐标/>的探测结果和第二探测器63位于坐标/>的探测结果进行符合测量，得到归一化的符合计数率/>,其中，/>表示两个探测器的符合计数率，/>和/>分别表示第一探测器62和第二探测器63的单路计数率。通过第一探测器62和第二探测器63遍扫一维空间不同坐标/>、/>的符合计数，可得到目标物体的符合计数率二维拓展分布，如附图4所示，图中色标表示归一化后的符合计数率大小，黑色为1，白色为0.5。具体地，根据测量的归一化符合计数率，按照步骤S4的空间反解计算，获得目标物体的振幅和相位分布，即物体的全息图像。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种基于量子干涉的抗干扰全息图像生成系统，所述抗干扰全息图像生成系统通过HOM(Hong-Ou-Mandel)干涉和空间反演计算实现目标物体的全息成像，其特征在于，所述抗干扰全息图像生成系统包括：
光源，包括脉冲激光器，用于产生脉冲光束，所述脉冲光束的光场为相干光场；
分束器，用于将所述脉冲光束分为第一光束和第二光束；
第一透镜，设置于第一光束，用于汇聚第一光束；
出射模块，设置于第二光束，包括第二透镜，用于将第二光束汇聚传播至所述目标物体；
接收模块，包括第三透镜，用于接收所述第二光束经所述目标物体反射的相干回波；
干涉测量模块，包括HOM干涉元件、第一探测器和第二探测器，所述第一光束经所述第一透镜至所述HOM干涉元件的第一输入端，所述相干回波经所述接收模块至所述HOM干涉元件的第二输入端，所述第一光束和所述相干回波在所述HOM干涉元件内相互干涉，并在所述HOM干涉元件的第一输出端生成第一干涉图样，在所述HOM干涉元件的第二输出端生成第二干涉图样，所述第一探测器用于测量所述第一干涉图样，所述第二探测器用于测量所述第二干涉图样；
图像生成模块，与所述第一探测器和所述第二探测器电性连接，用于对所述第一干涉图样和所述第二干涉图样进行归一化符合测量和空间反演计算，生成所述目标物体的全息图像。
2.根据权利要求1所述的抗干扰全息图像生成系统，其特征在于，所述分束器为不等值分束器，以使所述第二光束的强度大于所述第一光束的强度。
3.根据权利要求1所述的抗干扰全息图像生成系统，其特征在于，所述干涉测量模块还包括可调反射镜，所述可调反射镜设置于所述第三透镜和所述HOM干涉元件之间，用于调节所述相干回波的光路，使所述相干回波的光束中心与所述第一光束的光束中心在所述HOM干涉元件重合。
4.根据权利要求1所述的抗干扰全息图像生成系统，其特征在于，所述图像生成模块还包括时序发生器，用于生成电脉冲序列，以使所述光源根据所述电脉冲序列产生所述脉冲光束，并使所述干涉测量模块根据延时的所述电脉冲序列对所述脉冲光束进行同步测量。
5.根据权利要求4所述的抗干扰全息图像生成系统，其特征在于，所述脉冲激光器的重复频率f满足条件,其中c是光速，K是自然数，L是所述目标物体与所述分束器的距离。
6.根据权利要求1所述的抗干扰全息图像生成系统，其特征在于，所述光源还包括空间滤波器，以滤除所述相干光场的高阶模式。
7.一种基于量子干涉的抗干扰全息图像生成方法，应用于权利要求1-6任一项所述的抗干扰全息图像生成系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 生成脉冲光束，所述脉冲光束的光场为相干光场；
S2. 将所述脉冲光束分为所述第一光束和所述第二光束，使所述第二光束照射所述目标物体，反射产生相干回波；
S3. 使所述第一光束和所述相干回波在所述HOM干涉元件内发生干涉，在所述HOM干涉元件的第一输出端生成第一干涉图样，在所述HOM干涉元件的第二输出端生成第二干涉图样；
S4. 使用所述第一探测器测量所述第一干涉图样，使用所述第二探测器测量所述第二干涉图样，对所述第一干涉图样和所述第二干涉图样进行归一化符合测量和空间反演计算，生成所述目标物体的全息图像。
8.根据权利要求7所述的抗干扰全息图像生成方法，其特征在于，所述方法还包括使用电脉冲序列控制所述光源，使所述光源根据所述电脉冲序列产生所述脉冲光束，所述方法还包括使用所述电脉冲序列的延时控制所述干涉测量模块，使所述干涉测量模块对所述脉冲光束进行同步测量。
9.根据权利要求7所述的抗干扰全息图像生成方法，其特征在于，所述归一化符合测量的步骤包括：
S11:对所述第一干涉图样和所述第二干涉图样分别进行归一化；
S12:对归一化后的所述第一干涉图样中坐标为的像素和所述第二干涉图样中坐标为/>的像素，进行符合测量，将只有所述第一探测器探测到光子的情况记入第一单路计数，将只有所述第二探测器探测到光子的情况记入第二单路计数/>，将所述第一探测器和所述第二探测器同时探测到光子的情况记入符合计数/>；
S13：计算归一化的符合计数率。
10.根据权利要求7所述的抗干扰全息图像生成方法，其特征在于，所述空间反演计算的步骤包括：
S21:在所述第一干涉图样和所述第二干涉图样中，选取坐标相同的像素进行归一化符合测量，获取简化的归一化符合计数率；
S22:根据简化的归一化符合计数率：
，
计算所述目标物体对应坐标x的反射率；
S23:设定所述目标物体对应坐标x0的初始相位，根据归一化计数率的定义公式：
，
计算所述目标物体对应坐标x的相位。
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