CN117850186A - 一种菲涅尔全息再现像可控放大重构系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种菲涅尔全息再现像可控放大重构系统及方法，包括激光束、扩束器、第一分束镜、透镜、衍射物、第二分束镜、反射镜、显微物镜、针孔滤波镜、准直透镜、全息记录面、CCD相机以及计算机；所述激光束、扩束器、第一分束镜、反射镜同轴线设置，所述激光器发出的激光束经扩束器扩大直径，再通过所述第一分束镜分为两束光，其中一束光经透镜照射到衍射物上，散射后通过第二分束镜作为物光到达全息记录面；另一束光经反射镜发射后，依次经过显微物镜、针孔滤波器和所述准直透镜变为平面光，经第二分束镜反射后作为参考光到达全息记录面；本发明得到的结论可以得到质量更好以及清晰度更高的全息图；确保在再现的过程中不会引入额外的失真。

Description

一种菲涅尔全息再现像可控放大重构系统及方法

技术领域

本发明涉及数字图像处理技术领域，更具体的说是涉及一种菲涅尔全息再现像可控放大重构系统及方法。

背景技术

Joseph Rosen于2008年提出了FINCH技术。FINCH系统主要利用空间光调制器将每个物点发出的球面波分解为两个曲率半径不同的球面波，在成像平面上重新组合产生干涉条纹，同时FINCH记录全息图时不需要进行扫描或者改变光学元件的位置，大大提高了系统的记录速度。FINCH系统相比于传统的非相干数字全息(Incoherent digital Holography，IDH)成像系统具有稳定性强、分辨率高、成像速度快的优点，因此FINCH成为IDH系统中最为重要的一个研究方向。菲涅尔系统已广泛应用在3D全息成像、白光全息反射成像、三维形貌测量显示、显微成像、防伪和生物医学等方面。如中国专利公开号为：CN110262206B的专利文献中是通过对FINCH系统成像及再现原理进行理论分析，获知相移角度为0°的全息图与其他相移角度全息图的关系，但是并没有考虑再现像像素占用率的问题。

目前，数字全息重构再现像常用的衍射计算包括：S-FFT算法、D-FFT算法和T-FFT算法。其中①S-FFT算法可以同时显示“0”级、“+1”级和“-1”级的再现像，所以S-FFT再现像的观察面可以大于数字全息图的尺寸。但这也导致显示的图像将分配更少的像素，比如一幅数字全息图的像素数用A×B来表示，其中A和B分别代表这幅图像的行数和列数，则“0”级、“+1”级和“-1”级的再现像最多只能达到A×B/3，尤其是重点观察的+1级图像或者-1级图像往往只能分配到更少的像素；②D-FFT算法和T-FFT算法通过调整照明光波的方向可以仅让“+1”级或“-1”级像出现在再现像中心，以便充分利用数字全息图的分辨率，所以通过D-FFT算法和T-FFT算法再现的观察面等于数字全息图的尺寸。但是，由于再现观察面尺寸与数字全息图等大，若被拍摄三维物体尺寸小于CCD、CMOS的有限光敏面，“+1”级或“-1”级像可以完整出现在再现像中，但分配到的像素少于全息图的总像素；反之，若被拍摄三维物体尺寸大于CCD、CMOS的有限光敏面，“+1”级或“-1”级像将无法完整出现在再现像中。显然为了提高数字全息图总像素数的利用率，必须想办法尽可能让再现像中感兴趣的部分充满再现像的观察面，这就是数字全息再现像可控放大率重构的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供了一种菲涅尔全息再现像可控放大重构系统及方法，从而克服传统技术存在的再现像放大率不可控导致的图像失真、分辨率降低或信息丢失等技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种菲涅尔全息再现像可控放大重构系统，其特征在于，包括激光束、扩束器、第一分束镜、透镜、衍射物、第二分束镜、反射镜、显微物镜、针孔滤波镜、准直透镜、全息记录面、CCD相机以及计算机；

所述激光束、扩束器、第一分束镜、反射镜同轴线设置，所述激光器发出的激光束经扩束器扩大直径，再通过所述第一分束镜分为两束光，其中一束光经透镜照射到衍射物上，散射后通过第二分束镜作为物光到达全息记录面；另一束光经反射镜发射后，依次经过显微物镜、针孔滤波器和所述准直透镜变为平面光，经第二分束镜反射后作为参考光到达全息记录面；

参考光、物光在全息记录面干涉后用所述CCD相机记录下来，所述CCD相机与所述计算机连接。

本申请还提供了一种利用菲涅尔全息再现像可控放大重构系统的方法，包括以下步骤：

S1、设置衍射物到全息记录面的距离Z_o、衍射面的尺寸、参考光与X轴的夹角、参考光与Y轴的夹角，参考点光源到全息记录面的距离为Z_r，通过Matlab进行仿真模拟；

S2、计算衍射物光场O，调整其振幅至最大值等于1，计算其干涉光强分布I，生成离轴平面参考光波R；

S3、用参考光波R与物光干涉得到全息图IH，用T-FFT算法完成生成再现像的重构计算，先用不缩放的方法重构再现像，取Z_r＝Z_o，取照明光为垂直入射光，在数字全息图上乘以参考光的共轭R^*，将再现像移至观察屏中心，完成衍射计算得到再现像；

S3、再用可控放大率的方法重构再现像，取Z_r＝MZ_o，计算入射球面波半径Z_p，取照明光为半径等于Z_p的垂直入射球面光波，在全息图上乘以参考光的共轭光R^*，将再现像移至观察屏中心，完成衍射重构像放大率计算得到再现像。

进一步地，所述步骤S1的具体计算过程如下：

S11、设衍射物和参考点光源到全息记录面的轴向距离分别为Z_o和Z_r，则物光波在记录面上点Q(x,y,0)处的相位为：

根据傍轴近似理论，减去一个从Q点到坐标原点o光程对应的相位，则物光波在Q点处的相位为：

于是全息记录面上的物光波的复振幅分布为：

同样，全息记录面上的参考光波R的复振幅分布为：

全息记录面上的干涉光强分布I为：

进一步地，所述步骤S2的具体计算过程如下：

用位于C(x_p,y_p,z_p)的点光源发出的球面照明光波照射，所述照明光波为λ₂，照明光波在全息图上的分布为

显然，从全息图出射的光场有四个

在透射衍射光中最重要的两项是和/>其中含有物光共轭光的是：

如果投射衍射光中物光共轭光U₃要成像于像点(x_i,y_i,z_i)，应该具有球面波的形式，即

公式(9)与公式(8)比较，得到公式(10)：

求解该方程组共轭像的像坐标为

进一步地，所述步骤S3具体计算过程如下：

根据横向放大率的定义，可以得到全息再现像的横向放大率M为：

显然，对已经拍摄好的全息图，通过改变照明光点光源的位置Z_p，或者同时选择合适的波长λ₂，都是可以对全息像进行缩放的；

以λ₁＝λ₂＝λ，以及参考光为平面光，即z_r＝∞为例，将z轴取为向右为正，则有/>可以求出若期望实现横向放大率为M的全息再现像重构，需要用到的照射球面波半径z_p，以及再现像位置Z_i分别应为

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的菲涅尔全息再现像可控放大重构方法，通过用T-FFT算法完成生成再现像的重构计算提高了图像的清晰度、景深，减少了全息图的畸变，很大程度上改善了全息图的质量；并通过可控放大率的计算方法更好地处理了波前失真，在提高图像的品质的同时，还确保了在再现的过程中不会引入额外的失真。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

下面结合附图对本发明菲涅尔全息再现像可控放大重构系统及方法作进一步说明；

图1是本发明提供的菲涅尔全息再现像可控放大重构系统中光路的示意图；

图2是本发明提供的菲涅尔全息再现像可控放大重构方法中菲涅尔基元全息图记录示意图；

图3是本发明提供的菲涅尔全息再现像可控放大重构方法中菲涅尔基元全息图再现示意图；

图4是本发明提供的菲涅尔全息再现像可控放大重构方法中经Matlab仿真后的示意图；其中：图4(a)为原始像；图4(b)为衍射图；图4(c)为全息图；图4(d)为未缩放的-1级重构像；图4(e)为M＝1.2的-1级重构像。

图5是本发明提供的菲涅尔全息再现像可控放大重构方法中-1级重构像放大率M＝0.1-1.99Matlab仿真后图像变化示意图；

图6是本发明提供的菲涅尔全息再现像可控放大重构方法中-1级重构像放大率M＝1.06-1.99Matlab仿真寻找最佳效果图；

图7是本发明提供的菲涅尔全息再现像可控放大重构方法中改变参考光与X轴夹角α观察-1级重构像前后变化图；其中(a)α＝pi/2.01；(b)α＝pi/2.02；(c)α＝pi/2.03；(d)α＝pi/2.04；

图8是本发明提供的菲涅尔全息再现像可控放大重构方法中改变参考光与X轴夹角α观察-1级重构像变化图；其中(a)α＝pi/2.020；(b)α＝pi/2.021；(c)α＝pi/2.022；(d)α＝pi/2.023；(e)α＝pi/2.024；(f)α＝pi/2.025；(g)α＝pi/2.026；(h)α＝pi/2.027；(i)α＝pi/2.028；(j)α＝pi/2.029。

图中：1、激光器；2、扩束器；3、第一分束镜；4、反射镜；5、透镜；6、衍射物；7、显微物镜；8、准直透镜；9、第二分束镜；10、CCD相机；11、计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明做进一步详细的描述。

如图4所示，本发明通过Matlab仿真后，模拟记录的原始像(图4-a)、衍射图(图4-b)、全息图(图4-c)、不缩放-1级重构像((图4-d))及可控放大率方法得到的再现像(图4-e)；其中不缩放时的结果，像没有充满整个观察屏，浪费了宝贵的分辨率。而取M＝1.2时的结果，显然像已经充满整个观察屏，并且发生了变形，不是所要观察的最佳图像，因此本发明通过T-FFT算法完成离轴全息图的模拟计算来寻找放大率M最佳的取值范围，从而找到最佳效果图。

于是，本发明提供了一种菲涅尔全息再现像可控放大重构系统，包括，包括激光束1、扩束器2、第一分束镜3、透镜5、衍射物6、第二分束镜9、反射镜4、显微物镜7、针孔滤波镜、准直透镜8、全息记录面、CCD相机10以及计算机11；

所述激光束1、扩束器2、第一分束镜3、反射镜4同轴线设置，所述激光器1发出的激光束经扩束器2扩大直径，再通过所述第一分束镜3分为两束光，其中一束光经透镜5照射到衍射物6上，散射后通过第二分束镜9作为物光到达全息记录面；另一束光经反射镜4发射后，依次经过显微物镜7、针孔滤波器和所述准直透镜8变为平面光，经第二分束镜9反射后作为参考光到达全息记录面；

参考光、物光在全息记录面干涉后用所述CCD相机10记录下来，所述CCD相机10与所述计算机11连接。

本发明还提供了一种菲涅尔全息再现像可控放大重构方法，包括以下步骤：

包括激光束(1)、扩束器(2)、第一分束镜(3)、透镜(5)、衍射物(6)、第二分束镜(9)、反射镜(4)、显微物镜(7)、针孔滤波镜、准直透镜(8)、全息记录面、CCD相机(10)以及计算机(11)；

所述激光束(1)、扩束器(2)、第一分束镜(3)、反射镜(4)同轴线设置，所述激光器(1)发出的激光束经扩束器(2)扩大直径，再通过所述第一分束镜(3)分为两束光，其中一束光经透镜(5)照射到衍射物(6)上，散射后通过第二分束镜(9)作为物光到达全息记录面；另一束光经反射镜(4)发射后，依次经过显微物镜(7)、针孔滤波器和所述准直透镜(8)变为平面光，经第二分束镜(9)反射后作为参考光到达全息记录面；

参考光、物光在全息记录面干涉后用所述CCD相机(10)记录下来，所述CCD相机(10)与所述计算机(11)连接。

需要解释说明的是：基元全息图是指由单一物点发出的光波与参考光波干涉所构成的全息图。任何一种全息图均可以看作是许多基元全息图的线性组合。

示例地，所述步骤S1的具体计算过程如下：

S11、设衍射物和参考点光源到全息记录面的轴向距离分别为Z_o和Z_r，则

物光波在记录面上点Q(x,y,0)处的相位为：

根据傍轴近似理论，减去一个从Q点到坐标原点o光程对应的相位，则

物光波在Q点处的相位为：

于是全息记录面上的物光波的复振幅分布为：

同样，全息记录面上的参考光波R的复振幅分布为：

全息记录面上的干涉光强分布I为：

(5)。示例地，所述步骤S2的具体计算过程如下：

用位于C(x_p,y_p,z_p)的点光源发出的球面照明光波照射，所述照明光波为λ₂，照明光波在全息图上的分布为

显然，从全息图出射的光场有四个

在透射衍射光中最重要的两项是和/>其中含有物光共轭光的是：

如果投射衍射光中物光共轭光U₃要成像于像点(x_i,y_i,z_i)，应该具有球面波的形式，即

公式(9)与公式(8)比较，得到公式(10)：

求解该方程组共轭像的像坐标为

示例地，所述步骤S3具体计算过程如下：

根据横向放大率的定义，可以得到全息再现像的横向放大率M为：

显然，对已经拍摄好的全息图，通过改变照明光点光源的位置Z_p，或者同时选择合适的波长λ₂，都是可以对全息像进行缩放的；

以λ₁＝λ₂＝λ，以及参考光为平面光，即z_r＝∞为例，将z轴取为向右为正，则有/>可以求出若期望实现横向放大率为M的全息再现像重构，需要用到的照射球面波半径z_p，以及再现像位置Z_i分别应为

需要说明的是：Z_p和Z_i能得到放大率为M的全息再现像，但在衍射计算时，再现像的传播方向还与参考光的方向有关，不进行必要的修正，再现像将偏离光轴而不能出现在观察屏中，修正的方法是在全息图上乘以参考光的共轭光/>就可以消除参考光在再现过程中的影响，从而将再现像移至观察屏中心。这样一来，用公式(15)给出的Z_p和Z_i能方便地得到放大率为M的全息再现像，且成像将位于观察屏的中心。

需要说明的是：如本申请图4所示，分别改变放大率倍数M从0.1到1.03每隔0.03变化，通过Matlab仿真后，总共是32幅图片，再改变放大率倍数M从1.06到1.99每隔0.03变化，通过Matlab仿真后，也是32幅图片；

从经过菲涅尔全息可控放大率重构方法得到的64幅图中，可以发现有些像没有充满整个屏幕，有些像不仅充满了整个屏幕，而且还发生了变形。其中效果最好的放大率M在1.06到1.09，其中1.06到1.09之间这两张图片介于充满和变形之间。于是以0.002为间隔，M从1.06到1.09之间进行仿真，仿真图如下图6所示：发现取放大率M＝1.060时，像已经充满整个观察屏，而且没有发生变形，更好地利用了宝贵的像素数，效果最佳。

如图7所示为固定参考光与Y轴夹角，观察参考光与X轴的夹角发生变化时，重构像也发生了变化，对比图形可以发现当α＝pi/2.02和α＝pi/2.03时，-1级重构像效果最好。

图8继续改变参考光与X轴夹角，如图所示发现只要在α＝pi/2.02到α＝pi/2.03之间-1级重构像都可以很好的显示。

如图1所示本发明还提供了一种菲涅尔全息再现像可控放大重构方法的系统，包括激光束1、扩束器2、第一分束镜3、透镜5、三维物体6、第二分束镜9、反射镜4、显微物镜7、针孔滤波镜、准直透镜8、全息记录面、CCD相机10以及计算机11；

所述扩束器2布置在激光器1的输出光束路径上，所述激光器1的输出路径上布置有所述第一分束镜3，经所述第一分束镜3得到的物光束的光路上布置有透镜5，所述透镜5的输出光束路径上布置有三维物体6；经所述第一分束镜3得到的参考光束布置有反射镜4，经反射镜反射的光路上依次布置有所述显微物镜7、针孔滤波器和所述准直透镜8；所述准直透镜8的输出光束的光路上布置有所述第二分束镜9，所述三维物体6后布置有所述第二分束镜9，所述CCD相机10位于所述第二分束器9的反射光光路上，所述CCD相机10与所述计算机11连接。

需要说明的是：实验光路如图1所示，为离轴数字全息记录光路示意图。He-Ne激光器发出的激光束，其波长为λ＝632.8nm，先经过扩束器BE(Beam Expander)，其主要作用是扩大平行输入光束的直径至较大的平行输出光束。再通过分束镜BS1(Beam Splitter)分为两束。其中一束被经透镜L3(Lens)扩束，照射到扬声器上(与音频信号源连接)，散射后通过分束镜BS2作为物光到达全息记录面。另一束经反射镜M(Mirror)反射后，显微物镜L1、针孔滤波器h和准直透镜L2变为平面光，经分束镜BS2反射后作为参考光到达全息记录面。参考光、物光在全息记录面干涉后用CCD相机记录下来，并与计算机联接，得到数字全息图。扬声器到CCD相机的距离z0为0.3086m。赋值衍射面的尺寸为L0＝5*10-3.在实验中，以(参考光与X轴的夹角)和/>(参考光与Y轴的夹角)为例，通过Matlab仿真观察离轴全息图和再现像

本申请通过分析菲涅尔数字全息的记录和再现方法的过程，推导了基于全息函数的表达式以及T-FFT线性叠加处理方法，利用计算机模拟再现图像，模拟参考光波为平面光时数字全息记录的过程，用可控放大率方法重构再现像，比较了重构再现像时的差别，得到以下结论：

(1)发现M＝1.060时，重构像能够占满整个屏幕，而且不发生变形，再现像显示更好的利用了宝贵的像素，效果最佳；

(2)参考光与X轴夹角α保持在α＝pi/2.02到α＝pi/2.03时，重构像效果较好，没有出现模糊不清的现象。同样的改变参考光与Y轴夹角也会得到类似的效果.

需要说明的是：本发明中的离轴数字全息记录光路示意图中He-Ne激光器发出的激光束，其波长为λ＝632.8nm，先经过扩束器BE(Beam Expander)，其主要作用是扩大平行输入光束的直径至较大的平行输出光束。再通过分束镜BS1(Beam Splitter)分为两束。其中一束被经透镜L3(Lens)扩束，照射到扬声器上(与音频信号源连接)，散射后通过分束镜BS2作为物光到达全息记录面。另一束经反射镜M(Mirror)反射后，显微物镜L1、针孔滤波器h和准直透镜L2变为平面光，经分束镜BS2反射后作为参考光到达全息记录面。参考光、物光在全息记录面干涉后用CCD记录下来，并与计算机联接，得到数字全息图。扬声器到CCD的距离z0为0.3086m。赋值衍射面的尺寸为L0＝5*10-3.在实验中，以(参考光与X轴的夹角)和/>(参考光与Y轴的夹角)为例，通过Matlab仿真观察离轴全息图和再现像。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种菲涅尔全息再现像可控放大重构系统，其特征在于，包括激光束(1)、扩束器(2)、第一分束镜(3)、透镜(5)、衍射物(6)、第二分束镜(9)、反射镜(4)、显微物镜(7)、针孔滤波镜、准直透镜(8)、全息记录面、CCD相机(10)以及计算机(11)；

所述激光束(1)、扩束器(2)、第一分束镜(3)、反射镜(4)同轴线设置，所述激光器(1)发出的激光束经扩束器(2)扩大直径，再通过所述第一分束镜(3)分为两束光，其中一束光经透镜(5)照射到衍射物(6)上，散射后通过第二分束镜(9)作为物光到达全息记录面；另一束光经反射镜(4)发射后，依次经过显微物镜(7)、针孔滤波器和所述准直透镜(8)变为平面光，经第二分束镜(9)反射后作为参考光到达全息记录面；

参考光、物光在全息记录面干涉后用所述CCD相机(10)记录下来，所述CCD相机(10)与所述计算机(11)连接。

2.一种利用权利要求1所述的菲涅尔全息再现像可控放大重构系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设置衍射物到全息记录面的距离Z_o、衍射面的尺寸、参考光与X轴的夹角、参考光与Y轴的夹角，参考点光源到全息记录面的距离为Z_r，通过Matlab进行仿真模拟；

S2、计算衍射物光场O，调整其振幅至最大值等于1，计算其干涉光强分布I，生成离轴平面参考光波R；

S3、用参考光波R与物光干涉得到全息图IH，用T-FFT算法完成生成再现像的重构计算，先用不缩放的方法重构再现像，取Z_r＝Z_o，取照明光为垂直入射光，在数字全息图上乘以参考光的共轭R^*，将再现像移至观察屏中心，完成衍射计算得到再现像；

S3、再用可控放大率的方法重构再现像，取Z_r＝MZ_o，计算入射球面波半径Z_p，取照明光为半径等于Z_p的垂直入射球面光波，在全息图上乘以参考光的共轭光R^*，将再现像移至观察屏中心，完成衍射重构像放大率计算得到再现像。

3.根据权利要求2所述的菲涅尔全息再现像可控放大重构方法，其特征在于，所述步骤S1的具体计算过程如下：

S11、设衍射物和参考点光源到全息记录面的轴向距离分别为Z_o和Z_r，则物光波在记录面上点Q(x,y,0)处的相位为：

根据傍轴近似理论，减去一个从Q点到坐标原点o光程对应的相位，则物光波在Q点处的相位为：

于是全息记录面上的物光波的复振幅分布为：

同样，全息记录面上的参考光波R的复振幅分布为：

全息记录面上的干涉光强分布I为：

4.根据权利要求2所述的菲涅尔全息再现像可控放大重构方法，其特征在于，所述步骤S2的具体计算过程如下：

用位于C(x_p,y_p,z_p)的点光源发出的球面照明光波照射，所述照明光波为λ₂，照明光波在全息图上的分布为

显然，从全息图出射的光场有四个

在透射衍射光中最重要的两项是和/>其中含有物光共轭光的是：

如果投射衍射光中物光共轭光U₃要成像于像点(x_i,y_i,z_i)，应该具有球面波的形式，即

公式(9)与公式(8)比较，得到公式(10)：

求解该方程组共轭像的像坐标为

5.根据权利要求2所述的菲涅尔全息再现像可控放大重构方法，其特征在于，所述步骤S3具体计算过程如下：

根据横向放大率的定义，可以得到全息再现像的横向放大率M为：

显然，对已经拍摄好的全息图，通过改变照明光点光源的位置Z_p，或者同时选择合适的波长λ₂，都是可以对全息像进行缩放的；

以λ₁＝λ₂＝λ，以及参考光为平面光，即z_r＝∞为例，将z轴取为向右为正，则有/>可以求出若期望实现横向放大率为M的全息再现像重构，需要用到的照射球面波半径z_p，以及再现像位置Z_i分别应为