CN1688944A - 离轴照明直接数字全息术 - Google Patents

Abstract

我们描述离轴照明直接数字全息术的系统和方法。一种记录包含傅里叶分析空间外差式条纹的离轴照明空间外差式全息图的方法，包括：从参考反射镜以非垂直角反射参考光束；从物体以相对于聚焦透镜确定光轴的角度反射物光束；聚焦参考光束和物光束到数字记录仪的焦平面上以形成包含傅里叶分析空间外差式条纹的离轴照明空间外差式全息图；数字记录包含傅里叶分析空间外差式条纹的离轴照明空间外差式全息图；在傅里叶空间中通过变换包含空间外差式条纹的记录离轴照明空间外差式全息图的轴到参考光束与物光束之间角度确定的外差式载波频率上，傅里叶分析包含空间外差式条纹的记录离轴照明空间外差式全息图；应用数字滤波器以切去原点周围的信号；和完成傅里叶逆变换。

Description

离轴照明直接数字全息术

技术领域

本发明一般涉及直接数字全息术领域(干涉度量学)。更具体地说，本发明涉及提高直接数字全息术中分辨率的离轴照明。

背景技术

现有技术直接数字全息术(DDH)，有时称之为直接数字干涉度量学，在本领域技术人员中是众所周知的。例如，图1是一个简化实施例的DDH系统。来自激光源105的光被扩束器/空间滤波器110扩束后传输通过透镜115。随后，扩展的滤波光束传播到分束器120。分束器120可以是部分反射的。从分束器120反射的部分光构成传输到物体130的物光束125。被物体130反射的部分物光束125传输通过分束器120并传播到聚焦透镜145。然后，这个光束传输通过聚焦透镜145并传播到电荷耦合器件(CCD)摄像机(未画出)。

来自透镜115并传输通过分束器120的部分光构成参考光束135。参考光束135以很小角度从反射镜140反射。然后，从反射镜反射的参考光束135传输到分束器120。从分束器120反射的部分参考光束135传输通过聚焦透镜145并传播到CCD摄像机(未画出)。来自聚焦透镜145的物光束125和来自聚焦透镜145的参考光束135构成多个物波和参考波150并在CCD上发生干涉，从而产生全息图的干涉图形特征，如在U.S.Patent No.6,078,392中所描述的。

在图1中，物光束125平行于光轴127并与光轴127重合。这种类型DDH设置可以称之为同轴照明。

这种技术的限制是，DDH系统的成像分辨率是受系统光学元件的限制。光学元件中最显著的限制是孔径光阑，要求它防止因象差造成的图像质量退化。在二维傅里叶平面内，仅仅可以传输半径为q0圆内的物体空间频率。在同轴照明的情况下，半径为q0的孔径是以零空频(q＝0)为中心。因此，我们需要这样一种方法，它允许传输半径为q0圆之外的空间频率。

发明内容

我们需要本发明以下的一些特征。当然，本发明不限于这些特征。

按照本发明的一个特征，一种记录包含傅里叶分析空间外差式条纹的离轴照明空间外差式全息图的方法，包括：从参考反射镜以非垂直角反射参考光束；从物体以相对于聚焦透镜确定光轴的角度反射物光束；聚焦参考光束和物光束到数字记录仪的焦平面上以形成包含傅里叶分析空间外差式条纹的离轴照明空间外差式全息图；数字记录包含傅里叶分析空间外差式条纹的离轴照明空间外差式全息图；在傅里叶空间中通过变换包含空间外差式条纹的记录离轴照明空间外差式全息图的轴到参考光束与物光束之间角度确定的外差式载波频率上，傅里叶分析包含空间外差式条纹的记录离轴照明空间外差式全息图；应用数字滤波器以切去原点周围的信号；和完成傅里叶逆变换。

按照本发明的另一个特征，一种可以数字记录包含傅里叶分析空间外差式条纹的离轴照明空间外差式全息图的机器包括：激光器；与激光器光耦合的分束器；与分束器光耦合的参考光束反射镜；与参考光束反射镜光耦合的聚焦透镜；与聚焦透镜光耦合的数字记录仪；和完成傅里叶变换，应用数字滤波器，和完成傅里叶逆变换的计算机，其中参考光束以非垂直角入射到参考光束反射镜，物光束以相对于聚焦透镜确定光轴的角度入射到物体上，参考光束和物光束是由聚焦透镜聚焦到数字记录仪的焦平面上以形成包含傅里叶分析空间外差式条纹的离轴照明空间外差式全息图，全息图是由数字记录仪记录，和在傅里叶空间中计算机变换包含空间外差式条纹的记录离轴照明空间外差式全息图的轴到参考光束与物光束之间角度确定的外差式载波频率上；和在完成傅里叶逆变换之前去除原点周围的信号。

在结合以下的描述和附图的研究之后，可以更好地理解本发明的这些和其他特征。然而，应当明白，以下的描述说明本发明各个实施例和多个具体细节是通过举例说明而不是限制性的。在不偏离本发明精神的范围内，可以作许多替换，改动，添加和/或调整，而本发明包括所有这些替换，改动，添加和/或调整。

附图说明

这个说明书中的附图和组成部分用于描述本发明的某些特征。参照附图中说明的典型和非限制性实施例，可以更好地明白本发明的概念以及本发明系统中的各个元件和操作，其中相同的参考数字表示相同的元件。参照这些附图中的一个或多个附图并结合此处给出的描述，可以更好地理解本发明。应当注意，附图中说明的特征不一定是按比例画出的。

图1是标记为“现有技术”的常规直接数字全息术设备的示意图。

图2是按照本发明实施例在同轴位置上离轴照明直接数字全息术设备(干涉仪)的示意图。

图3是在离轴位置上图2所示离轴照明直接数字全息术设备(干涉仪)的示意图。

图4是按照本发明实施例的物体二维傅里叶平面，说明一个是同轴照明和另一个是离轴照明。

图5是按照本发明实施例的物体二维傅里叶平面，说明一个是同轴照明和其他四个是离轴照明。

图6是按照本发明实施例的物体二维傅里叶平面，说明对融合频谱(合并图像)有贡献的所有空间频率。

图7A-7F是按照本发明实施例从5个不同全息图得到的离散傅里叶频谱(7A-7E)和融合频谱(7F)。

图8是按照本发明实施例从同轴照明全息图重构的物体幅度。

图9是按照本发明实施例从融合结果重构的物体幅度。

图10是按照本发明实施例的两个孔径W₀(q)和W_k(q)相交区。

具体实施方式

参照附图中说明的非限制性实施例和以下的详细描述，可以更充分地解释本发明及其各种特征和优点。我们省略对已知原始材料，处理技术，元件和设备的描述，为的是不掩盖本发明的细节。然而，应当明白，说明本发明优选实施例的详细描述和具体例子仅仅是用于说明而不是限制性的，在不偏离本发明精神和/或范围内，本领域专业人员显然可以根据这个公开内容作出各种替换，改动，添加和/或重新安排。

在这个申请中，可以参照括号内阿拉伯数字指出的几个出版物。在说明书结尾和在参考文献标题之后的权利要求书之前，可以找到引用的这些和其他出版物。完整地公开这些出版物可以作为参考，为的是指出本发明的背景和现有技术的状态。

一般地说，本发明的范围可以包括：得到，存储和/或重显数字数据。本发明的范围可以包括：处理表示图像的数字数据。本发明的范围还可以包括：把多个图像的数据变换成合并的图像。

本发明可以包括：一种利用离轴照明从直接数字全息术系统中获得提高分辨率全息成像的方法。本发明还可以包括：一种利用离轴照明的直接数字全息术(DDH)系统获得提高分辨率全息成像的设备。

一般地说，被观察(成像)的物体经一个或多个光学元件光耦合到照明光源。如参照图1所讨论的，照明光束通常沿着并平行于光轴传输通过目标物镜(即，透镜系统)的中心。这种类型DDH配置可以称之为“同轴照明”，并允许获得的物体空间频率(q)高达由物镜孔径确定的某个限制(q0)。

本发明可以包括“离轴照明”方案，其中照明光源是横向放置，使光束偏心传输通过物镜，但仍然平行于光轴。由于物镜的聚焦效应，这种照明光束以与光轴的某个角度入射到物体上。由于这种离轴照明，较同轴照明高的物体空间频率(q＞q0)可以传输通过物镜孔径，因此可以被观察到。这是本发明的重大优点。

本发明可以包括适合于数字捕获相同物体的同轴和一个或多个离轴照明全息图的扩充DDH系统(设备)。本发明还可以包括分析和/或处理(融合)数字捕获数据。得到的融合图像包含比任何原始全息图更大范围的空间频率，与没有离轴照明数据的情况比较，可以大大提高系统的标称成像分辨率。

如上所述，基本DDH系统的成像分辨率是受光学元件的限制，特别是受孔径光阑的限制，要求它防止因象差引起图像的质量退化。要求孔径光阑防止较高频率的混叠和成像质量的退化。这意味着DDH系统的光学元件是这样的，仅仅可以发射半径q0圆内的物体空间频率。在同轴照明的情况下，半径q0的孔径是以零空频(q＝0)为中心。在离轴照明的情况下，半径q0的孔径在频率域中发生位移(例如，向左位移)。这意味着在孔径位移的方向上，可以发射q＞q0的空间频率。在下侧，q接近于q0的一些空间频率在相反方向上“失去”。利用沿相反方向位移照明获得第二图像，孔径出现位移(例如，向右位移)，因此，从第一图像中重新得到“失去”的空间频率，具有超出q0的附加频率。融合两个图像的信息可以得到有较高分辨率的一个图像。由于DDH记录复图像波上的相位信息，可以融合来自两个(或多个)图像的信息具有特别有利的结果。本发明可以提高与取向无关的一般物体结构分辨率。

本发明可以包括扩展的基本DDH系统，自动地捕获同轴和离轴照明的全息图。本发明还可以包括分析和融合这些全息图结果的方法，产生高于现有DDH技术中所获得被观察物体的空间分辨率。

从图1中可以看出，物光束125平行于光轴127。如上所述，这种设置可以称之为同轴照明。另一方面，离轴照明是指这种情况，其中物光束125以相对于光轴127的某个角度入射到物体130上(例如，图3中所示的物光束215，305)。实现离轴照明有许多方法；此处给出的方法仅仅是代表性的，所以，它是非限制性例子。

参照图2和3，它表示离轴照明DDH设备的实施例。在图2和3中，与图1比较有两个主要的改动。第一个改动是，激光源105，分束器/空间滤波器110，和透镜115组合成计算机控制、可移动的闭合体205。闭合体205可以沿基本平行于光轴127的轴移动。更详细地说，闭合体205可以沿与分束器120法线基本共面的轴移动。

仍然参照图2和3，第二个改动是添加物镜210。在图2中，激光源闭合体205的位置使物光束125从分束器120反射后通过物镜210的中心。然后，物光束125离开物镜210并入射到以光轴127为中心的物体130上。在这种配置中，实现同轴照明，和图2中的系统与图1中的系统基本相同。

然而，在图3中，激光源闭合体205发生位移(在这个具体配置中是向上位移)，使物光束125偏心通过物镜210。当然，激光源闭合体205也可以向下发生位移。由于物镜210的聚焦性质，离开物镜210的物光束215以相对于光轴127的某个角度入射到物体130上，从而实现离轴照明。因此，物光束215能够与光轴127基本不平行的方向入射到物体130上。从物体反射的物光束305离轴通过物镜210，但由于物镜210和聚焦透镜150的聚焦性质，物光束仍然聚焦到CCD上(未画出)。在离轴照明的情况下，衍射性质(1)意味着，物光束305与参考光束135干涉形成的全息图保留利用同轴照明不能观察到物体的一些空间频率。

因此，本发明可以包括这样一种设备，它能够数字记录包含傅里叶分析空间外差式条纹的空间外差式全息图，包括：激光器；与激光器光耦合的分束器；与分束器光耦合的参考光束反射镜；与分束器光耦合的物体；与参考光束反射镜和物体光耦合的聚焦透镜；与聚焦透镜光耦合的数字记录仪；和完成傅里叶变换，应用数字滤波器，和完成傅里叶逆变换的计算机，其中参考光束以非垂直角入射到参考光束反射镜，物光束以相对于聚焦透镜确定光轴的角度入射到物体上，构成多个同时参考波和物波的参考光束和物光束是由聚焦透镜聚焦到数字记录仪的焦平面上以形成包含傅里叶分析空间外差式条纹的空间外差式全息图，全息图是由数字记录仪记录，和在傅里叶空间中计算机变换包含空间外差式条纹的记录空间外差式全息图的轴到参考光束与物光束之间角度确定的外差式载波频率上，和在完成傅里叶逆变换之前去除原点周围的信号。该设备可以包括：分束器与物体之间光耦合的物镜。该设备可以包括：物体与聚焦透镜之间耦合的孔径光阑。分束器，参考光束反射镜和数字记录仪可以确定Michelson几何结构。分束器，参考光束反射镜和数字记录仪可以确定Mach-Zehner几何结构。该设备还可以包括：与计算机耦合的数字存储媒体，该计算机完成傅里叶变换，应用数字滤波器，和完成傅里叶逆变换。数字记录仪可以包括：确定像素的CCD摄像机350。该设备可以包括：激光器与分束器之间光耦合的扩束器/空间滤波器230。可以选取参考光束与物光束之间的角度和聚焦透镜提供的放大倍数，为了使数字记录仪可以分辨包含傅里叶分析空间外差式条纹的空间外差式全息图的特征。因此，数字记录仪可以分辨特征和可以提供两种条纹，每种条纹有每条纹两个像素。本发明可以包括：利用上述设备制作的空间外差式全息图，它包含在计算机可读媒体上。

所以，本发明可以包括一种记录包含傅里叶分析空间外差式条纹的空间外差式全息图的方法，包括：把激光束分割成参考光束和物光束；从参考反射镜以非垂直角反射参考光束；从物体以相对于聚焦透镜确定光轴的角度反射物光束；利用聚焦透镜聚焦构成多个同时参考波和物波的参考光束和物光束到数字记录仪的焦平面上以形成包含傅里叶分析空间外差式条纹的空间外差式全息图；数字记录包含傅里叶分析空间外差式条纹的空间外差式全息图；在傅里叶空间中通过变换包含空间外差式条纹的记录空间外差式全息图的轴到参考光束与物光束之间角度确定的外差式载波频率上，傅里叶分析包含空间外差式条纹的记录空间外差式全息图；应用数字滤波器以去除原点周围的信号；和完成傅里叶逆变换。该方法可以包括：在从物体以相对于聚焦透镜确定光轴的角度反射物光束之前和从物体以相对于聚焦透镜确定光轴的角度反射物光束之后，利用物镜折射物光束。变换记录空间外差式全息图轴的步骤可以包括：利用扩展傅里叶变换进行变换。数字记录的步骤可以包括：利用确定像素的CCD摄像机检测光束。离轴照明空间外差式全息图可以是离轴照明空间低频外差式全息图；词语低频的意思是，基本的条纹空间频率在Nyquist取样限制频率以下。该方法还可以包括：存储包含傅里叶分析空间外差式条纹的空间外差式全息图作为数字数据。该方法还可以包括：重显傅里叶分析空间外差式全息图。该方法还可以包括：发射傅里叶分析空间外差式全息图。本发明可以包括：利用上述方法制备的空间外差式全息图，它包含在计算机可读媒体上。

融合方法

参照图4，它表示假想物体的二维傅里叶平面，该物体的零频率405是在中心。物体的零频率405对应于全息图中的外差频率或载波频率。物体的全部空频是用填充圆410表示。同轴照明仅捕获实线圆415指出的那些频率。然而，一种情况的离轴照明可以捕获虚线圆420指出的那些频率。其他一些情况的离轴照明可以捕获其他的物体频谱区410。

图2和3所示的DDH设备可用于捕获和存储相同物体区的多个全息图，包括同轴照明和离轴照明全息图。知道每个这种全息图包含物体不同空间频率的信息，以下详细讨论用于分析这些全息图和计算单个重构图像的方法。重构图像可以包含全部观察到的空间频率，因此，与任何单个记录图像比较，它可以提供非常高分辨率的图像。此处给出的方法是代表性的例子，并不排除各种扩展，改动或其他的方法。

本发明可以包括：捕获(数字采集)k个(k＝0，...N)全息图。图5表示一组全息图中每个全息图包含的空间频率，其中N＝4。类似于图4，图5代表零频率505是在中心点的物体傅里叶平面。实线圆510代表利用同轴照明观察到的空间频率，而虚线圆515，520，525，530代表利用4个不同离轴照明全息图观察到的空间频率。合适地融合所有5个全息图的信息，可以有效地提高DDH系统的分辨率(即，带宽)，而图6中阴影区610指出的所有空间频率对最终的图像有贡献。

在傅里叶域中，设物体的真正频谱是由F(q)表示。每个全息图观察到的部分F(q)(F(q)的区域)，G_k(q)，是由以下公式给出，

G_k(q)＝μ_kexp(jγ_k)·F(q)W_k(q)          (1)

其中μ_k和γ_k分别是全息图k的条纹对比度和相位偏移，和j是-1的平方根。

本发明可以包括归一化和/或补偿各种条纹对比度。以下描述一种条纹对比度归一化的方法。首先，我们注意到G_k(q)代表一个获取物波(或图像)g_k(x)的傅里叶变换：

其中 表示傅里叶变换运算。现在，我们定义两个附加的图像，

和

其中k＝1，...，N并假设k＝0是参考图像，和 表示傅里叶逆变换运算。仅仅保持与g_k(x)和参考图像g₀(x)共同频率的g_k(x)，可以构造图像g_k，0(x)。类似地，图像g_0，k(x)仅包含与g₀(x)和参考图像g_k(x)共同频率的g₀(x)。这些共同频率可以看成是图10中所示两个孔径W₀(q)和W_k(q)的相交部分。一旦构造了g_k，0(x)和g_0，k(x)，可以计算图像比χ_k(x)

${\mathrm{\χ}}_k\left(x\right)=\frac{g_{k,0}\left(x\right)}{g_{0,k}\left(x\right)}\≈\frac{{\mathrm{\μ}}_k\exp \left(j{\mathrm{\γ}}_k\right)}{{\mathrm{\μ}}_0\exp \left(j{\mathrm{\γ}}_0\right)}---\left(5\right)$

在计算图像比之后，可以估算相对的条纹对比度μ_k/μ₀作为图像比χ_k(x)幅度的样本平均值：

$\frac{{\mathrm{\μ}}_k}{{\mathrm{\μ}}_0}\≈\frac{1}{P}\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}\left|{\mathrm{\χ}}_k\left(x_i\right)\right|---\left(6\right)$

其中P是(数字化)图像比中像素的总数，而|χ_k(x_i)|代表单个像素位置上图像比的幅度。

本发明可以包括归一化和/或补偿相位偏移。一种相位偏移归一化的方法是计算上述相同图像比的条纹对比度归一化。于是，可以计算相对的相位偏移exp(j(γ_k-γ₀))作为图像比χ_k(x)相位的(加权)样本平均值：

$\exp \left(j({\mathrm{\γ}}_k-{\mathrm{\γ}}_0)\right)\≈\frac{1}{P}\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_k\left(x_i\right)\∠{\mathrm{\χ}}_k\left(x_i\right)---\left(7\right)$

其中∠χ_k(x_i)是单个像素位置上(数字化)图像比的相位(角)，且其中α_k(x_i)是权重因子。在最直接的实施例中，权重因子总是等于1。在其他的实施例中，权重因子可以与计算图像比所用的各个图像幅度有关。这可能是有用的，因为相位数据在幅度很小时往往是不准确的。一个计算权重因子的实施例是

$\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\left|g_k\left(x_i\right)\right|\left|g_0\left(x_i\right)\right|}{{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^P\left|g_k\left(x_n\right)\right|\left|g_0\left(x_n\right)\right|}---\left(8\right)$

还可以采用类似动机的权重因子。以下描述另一种相位偏移的估算方法。相位偏移往往是由确定载波频率的误差造成的。在这种状态下，图像比的相位偏移具有以下的形式

∠χ_k(x)＝exp(j(e₁x₁+e₂x₂+γ_k))                     (9)

其中e₁和e₂是与找到载波频率的误差有关。在这种情况下，必须找到γ_k及e₁和e₂。以上的公式可以写成以下的形式

∠χ_k(x)＝cos(e₁x₁+e₂x₂+γ_k)+jsin(e₁x₁+e₂x₂+γ_k)    (10)

可以把实部和虚部考虑成二维矢量中独立的单元。

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Re}\{\∠{\mathrm{\χ}}_k\left(x\right)\}\\ \mathrm{Im}\{\∠{\mathrm{\χ}}_k\left(x\right)\}\end{array}\right)\≈\left(\begin{array}{c}\cos (e_1{x}_1+e_2{x}_2+{\mathrm{\γ}}_k)\\ \sin (e_1{x}_1+e_2{x}_2+{\mathrm{\γ}}_k)\end{array}\right)---\left(11\right)$

利用任何标准的非线性优化技术，根据观察(以上公式的左边)可以估算上述公式中右边的三个参数，即，e₁，e₂，和γ_k。

因此，在条纹对比度和相位偏移归一化之后，全息图k中观察到频谱公式可以简化成

G_k(q)＝F(q)W_k(q)                            (12)

在以上的公式中，W_k(q)基本上是代表全息图k中观察到频谱区的窗函数。作为一个简单的例子，图5中的窗函数在各个圆510，515，520，525，530内等于1和在圆外等于0。在较复杂的实施例中，窗函数可以是利用圆对称Butterworth函数的模型。

$W_k\left(q\right)=\frac{1}{{(1+\frac{\sqrt{{(q_1-c_1)}^2+{(q_2-c_2)}^2}}{r})}^{2m}}---\left(13\right)$

其中q₁和q₂代表矢量q的水平和空间频率变量，c₁和c₂代表傅里叶平面上该函数的中心点，r代表该函数的半径，和m是滤波器级次。

融合方法的目的是根据观察值G_k(q)形成F(q)的估算值。一种估算F(q)的方法是采用基于最小平均平方误差准则的线性估算函数；这是熟知的线性最小平均平方误差(LMMSE)估算函数。利用线性估算函数，F(q)的估算值是由以下公式给出，其中q代表离散傅里叶域中的样本，

$\hat{F}\left(q\right)=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_k\left(q\right)G_k\left(q\right)---\left(14\right)$

其中LMMSE准则确定的系数是由以下的公式给出

${\mathrm{\β}}_k\left(q\right)\frac{W_k\left(q\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{k=0}^N{W}_k^2\left(q\right)+c\left(q\right)}---\left(15\right)$

其中c(q)是代表整匀化参数的正数，它的选择取决于系统的特性。这个整匀化参数用于补偿系统噪声。在理想的零噪声情况下，c(q)可以设定为零，F(q)的估算值在此情况下简化为简单的平均值。实际上，这种技术在融合图像中产生多余的瑕疵。最直接的方法是基于实验观察值对所有的q设定c(q)为某个常数。在较复杂的方法中，c(q)的设定可以基于观察全息图和图像的一些计算分析(c(q)是常数或随q变化)。专业人员可以设计用于计算整匀化参数的各种方法。

简单平均或LMMSE估算或许是计算融合图像的最直接方法。图像处理技术专业人员熟知的一些计算算融合图像的优化准则可能包括：最大似然率(ML)估计，最大后验(MAP)估计，和/或总最小二乘方(TLS)估计。请注意，这些例子并不代表所有的估计。

实验结果

图7表示根据5个不同全息图得到的离散傅里叶频谱。第一个图像705对应于同轴照明，而图像710，715，720，和725对应于各种离轴照明条件。利用上述的融合方法制作图像730中所示的融合频谱。图8表示仅根据同轴照明全息图重构的物体幅度。图9表示根据融合结果重构的物体幅度。需要注意的是，由于融合结果使分辨率提高，图9中的网格结构是很明显的(在图8中没有这种网格结构)。

公开的实施例说明计算机控制的可移动闭合体作为完成对准光源，扩束器/空间滤波器和透镜功能的结构，它使物光束同心或偏心传输通过物镜，但用于完成对准光源，扩束器/空间滤波器和透镜功能的结构可以是能够完成对准物光束功能的任何其他结构，它使物光束同心或偏心传输通过物镜，例如，相对于光源，扩束器/空间滤波器和透镜，可以移动分束器，反射镜，物镜，物体，聚焦透镜和CCD摄像机的可移动平台，或一系列可移动光学元件(例如，反射镜)，或柔性光纤和/或光缆。

此处所用的词语“一个”定义为一个或多于一个。此处所用的词语“多个”定义为两个或多于两个。此处所用的词语“另一个”定义为至少第二个或多于第二个。此处所用的词语“包含和/或有”定义为包括(即，开放语言)。此处所用的词语“耦合”定义为连接，虽然不必是直接连接，也不必是机械连接。此处所用的词语“近似”定义为至少接近于给定值(例如，较好是在10％内，更好的是在1％内，最好是在0.1％内)。此处所用的词语“基本上”定义为大部分，但不必是它的全部。此处所用的词语“一般”定义为至少接近于给定的状态。此处所用的词语“部署”定义为设计，建造，运输，安装和/或操作。此处所用的词语“装置”定义为获得某个结果所用的硬件，固件和/或软件。此处所用的词语“程序”或“计算机程序”定义为计算机系统上执行设计的一系列指令。“程序”或“计算机程序”可以包括：计算机或计算机系统上执行设计的子程序，函数，过程，目标方法，目标实施方案，可执行应用程序，小应用程序，小服务程序，源代码，目标代码，共享程序库/动态负载库和/或其他的指令系列。此处所用的词语“低频”定义为Nyquist取样限制以下的基本条纹空间频率。

本发明的实际应用

本发明的实际应用在技术领域内的价值是计量学。本发明可以与微电子(机械)制造相结合，例如，半导体检验。本发明还可以与纳米技术的研究，开发和制造相结合，例如，纳米可视化，纳米测量等。本发明还可以用于数字处理和/或数字数据采集的干涉仪环境下，例如，基于电子全息术的直接数字全息术工具。实际上，本发明有无数的应用，此处不必一一列举。

本发明的优点

至少有下列的几个理由，代表本发明实施例的方法，设备和/或计算机程序是费用低廉和有利的。本发明可以提供计算机控制的物体照明。本发明可以融合多个全息图的结果。本发明可以大大提高成像分辨率。与以前的方法比较，本发明可以提高质量和/或降低成本。

在没有不适当试验的情况下，按照公开的内容，可以制成和利用此处公开的所有本发明实施例。本发明不限于此处叙述的理论说明。虽然我们公开了本发明者设想实施本发明的最佳模式，但本发明的实践不受此限制。所以，专业人员可以理解，本发明可以在此处具体描述的条件之外实现。

此外，各个元件不必组合在所公开的配置中，而可以组合成几乎各种配置。此外，对此处描述方法中的步骤或系列步骤可以作改动。此外，虽然此处描述的设备可以是单独的模块，显而易见，这些设备可以集成到与它相关的系统中。此外，每个公开实施例中所有公开的单元和特征可以与每个其他公开实施例中公开的单元和特征进行组合，除了这些单元或特征是互相排斥的。

显而易见，在不偏离本发明概念的精神和/或范围的条件下，各种替换，改动，添加和/或重新安排是可能的。我们认为，所附权利要求书及其相当内容限定本发明概念的精神和/或范围覆盖所有这些替换，改动，添加和/或重新安排。

所附的权利要求书不应当解释成包含装置加功能的限制，除非这种限制是在利用词语“装置”和/或“步骤”的给定权利要求中明确地叙述过。本发明的亚属实施例是在所附独立权利及其相当内容中描述。所附的从属权利要求及其相当内容可以区分本发明的具体实施例。

参考文献

(1)Goodman，Joseph W.，“Introduction to Fourier Optics，”McGraw-Hill，1998.

(2)Voelkl，E.et al.，“Introduction to Electron Holography，”Kluwer Academics/PlenumPublishers，1999.

(3)Eugene Hecht，“Optics，Third Edition，”Addison-Wesley，1998，page 465-469；599-602.

Claims (25)

1.一种记录包含傅里叶分析空间外差式条纹的离轴照明空间外差式全息图的方法，包括：

从参考反射镜以非垂直角反射参考光束；

从物体以相对于聚焦透镜确定光轴的角度反射物光束；

聚焦参考光束和物光束到数字记录仪的焦平面上以形成包含傅里叶分析空间外差式条纹的离轴照明空间外差式全息图；

数字记录包含傅里叶分析空间外差式条纹的离轴照明空间外差式全息图；

在傅里叶空间中通过变换包含空间外差式条纹的记录离轴照明空间外差式全息图的轴到参考光束与物光束之间角度确定的外差式载波频率上，傅里叶分析包含空间外差式条纹的记录离轴照明空间外差式全息图；

应用数字滤波器以去除原点周围的信号；和

完成傅里叶逆变换。

2.按照权利要求1的方法，还包括：在从物体以相对于聚焦透镜确定光轴的角度反射物光束之前，利用物镜折射物光束；和在从物体以相对于聚焦透镜确定光轴的角度反射物光束之后，利用物镜折射物光束。

3.按照权利要求1的方法，还包括：融合离轴照明空间外差式全息图与从同轴照明空间外差式全息图和另一个离轴照明空间外差式全息图中至少选取的一个全息图以计算单个重构图像。

4.按照权利要求1的方法，其中离轴照明空间外差式全息图是离轴照明空间低频外差式全息图。

5.按照权利要求1的方法，其中利用离轴照明空间外差式全息图观察的物体真正频谱区是用以下公式表示

    G_k(q)＝μ_k exp(jγ_k)·F(q)W_k(q)

其中q可以代表离散傅里叶域中的样本或连续傅里叶平面上的坐标矢量，μ_k和γ_k分别是离轴照明空间外差式全息图k的条纹对比度和相位偏移，W_k(q)是代表离轴照明空间外差式全息图k观察频谱区的窗函数，F(q)是物体的真正频谱，和j是-1的平方根。

6.按照权利要求5的方法，其中W_k(q)的模型是圆对称Butterworth函数。

7.按照权利要求1的方法，还包括：融合离轴照明空间外差式全息图与从同轴照明空间外差式全息图和另一个离轴照明空间外差式全息图中选取的至少一个全息图以计算单个重构图像，

其中利用选自离轴照明空间外差式全息图和同轴照明空间外差式全息图中的全息图k观察物体的真正频谱区是用以下公式表示

G_k(q)＝μ_kexp(jγ_k)·F(q)W_k(q)

其中q代表离散傅里叶域中的样本，μ_k和γ_k分别是全息图k的条纹对比度和相位偏移，W_k(q)是代表全息图k观察频谱区的窗函数，F(q)是物体的真正频谱，和j是-1的平方根，和

计算单个重构图像的估算值是用以下公式表示

$\hat{F}\left(q\right)=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_k\left(q\right)G_k\left(q\right)$

其中

${\mathrm{\β}}_k\left(q\right)\frac{W_k\left(q\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{k=0}^N{W}_k^2\left(q\right)+c\left(q\right)}$

其中c(q)代表整匀化参数。

8.按照权利要求1的方法，其中利用离轴照明空间外差式全息图观察的物体真正频谱区是用以下公式表示

G_k(q)＝F(q)W(q)

其中q代表离散傅里叶域中的样本，W_k(q)是代表利用离轴照明空间外差式全息图k观察频谱区的窗函数，和F(q)是物体的真正频谱。

9.按照权利要求8的方法，其中W_k(q)是一个函数，它至少是部分的Butterworth滤波器。

10.按照权利要求1的方法，还包括：融合离轴照明空间外差式全息图与从同轴照明空间外差式全息图和另一个离轴照明空间外差式全息图中选取的至少一个全息图以计算单个重构图像，

其中利用选自离轴照明空间外差式全息图和同轴照明空间外差式全息图中的全息图k观察物体真正频谱区是用以下公式表示

G_k(q)＝F(q)W(q)

其中q代表离散傅里叶域中的样本，W_k(q)是代表全息图k观察频谱区的窗函数，和F(q)是物体的真正频谱，和

计算单个重构图像的估算值是用以下公式表示

$\hat{F}\left(q\right)=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_k\left(q\right)G_k\left(q\right)$

其中

${\mathrm{\β}}_k\left(q\right)\frac{W_k\left(q\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{k=0}^N{W}_k^2\left(q\right)+c\left(q\right)}$

其中c(q)代表整匀化参数。

11.按照权利要求1的方法，其中数字记录的步骤包括：利用确定像素的CCD摄像机检测光束。

12.按照权利要求1的方法，还包括：存储包含傅里叶分析空间外差式条纹的离轴照明空间外差式全息图作为数字数据。

13.按照权利要求1的方法，还包括：重显傅里叶分析的离轴照明空间外差式全息图。

14.按照权利要求1的方法，还包括：发射傅里叶分析的离轴照明空间外差式全息图。

15.一种计算机程序，包括可平移的计算机或机器可读程序单元，用于执行按照权利要求1的方法。

16.一种机器可读媒体，包含按照权利要求1方法产生的数据。

17.一种可以数字记录含傅里叶分析空间外差式条纹的离轴照明空间外差式全息图的设备，包括：

激光器；

与激光器光耦合的分束器；

与分束器光耦合的参考光束反射镜；

与参考光束反射镜光耦合的聚焦透镜；

与聚焦透镜光耦合的数字记录仪；和

完成傅里叶变换，应用数字滤波器，和完成傅里叶逆变换的计算机，

其中参考光束以非垂直角入射到参考光束反射镜；物光束以相对于聚焦透镜确定光轴的角度入射到物体上；参考光束和物光束是由聚焦透镜聚焦到数字记录仪的焦平面上以形成包含傅里叶分析空间外差式条纹的离轴照明空间外差式全息图，全息图是由数字记录仪记录；和在傅里叶空间中通过计算机变换包含空间外差式条纹的记录离轴照明空间外差式全息图的轴到参考光束与物光束之间角度确定的外差式载波频率上；和在完成傅里叶逆变换之前去除原点周围的信号。

18.按照权利要求17的设备，还包括：分束器与物体之间光耦合的物镜。

19.按照权利要求17的设备，其中激光器可以相对于分束器移动。

20.按照权利要求17的设备，其中分束器，参考光束反射镜和数字记录仪确定Michelson几何结构。

21.按照权利要求17的设备，其中分束器，参考光束反射镜和数字记录仪确定Mach-Zehner几何结构。

22.按照权利要求17的设备，还包括：与计算机耦合的数字存储媒体，该计算机完成傅里叶变换，应用数字滤波器，和完成傅里叶逆变换。

23.按照权利要求17的设备，其中数字记录仪包括：确定像素的CCD摄像机。

24.按照权利要求23的设备，其中选取参考光束与物光束之间角度，和聚焦透镜提供的放大倍数，为了使数字记录仪可以分辨包含傅里叶分析空间外差式条纹的离轴照明空间外差式全息图的特征，和提供两种条纹，每种条纹有每条纹两个像素。

25.一种机器可读媒体，它包括利用按照权利要求17的设备产生的数据。

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