CN203012354U - 一种相移数字全息高速成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于全息摄影技术领域，提供了一种相移数字全息高速成像系统，包括:参考光产生组件，用于产生零相移参考光和π相移参考光；全息图生成组件，用于将零相移参考光和π相移参考光分别与携带有物信息的物光进行干涉，形成两幅全息图；原始光场恢复组件，用于根据所述两幅全息图恢复目标物的原始光场。本实用新型通过使其中一路参考光中相对于另一路参考光产生π相位，可一次性得到零相移和π相移的两路参考光，避免了多次相移及多次相移产生的环境变化如振动等和调节误差，并且根据这两幅全息图通过简单的算法即可恢复原始物光场，有效消除零级和共轭像，为高速运动过程的实时记录提供了一个切实可行的方法。

Description

一种相移数字全息高速成像系统

技术领域

本实用新型属于全息摄影技术领域，尤其涉及一种相移数字全息高速成像系统。 

背景技术

全息术自提出以来得到多方面的应用，如三维成像，形貌测量等，但是传统的光学全息术需要化学湿处理，过程复杂，且难以数据化，而数字全息术以数字相机来代替光敏记录介质，可直接得到数据，分析方便简单，因此引起很多学者的兴趣。但受到目前数字相机像元尺寸大，像素数少的限制，只能记录小角度的离轴全息图，无法记录高空间频率的信息。同轴全息术能充分利用相机的空间带宽积，但是再现像中的零级，正负一级严重重叠，再现结果受到零级和共轭像的干扰，无法清晰成像。1997年Yamaguchi等人提出的相移技术是消除零级和共轭像的有效方法，该方法的提出弥补了同轴和离轴数字全息的缺点和不足。但是该方法大多采用压电陶瓷、旋转波片等达到相移的结果，需要多次记录不同相移的全息图，因而无法应用于高速记录过程。为了用相移方法记录高速过程，日本学者Yasuhiro Awatsuji等提出采用平行相移的方法，该方法可记录高速过程，但是需要制作精确的掩膜，工艺复杂，且只能记录表面较均匀的物体，对于起伏较大的物体，再现结果误差大。另外，自成像方法包括使用特制衍射光学元件和光栅分数泰伯效应等来对参考光位相进行编码，可同时得到多个相移的参考光，然而二者的成像效果分别取决于衍射元件和制作的光栅的精度。 

实用新型内容

本实用新型所要解决的第一个技术问题在于提供一种相移数字全息高速成像系统，旨在消除零级和共轭像的前提下，实现高速实时成像、准确恢复原始图像的效果。 

上述 

相移数字全息高速成像系统包括: 

参考光产生组件，用于产生零相移参考光和π相移参考光； 

全息图生成组件，用于将零相移参考光和π相移参考光分别与携带有物信息的物光进行干涉，形成两幅全息图； 

原始光场恢复组件，用于根据所述两幅全息图恢复目标物的原始光场。 

进一步地，所述相移数字全息高速成像系统还包括： 

一激光器，用于产生连续激光； 

第一透镜组，对所述激光进行准直处理； 

半波片，改变经所述第一透镜组准直处理过的激光的偏振角度，产生线偏振光； 

第一非偏振分束器，用于将所述半波片产生的线偏振光分成两束，一束照射目标物后形成物光，另一束输出至所述参考光产生组件以产生零相移参考光和π相移参考光。 

进一步地，所述参考光产生组件包括： 

第一偏振分束器，用于将接收到的线偏振光分成两束参考光束； 

零相移参考光产生组件，用于将所述两束参考光束中的透射光作为零相移参考光输出； 

两个共焦透镜，用于将所述反射光增加π相移，产生π相移参考光； 

若干反射镜，分布于所述两个共焦透镜之前的光路、或之间的光路或之后的光路上，将所述π相移参考光输出所述全息图生成组件。 

进一步地，所述全息图生成组件包括： 

第二非偏振分束器，用于将物光、零相移参考光、π相移参考光进行合束， 使物光与零相移参考光、π相移参考光具有相同的传输方向； 

第二偏振分束器，用于将所述第二非偏振分束器合束后的输出光进行分束，使得零相移参考光和π相移参考光分别与所述相应偏振态的物光进行干涉，形成第一全息图和第二全息图。 

进一步地，所述全息图生成组件包括： 

第三偏振分束器，用于对零相移参考光和π相移参考光进行分束，并分别与相应偏振态的物光进行干涉，形成两幅全息图； 

第一偏振器件，位于所述第三偏振分束器的透射光的出光侧，用于输出第一全息图； 

第二偏振器件，位于所述第三偏振分束器的反射光的出光侧，用于输出第二全息图。 

进一步地，所述原始光场恢复组件包括： 

第一相机，用于接收所述第一全息图； 

第二相机，用于接收所述第二全息图； 

进一步地，所述参考光产生组件包括： 

一斩光器，同时位于所述零相移参考光产生组件的出光侧和所述π相移参考光产生组件的出光侧，用于对所述零相移参考光和所述π相移参考光进行调制，使所述零相移参考光和所述π相移参考光交替输出； 

所述全息图生成组件包括： 

第三非偏振分束器，用于交替将物光与零相移参考光、物光与π相移参考光进行合束，交替输出第一全息图和第二全息图； 

所述原始光场恢复组件包括： 

第三相机，用于交替接收第一全息图和第二全息图； 

进一步地，所述相移数字全息高速成像系统还包括： 

一同步控制系统，用于控制所述物体触发和所述原始光场恢复组件对全息图记录的同步。 

本实用新型与现有技术相比，通过使其中一路参考光中相对于另一路参考光产生π相位，可一次性得到零相移和π相移的两路参考光，避免了多次相移及多次相移产生的环境变化如振动等和调节误差，并且根据这两幅全息图通过简单的算法即可恢复原始物光场，有效消除零级和共轭像，为高速运动过程的实时记录提供了一个切实可行的方法，该方法的成像频率仅仅取决于数字相机的性能。 

附图说明

图1是本实用新型第一实施例提供的相移数字全息高速成像系统的光学结构原理图； 

图2是本实用新型第二实施例提供的相移数字全息高速成像系统的光学结构原理图； 

图3是本实用新型第三实施例提供的相移数字全息高速成像系统的光学结构原理图。 

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。 

本实用新型采用简单易行的方法引入古依相移（Gouy phase shift），一次性同时得到零相移和π相移的两幅全息图，进而实现对高速过程的实时记录。该方法使用两步相移同轴记录方式，既充分利用了相机的空间带宽积又能同时消除零级和共轭像，且根据古依相移的特点，采用简单算法即可准确恢复原始图像。 

本实用新型提出的相移数字全息高速成像方法包括下述步骤： 

步骤A，利用光源照射目标物后携带物信息形成物光。 

本实用新型中，物光由光源发出的光照射目标物后产生，光线采用线偏振。 

步骤B，将零相移参考光和π相移参考光分别与所述物光进行干涉，形成两幅全息图。 

两束参考光分别与相应偏振态的物光产生干涉形成两幅全息图，然后可采用两个数字相机接收。 

步骤C，根据所述两幅全息图恢复目标物的原始光场。具体可采用下述方法： 

步骤C1，将两幅全息图I₁（x，y）和I₂（x，y）表达为： 

I₁(x,y)=|O(x,y)|²+|R₁(x,y)|²+2|O(x,y)||R₁(x,y)|cos(φ+δ₁)  （1） 

I₂(x,y)=|O(x,y)|²+|R₂(x,y)|²+2|O(x,y)||R₂(x,y)|cos(φ+δ₂) 

其中，(x,y)表示全息图接收装置所在的记录平面的坐标，O(x,y)表示记录面上的物光，R₁(x,y)和R₂(x,y)为光强度相同、位相不同的零相移参考光和π相移参考光，|R₁|=|R₂|，δ₁和δ₂为相移量； 

步骤C2，定义步骤C1的公式中δ₁=0，δ₂=π，得到： 

I₁(x,y)=|O(x,y)|²+|R(x,y)|²+2|O(x,y)||R(x,y)|cosφ；  （2） 

I₂(x,y)=|O(x,y)|²+|R(x,y)|²-2|O(x,y)||R(x,y)|cosφ 

步骤C3，将步骤C2中的两式相加获得目标物的振幅，将两式相减进行希尔伯特变换得到目标物的位相，完全消除了零级和共轭像的影响，将得到的复振幅即振幅和位相进行反向菲涅尔衍射即可恢复目标物的原始光场。 

相应地，本实用新型提供的相移数字全息高速成像系统包括：参考光产生组件、全息图生成组件和原始光场恢复组件。其中，参考光产生组件用于产生零相移参考光和π相移参考光；全息图生成组件用于将零相移参考光和π相移参考光分别与物光进行干涉，形成两幅全息图，所述物光的产生如上文所述；原始光场恢复组件，用于根据所述两幅全息图恢复目标物的原始光场。 

上述参考光产生组件所需的光源和用于产生物光的光源可共用一线偏振光源，此线偏振光源产生线偏振光后输出两路光线，一路作为照射目标物产生物光，同时，上述参考光产生组件根据另一路线偏振光产生零相移参考光和π相移参考光。具体参照图1，本实用新型第一实施例提供的成像系统结构，线偏振光光源包括一用于产生连续激光的激光器、第一透镜组L1、半波片HW、第一非偏振分束器BS1，第一透镜组L1对激光器产生的激光进行准直处理，半波片HW改变经第一透镜组L1准直处理过的激光的偏振角度，产生线偏振光，最后，第一非偏振分束器BS1将半波片HW产生的线偏振光分成两束，一束照射目标物O后形成物光，另一束输出至所述参考光产生组件以产生零相移参考光和π相移参考光。 

进一步地，参考光产生组件包括：第一偏振分束器PBS1、零相移参考光产生组件和π相移参考光产生组件。第一偏振分束器PBS1将接收到的线偏振光分成两束参考光束，零相移参考光产生组件用于将所述两束参考光束中的透射光作为零相移参考光输出，而π相移参考光产生组件则用于将所述两束参考光束中的反射光作为π相移参考光。图1中，零相移参考光产生组件包括等腰直角棱镜P和反射镜M，应当理解，具体还可采用其他可改变光路方向的光学器件和光学器件组实现。而图1中π相移参考光产生组件包括两个共焦透镜L2和L3，用于将所述第二束光增加π相移，来产生π相移参考光。根据古依相移的概念，会聚光束经过透镜焦点位置时，相对于平面波将会增加π的附加相位。两个共焦透镜L2和L3，第一个透镜L2是将平行光会聚，当会聚光束经过透镜焦点的位置时就会相对于平行光增加π的附加相位。因为两个透镜共焦，所以通过这两个透镜后，出来的光还是平行光，除了增加一个π相移，其他都一样。进一步地，还可以在两个共焦透镜之前的光路、或之间的光路或之后的光路上设置若干反射镜，以改变光路，使π相移参考光输出所述全息图生成组件，图1中以在共焦透镜L2和L3之间设置两个反射镜M为例示出。 

图1中，全息图生成组件包括：第二非偏振分束器BS2和第二偏振分束器 PBS2，第二非偏振分束器BS2用于将物光、零相移参考光、π相移参考光进行合束，使物光与零相移参考光、π相移参考光具有相同的传输方向，然后，第二偏振分束器PBS2将所述第二非偏振分束器合束后的输出光进行分束，使得零相移参考光和π相移参考光分别与所述相应偏振态的物光进行干涉，形成第一全息图和第二全息图。 

图1所示光路结构的光学原理如下：激光器作为光源产生连续激光，经第一透镜组L1准直后通过半波片HW，然后经第一非偏振分束器BS1分成两束，一束经反射镜M照射物体O，形成物光，另一束经第一偏振分束器PBS1分成两路偏振态相互垂直的参考光，透射光经由等腰直角棱镜P和反射镜M反射直接透过偏振分束器PBS；另一路反射光经两个共焦透镜L2和L3后由反射镜M和偏振分束器PBS反射，因此这两束参考光位相相差π。这两束光和物光分别经过第二非偏振分束器BS2后，由第二偏振分束器PBS2分束。两束参考光分别与相应偏振态的物光产生干涉形成两幅全息图。 

如图1所示，产生的两幅全息图可分别被第一相机DC1和第二相机DC2接收，第一相机DC1和第二相机DC2属于原始光场恢复组件，同时原始光场恢复组件还内置一原始光场恢复系统，此系统为一软件系统，可对接收的全息图进行处理，恢复原始光场，处理过程如上文步骤C1、C2、C3所述，不再赘述。 

实施例二如图2所示，与图1相比较，减少第二非偏振分束器BS2，直接进入第三偏振分束器PBS3，用于对零相移参考光和π相移参考光进行分束，并分别与相应偏振态的物光进行干涉，同时在两个数字相机前分别加第一偏振器件P1和第二偏振器件P2，输出两幅全息图，其中，第一偏振器件P1位于第三偏振分束器PBS3的透射光的出光侧，用于输出第一全息图；第二偏振器件P2位于第三偏振分束器PBS3的反射光的出光侧，用于输出第二全息图。 

实施例一和实施例二都是采用两个数字相机来记录的方式，这种方法需要严格对准两路数字相机以确保两幅全息图的空间对应，为实际操作增加了难度。 为了解决这个问题，实施例三采用在两路参考光中加一个斩光器（chopper），如图3所示，斩光器C同时位于所述零相移参考光产生组件的出光侧和所述π相移参考光产生组件的出光侧，用于对所述零相移参考光和所述π相移参考光进行调制，使所述零相移参考光和所述π相移参考光交替输出。斩光器C能将连续光调制成一定频率的周期性断续光，控制该斩光器C的转动频率使零相移和π相移的两束参考光交替地通过，然后由第三非偏振分束器BS3交替将物光与零相移参考光、物光与π相移参考光进行合束，交替输出第一全息图和第二全息图，从而实现第三相机DC3时间上交叉输出使用零相移和π相移的参考光参与的全息记录。该方法可使数字相机间隔性地采集零相移和π相移的两幅全息图，进而进行计算。该方法只用一个第三相机DC3进行采集，两幅全息图是完全对应的，避免了多个相机采集产生的位置误差，还可有效地降低相机噪声的影响。 

进一步地，本相移数字全息高速成像系统还包括一同步控制系统，用于控制所述物体触发和所述原始光场恢复组件对全息图记录的同步。 

将连续光用皮秒或飞秒脉冲光源代替，同步控制光源，物体和数字相机，借助泵浦-探针技术，本实用新型亦可用于皮秒或飞秒时间分辨的可重复过程的超快成像。 

本实用新型的有益效果如下： 

1）采用两个共焦透镜引入古依相移，得到两路位相相差π的参考光，结构简单、紧凑，不需要多次相移来记录多幅全息图； 

2）采用古依相移概念，可产生较准确的π相移； 

3）根据π相移的两幅全息图，可通过简单的再现算法恢复结果； 

4）系统采用同轴全息方法，可充分利用相机的空间带宽积； 

5）由于一次可同时得到两幅相移全息图，获得消零级和共轭像的再现结果，可用于记录高速过程； 

6）高速成像，成像频率仅取决于数字相机的速度。 

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型， 凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (8)

1.一种相移数字全息高速成像系统，其特征在于，包括：

参考光产生组件，用于产生零相移参考光和π相移参考光；

全息图生成组件，用于将零相移参考光和π相移参考光分别与携带有物信息的物光进行干涉，形成两幅全息图；

原始光场恢复组件，用于根据所述两幅全息图恢复目标物的原始光场。

2.如权利要求1所述的相移数字全息高速成像系统，其特征在于，所述相移数字全息高速成像系统还包括：

一激光器，用于产生连续激光；

第一透镜组，对所述激光进行准直处理；

半波片，改变经所述第一透镜组准直处理过的激光的偏振角度，产生线偏振光；

第一非偏振分束器，用于将所述半波片产生的线偏振光分成两束，一束照射目标物后形成物光，另一束输出至所述参考光产生组件以产生零相移参考光和π相移参考光。

3.如权利要求2所述的相移数字全息高速成像系统，其特征在于，所述参考光产生组件包括：

第一偏振分束器，用于将接收到的线偏振光分成两束参考光束；

零相移参考光产生组件，用于将所述两束参考光束中的透射光作为零相移参考光输出；

两个共焦透镜，用于将所述反射光增加π相移，产生π相移参考光；

若干反射镜，分布于所述两个共焦透镜之前的光路、或之间的光路或之后的光路上，将所述π相移参考光输出所述全息图生成组件。

4.如权利要求3所述的相移数字全息高速成像系统，其特征在于，所述全息图生成组件包括：

第二非偏振分束器，用于将物光、零相移参考光、π相移参考光进行合束，使物光与零相移参考光、π相移参考光具有相同的传输方向；

第二偏振分束器，用于将所述第二非偏振分束器合束后的输出光进行分束，使得零相移参考光和π相移参考光分别与所述相应偏振态的物光进行干涉，形成第一全息图和第二全息图。

5.如权利要求3所述的相移数字全息高速成像系统，其特征在于，所述全息图生成组件包括：

第三偏振分束器，用于对零相移参考光和π相移参考光进行分束，并分别与相应偏振态的物光进行干涉，形成两幅全息图；

第一偏振器件，位于所述第三偏振分束器的透射光的出光侧，用于输出第一全息图；

第二偏振器件，位于所述第三偏振分束器的反射光的出光侧，用于输出第二全息图。

6.如权利要求4或5所述的相移数字全息高速成像系统，其特征在于，所述原始光场恢复组件包括：

第一相机，用于接收所述第一全息图；

第二相机，用于接收所述第二全息图。

7.如权利要求3所述的相移数字全息高速成像系统，其特征在于，所述参考光产生组件包括：

一斩光器，同时位于所述零相移参考光产生组件的出光侧和所述π相移参考光产生组件的出光侧，用于对所述零相移参考光和所述π相移参考光进行调制，使所述零相移参考光和所述π相移参考光交替输出；

所述全息图生成组件包括：

第三非偏振分束器，用于交替将物光与零相移参考光、物光与π相移参考光进行合束，交替输出第一全息图和第二全息图；

所述原始光场恢复组件包括：

第三相机，用于交替接收第一全息图和第二全息图。

8.如权利要求1所述的相移数字全息高速成像系统，其特征在于，所述相移数字全息高速成像系统还包括：

一同步控制系统，用于控制所述物体触发和所述原始光场恢复组件对全息图记录的同步。

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