TWI494716B - 數位全像成像系統及全像影像的數值重建方法 - Google Patents

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Description

數位全像成像系統及全像影像的數值重建方法
本發明係關於一種全像攝影技術，特別有關一種數位全像成像系統及全像影像的數值重建方法。
全像攝影術(holography)是一種三維立體影像的再現技術，其不同於一般攝影只儲存了亮度資料，全像攝影儲存了亮度(intensity)和相位(phase)的資料，當以適當光源照射全像片(hologram)進行影像重建(reconstruct)時，可將真實般的三維立體影像重現於原記錄位置。
一般來說，全像攝影是將雷射發射的光束，通過分光鏡(beam splitter)分成兩道光束，一束作為參考光束，另一束照射目標物，目標物經此光束照射後形成散射，物體光與參考光束相互干涉形成明暗干涉條紋，並由底片記錄下來。
數位全像攝影術(digital holography)是一種通過電荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)獲取並處理全像干涉資料的技術，經過對量測而得的資料進行數值重建(numerical reconstruction)，典型的數位全像攝影能夠建立物體的三維表面或是其深度資訊。
然而，現行的數位全像攝影技術中，不論是採用何種架構，最終的數值計算都會受到空間頻寬的限制(spatial bandwidth limit)，以下列公式來作說明：A×B<f(N) (1)其中A為可視區域(field of view,FOV)，B為解析度之倒數B=1/u，u為解析度，N為影像偵測器(image detector)的畫素總數。也就是說，影像偵測 器，如CCD，可記錄的影像資料是有限的。為了突破空間頻寬的限制，現有一種孔徑綜合(aperture synthesis)的技術，其通過平移影像偵測器，使其進行二維掃描，以等效成更高畫素總數，此一方式聰明的解決了影像偵測器的畫素限制，然而對影像偵測器進行平移會增加系統複雜度並大幅拉長量測時間，在實際運用上有其難度。
本發明之目的在於提供一種數位全像成像系統及全像影像的數值重建方法，以縮短全像影像的量測時間，簡化系統複雜度，同時提升重建影像的品質。
為達成上述目的，本發明提供一種數位全像成像系統，用以拍攝目標物，並以全像影像資料儲存，所述系統包含：訊號光，其由光源照射該目標物後而形成；影像偵測器，用以記錄該訊號光的干涉條紋；以及導光管，設置在該訊號光的光路上以及該目標物與該影像偵測器之間，其中該導光管具有反射面，部份之訊號光經由該導光管之反射面反射後進到該影像偵測器。
本發明另一方面提供一種全像影像的數值重建方法，適用於拍攝的目標物與影像偵測器之間設置有導光管的光學架構，所述方法包含步驟：利用影像偵測器擷取目標物的干涉影像；將該干涉影像轉換為資料矩陣；沿該資料矩陣的多個邊進行多次鏡射，以擴張成一新的資料矩陣；以及對該新的資料矩陣進行數值重建，以獲得該目標物所在平面之場分佈。
本發明所提出的數位全像成像系統在訊號光的光路上、目標物與影像偵測器之間設置有導光管，該導光管具有反射面或全反射面，能夠用來收 集大角度的訊號光。配合本發明所提出的全像影像的數值重建方法，能夠使所擷取的訊號等效為數倍影像偵測器的畫素總數，故能突破空間頻寬的局限。相較於現有的孔徑綜合的技術，本發明可縮短全像影像的量測時間，簡化系統複雜度，同時能夠提升重建影像的品質。
本發明提出一種數位全像成像系統，在訊號光路上加入導光管(light pipe)，利用在訊號光的光路上，目標物(即欲拍攝的物體)至影像感測器(如CCD、CMOS)之間加上導光管，藉由導光管之反射面來搜集大角度的訊號光，並在後續進行數值重建時，藉由影像矩陣的複製來克服影像感測器的畫素限制，突破了空間頻寬(spatial bandwidth)的局限，大幅增進重建影像的品質。
請參閱第1A圖及第1B圖，其顯示本發明之數位全像成像系統的架構示意圖。本發明的數位全像成像系統包含訊號光11，其由光源照射目標物後而形成；影像偵測器16，用以記錄該訊號光11的干涉條紋；以及導光管14，設置在訊號光11的光路上，目標物與影像偵測器16之間，其中導光管14具有反射面，部份之訊號光經由該導光管14之反射面反射後進到影像偵測器16。該導光管14之反射面用來收集大角度的訊號光，這相當於在導光管14之反射面的鏡像位置上亦設置了影像偵測器16，如此等效提升了影像偵測器16的畫素總數。
在第1A圖中，形成訊號光11的光源與照射目標物的光源是同一光源，訊號光11是與該光源發出的光線相互干涉而產生干涉條紋。此外，如第1B圖所示，影像偵測器16是記錄訊號光11與參考光12相互干涉而產生的干 涉條紋，可以使用同一光源經過分光鏡(beam splitter,BS)分成兩道光束，其中一道光束作為參考光12，另一道光束照射目標物後形成訊號光11。在具體實施方式上，該光源可為發光二極體(light emitted diode,LED)光源或雷射(laser)光源。當光源為雷射光源時亦可以加入波長調控元件(如，聲光調製器)，使其中一道光束或兩道光束產生波長偏移，以發揮外插干涉儀(hetero interferometer)的功用。
導光管14可以二種方式來實現，其一是導光管14之側面鍍有反射膜；其二是導光管14為實心，利用介面之全反射將光反射，而不需鍍上反射膜。導光管14之橫向切面最佳為矩形，也可以是三角形、四邊形、五邊形、六邊形或其它多邊形。
本發明所提出的數位全像成像系統在訊號光11的光路上、目標物與影像偵測器16之間設置有導光管14，該導光管14具有反射面或全反射面，能夠用來收集大角度的訊號光，在後續進行數值重建時，所擷取的訊號可等效於數倍影像偵測器16的畫素總數，故能突破空間頻寬的局限。相較於現有的孔徑綜合(aperture synthesis)的技術，本發明可縮短全像影像的量測時間，簡化系統複雜度，同時能夠提升重建影像的品質。
第2A圖顯示本發明第一實施例之數位全像成像系統的示意圖。在本發明第一實施例中，使用近似球面波112之光源照射目標物15，球面波光源與目標物15在同一條光軸上，來自目標物15的繞射光與球面波112彼此干涉，影像偵測器16記錄干涉訊號，目標物15與影像偵測器16之間設置有導光管14，導光管14之側壁具有反射面或全反射面，可用來收集大角度的干涉訊號。
第2B圖顯示本發明第二實施例之數位全像成像系統的示意圖。本發明第二實施例與第一實施例的差異在於：在第二實施例中，球面波光源偏離了光軸，也就是說球面波光源與目標物15不在同一條光軸上，如此可解決球面波光源與目標物15在同一條光軸上容易產生較大雜訊的問題。
第2C圖顯示本發明第三實施例之數位全像成像系統的示意圖。本發明第三實施例與第一實施例和第二實施例的差異在於：在第三實施例中，球面波光源與目標物15都設置在平行於影像偵測器16之表面的平面上，並另外引入另一道光束照射目標物15，球面波112則作為參考光，為了能夠產生干涉條紋，此一照射目標物之光束通常與參考光產生自同一雷射光源，本發明第三實施例可降低雜訊的產生。
第2D圖、第2E圖和第2F圖分別顯示本發明第四實施例、第五實施例和第六實施例之數位全像成像系統的示意圖。第2D圖、第2E圖和第2F圖所示的實施例分別是將第2A圖、第2B圖和第2C圖中的球面波112替換為平面波114。也就是說，除了使用球面波光源照射目標物15之外，本發明亦可使用平面波或斜打平面波照射目標物15，而其他波前之光源亦適用之。此外，在第2F圖所示的第六實施例中，是以平面波114作為參考光，並另外引入另一道光束照射目標物15，此一照射目標物之光束通常與參考光產生自同一雷射光源。
第3A圖、第3B圖和第3C圖分別顯示本發明第七實施例、第八實施例和第九實施例之數位全像成像系統的示意圖。在第3A圖、第3B圖和第3C圖所示的數位全像成像系統中都具有一光學元件，即分光鏡17，分光鏡17能夠將訊號光與參考光同時導引至影像偵測器16進行干涉，光源照射目 標物15後形成的光稱作訊號光，由同一光源經分光鏡17導引而來之另一道光稱做參考光，其用以與訊號光進行干涉，此一參考光可以是平面波(如第3A圖所示的第七實施例)、斜打平面波(如第3B圖所示的第八實施例)、球面波(如第3C圖所示的第九實施例)或其他類型之波形，此一參考光通常與照射目標物之光束產生自同一雷射光源。
第4A圖至第4F圖分別顯示本發明第十實施例至第十五實施例之數位全像成像系統的示意圖。第4A圖至第4F圖所示的實施例分別是在第2A圖至第2F圖所示的實施例中，在訊號光的光路上設置透鏡18或透鏡組，以調整訊號光場的分佈。
第4G圖和第4H圖分別顯示本發明第十六實施例和第十七實施例之數位全像成像系統的示意圖。本發明第4G圖所示的第十六實施例與第3A圖的差異在於：在此實施例中，在訊號光的光路上，目標物15與分光鏡17之間設置了透鏡18或透鏡組，以調整訊號光場的分佈。本發明第4H圖所示的第十七實施例與第3A圖的差異在於：在此實施例中，在訊號光的光路上，分光鏡17與影像偵測器16之間設置了透鏡18或透鏡組，以調整干涉條紋的分佈。
第4I圖至第4K圖分別顯示本發明第十八實施例至第二十實施例之數位全像成像系統的示意圖。第4I圖所示的實施例是將第4G圖中的平面波114替換為斜打平面波，第4J圖所示的實施例是將第4H圖中的平面波114替換為斜打平面波，而第4K圖所示的實施例是將第4H圖中的平面波114替換為球面波。
第5A圖至第5D圖顯示依本發明實現的實施例中導光管之側壁為傾斜 的示意圖。與本發明第1A圖和第1B圖所示之導光管14側壁垂直與影像偵測器16平面的例子相較，在本發明中，導光管14之側壁也可以設置成傾斜，如第5A圖至第5D圖所示。較佳地，導光管14之側壁與中垂線的夾角可為-70°至+70°之間。此外，導光管14的橫切面面積可大於或小於影像偵測器16的面積，也就是說，導光管14的橫切面面積不需與影像偵測器16的面積相同。
請參閱第6圖，其顯示本發明之全像影像的數值重建方法的流程示意圖。本發明所提供的全像影像的數值重建方法，適用於拍攝的目標物與影像偵測器之間設置有導光管的光學架構，所述方法包含如下步驟。
步驟S10：利用影像偵測器擷取目標物的干涉影像。
步驟S12：將該干涉影像轉換為資料矩陣。
步驟S14：沿該資料矩陣的多個邊進行多次鏡射，以擴張成一新的資料矩陣。
步驟S16：對該新的資料矩陣進行數值重建，以獲得該目標物所在平面之場分佈。
請參閱第7圖，以下將以第7圖所示的數位全像成像系統來說明本發明所提出的全像影像的數值重建方法。第7圖所示的數位全像成像系統使用點光源所產生之發散球面波照射目標物15，參考光12亦為發散球面波，產生參考光12之點光源位於與目標物15同一個平行於影像偵測器16之平面，導光管14位於目標物15與影像偵測器16之間，影像偵測器16上接收到原本之訊號光11與參考光12以及經導光管14側壁反射之訊號光11與參考光12。
在進行全像影像的數值重建之前，可採用高動態範圍拍攝技術，以獲取品質較佳的全像影像。這是因為訊號經導光管多次反射後交疊在一起，此時為了取得影像更細緻的變化，可以增加擷取影像的動態範圍(dynamic range)，以更多位元組儲存影像細節。在拍攝目標物時，先對同一畫面進行多次不同時間的曝光，再將所拍攝的多張照片以高動態範圍影像技術進行重組，即可獲得高動態範圍之干涉影像，藉由此高動態範圍之干涉影像可重建出高品質的全像影像。
假定經上述步驟後所取得的影像如第8A圖所示，若導光管側壁的傾斜角度為0度，經由硬體將所取得的影像轉換為二維資料矩陣(U00 )後，再以鏡射的方式將此二維資料矩陣擴大，其擴大的程度受限於導光管之鏡面反射率與影像偵測器的動態範圍。而擴大的方式為不斷將此資料矩陣對其中一個邊進行鏡射。舉例來說，將第8A圖所示的資料矩陣對右邊鏡射成第8B圖，將第8B圖對上邊鏡射成第8C圖，將第8C圖對左邊鏡射成第8D圖，將第8D圖對下邊鏡射成第8E圖，循著這樣的方式可以將資料矩陣不斷擴大，以此擴充後的資料矩陣進行數值重建即能夠突破空間頻寬的限制。在此將各個新增的資料矩陣編號表達成函數Ui,j (x,y)，如第8F圖所示，最後形成之資料矩陣中各新增的矩陣表示為：U ij (x ,y )=U 00 ((-1) i x ,(-1) j y ), (2)
若考量導光管鏡面反射率(Re)所造成的影響，各新增的矩陣可修正為：UJ ij (x ,y )=U 00 ((-1) i x ,(-1) j y )/Re|i |+|j | , (3)
將公式(2)或公式(3)所擴展成之矩陣命名為Umn ，其為訊號光(S mn )與 參考光(R mn )干涉之結果，表示如下：
接著，對該新的資料矩陣進行數值重建，以獲得該目標物所在平面之場分佈，其中除了要用來重建的訊號項以外，其它項為雜訊項。若要使用重建，則需將Umn 乘上，並朝正向傳遞至目標平面(即目標物所在平面)；若要使用重建，則需將Umn 乘上R mn ，並反向傳遞至目標平面，所謂反向傳遞是將傳遞距離乘上負1。需注意的是，R mn 為參考光經自由空間傳遞至Umn 擴張矩陣範圍內之參考光分佈，而非U00 範圍內之參考光分佈經矩陣擴展而成。
然而，此時在目標平面上除了有所要的訊號外還存在其他雜訊，移除這些雜訊的方式包含相移干涉術(phase shift interferometer)、遞迴式演算法(iterative algorithm)、空間濾波法(spacial filter)等，在此不再贅述。
若參考光為一個發散球面波，且目標平面與參考光之點光源位於同一平面上，則因為球面波於影像偵測器上的分布相當於一個球面透鏡之相位分布，當目標平面與影像偵測器距離夠長時，在目標平面上之場分布相當於對Umn 進行傅式轉換所獲得之結果，在此可使用快速傅立葉轉換進行計算，以獲得目標平面上之場分布：Target=FFT(Umn )， (5)
若目標平面與參考光之點光源雖位於同一平面上，但目標物與參考光之點光源距離過遠，則可加入一個相位項以進行平移，即
其中△x及△y分別為在x及在y方向上的平移距離，(x mn ,y mn )為擴張後矩陣之座標系，表示如下：
其中Lx 與Ly 分別為影像偵測器之取像範圍在x與y方向上的長度，t1 代表座標矩陣中的第t1 行(column)，t2 代表座標矩陣中的第t2 列(row)，Bx 及By 分別為影像偵測器在x與y方向上之畫素間距(pixel pitch)。
若目標平面與參考光之點光源不位於同一平面上，則計算方式較為複雜。首先，使用R mn 或乘上Umn ，以獲得Smn 矩陣，即代表訊號光之矩陣。若使用下式： 則要重建回目標平面之場分布所使用的傳遞距離為空間中之真實距離；若使用如下公式：S mn =R mn U mn , (10)則要重建回目標平面之場分布所使用的傳遞距離為空間中之真實距離乘上負1。
公式(5)-(10)所述的計算方式為特殊情況下的簡化計算方式，若系統不滿足簡化條件，在對擴張後新的資料矩陣進行數值重建時，通常會使用角頻譜傳播來計算由任意起始平面傳遞至任意目標平面之光場分布，其計算方式表達如後：FU1 =FET (U 0 )exp(i 2πz /λ (1-α 2 -β 2 )0.5 ), (11)
α =t 1 λ /L x 0 , (12)
β =t 2 λ /L y 0 , (13)
其中λ為光源波長，FFT為快速傅立葉轉換，U0 為起始平面，U1 為目標平面，FU1 為目標平面之頻譜分布，Lx0 與Ly0 分別為U0 之取像範圍在x與y方向上的長度，t1 代表矩陣中的第t1 行，t2 代表矩陣中的第t2 列，z代表傳遞距離。最終，以快速傅立葉反轉換(IFFT)獲得目標平面之場分佈為：U1 =IFFT(FU1 )。 (14)
直接使用公式(11)至(14)計算之缺點為目標平面之解析度受限於起始平面之解析度，若要使用Umn 獲得高解析度之目標平面影像，需進行空間傳遞上的估算。空間傳遞上的計算方式可為：(1)將起始平面進行內插擴張；(2)將起始平面進行內插擴張再切成等分大小進行傳播；(3)使用二段式菲涅耳轉換(Fresnel transform)；以及(4)使用雷利-索莫菲爾公式(Rayleigh-Sommfeld formula)直接積分，分述如後：
(1)將起始平面進行內插擴張
將Smn 矩陣等距內插擴張為M×N倍的矩陣，目標平面的頻譜(TargetF)可由以下公式計算：TargetF=FFT (S mn )exp(i 2πz 0 /λ (1-α 2 -β 2 )0.5 ), (15)
α =t 1 λ /mL x , (16)
β =t 2 λ /nL y , (17)
其中Lx 與Ly 分別為影像偵測器之取像範圍在x與y方向上的長度，t1 代表作標矩陣中的第t1 行，t2 代表作標矩陣中的第t2 列，zo 代表目標平面與 影像偵測器之間的距離。最終，以快速傅立葉反轉換(IFFT)獲得目標平面之場分佈為：Target=IFFT(TargetF) (18)
(2)將起始平面進行內插擴張再切成等分大小進行傳播
首先，將Smn 矩陣等距內插擴張至M×N倍，再將其在x及y方向上分成D x 及D y 等份，表示成Sd ij ，Sd ij (即x方向第d i 等份，y方向第d j 等份)，中心位於，分別將各等份傳播至目標平面中心位置。
接著，使用角頻譜傳播方式計算出傳遞至目標平面之角頻譜分布，如下：FSdij =FFT (Sd ij )exp(i 2πz 0 /λ (1-α 2 -β 2 )0.5 ), (19)考慮Sdij 的位置，可算出Targetdij 在目標平面中心位置的角頻譜分布為： 其中(v x ,v y )為角頻譜之座標系，表示如下：v x =t 1 /mL x , (21)
v y =t 2 /nL y , (22)
使用以上方式算出各鏡射擴增矩陣傳至目標平面之角頻譜分布後，接著可將各角頻譜分布相加後得到目標平面之角頻譜分布，如下：
最後，以快速傅立葉反轉換獲得目標平面之場分布，同公式(18)之計算方式，表示如下：Target=IFFT(TargetF)。 (24)
(3)二段式Fresnel Transform
當目標平面與影像偵測器距離夠長時可使用Fresnel Transform計算目標平面之場分布，Smn 中各元素對應之空間座標為： 其中t1 代表座標矩陣中的第t1 行，t2 代表座標矩陣中的第t2 列，其中Bx 及By 分別為影像偵測器在x與y方向上之畫素間距。
二段式Fresnel Transform中第一段傳遞以Fresnel Transform傳遞至中介平面，此中介平面與Smn 相距za ，與物相距zb ，最終目標平面上的解析度放大率為zb 與za 的比值，故由總距離zo 及目標放大率(Mag)，可以算出：
此時，傳遞至中介平面上之場分布Smid 可由以下方式算出：
其中(x mid ,y mid )為中介平面之座標系，表示如下：
二段式Fresnel Transform中第二段傳遞是由中介平面傳遞至目標平面，目標平面之場分佈表示如下： 其中(ξ,η)為目標平面之座標系，藉由調整za 與zb 的比例可以調整影像之解析度，表示如下：
(4)使用Rayleigh-Sommfeld直接積分
使用Rayleigh-Sommfeld Diffracion Theory，其中Smn 中各元素對應之空間座標如下：
z mn =0, (37)
令目標平面之座標為(ξ,η,zo )，則可獲得目標平面與Smn 中各畫素的距離r為
將上式代入Rayleigh-Sommfeld Diffracion Theory進行積分，得到目標平面之場分佈為：
當導光管側壁的傾斜角度θ(即與中垂線的夾角)等於0度時(如第1A圖和第1B圖所示)，擴增之矩陣Uij 與原始的資料矩陣U00 位於空間中同一平面上。若導光管側壁的傾斜角度θ不等於0度(如第5A圖至第5D圖所示)，雖可用鏡射的方式將此資料矩陣擴大，但其擴增之矩陣Uij 不會與原始的資料矩陣U00 位在空間中同一平面上，此時鏡射擴增之矩陣Uij 必須在空間中旋轉2θ角度。
由於鏡射擴增之矩陣Uij 與原矩陣U00 不在同一個平面上，無法以前述之方式推算出目標平面之電場分布，因此在空間傳遞上的計算方式需使用以下兩種解決方式：(1)Rayleigh-Sommfeld直接積分；以及(2)在自由空間中彼此旋轉與位移平面間之光傳播之快速傅立葉轉換解法。
(1)Rayleigh-Sommfeld直接積分
使用Rayleigh-Sommfeld Diffracion Theory計算出各Targetij ，再將其彼此相加，以Target10 為例，U10 上的各元素對應之空間座標如下：
z 10 =t 1 B x sin(2θ ), (42)其中t1 代表座標矩陣中的第t1 行，t2 代表座標矩陣中的第t2 列，其中Bx 及 By 分別為影像偵測器在x與y方向上之畫素間距。以此空間座標，可計算出傳遞至此位置之參考光R10 ，接著使用參考光之共軛光乘上U10 ，獲得S10 矩陣，表示如下：
垂直於S10 矩陣平面之單位向量為：
假設目標平面之座標為(ξ,η,zo )，S10 中各元素指向目標平面特定點之向量為：
目標平面與S10 中各元素的距離r010 為|r010 |，則將S10 帶入Rayleigh-Sommfeld Diffracion Theory可算出其所對應的Target10 ，如下： 以相同方式算出各矩陣Sij 所對應之目標平面場分布(Targetij )後，再將各種算法所得到的場分布加在一起，即可得到目標平面之場分布，如下：
上述計算方式之速度取決於目標平面之取樣點數，當取樣點數過多時，電腦計算速度將會降低，改良方式之一是使用算出Smn 的任一種方式推算出S00 對應的Target00 ，再使用Rayleigh-Sommfeld Diffracion Theory算出Target00 以外的Targetij ，再將其彼此加起來。
(2)在自由空間中彼此旋轉與位移平面間之光傳播之快速傅立葉轉換解法
首先，使用角頻譜傳播方式算出傳遞至目標平面之角頻譜分布，如下：FS10 =FFT (S 10 )exp(i 2πz 10 /λ (1-α 2 -β 2 )0.5 ), (48)其中傳遞距離為：
接著，使用座標旋轉矩陣將角譜進行座標轉換，如下： 其中旋轉矩陣為：
將原角譜座標中的場分佈FS10 (v x ,v y ,v z )映射(mapping)至新座標中的場分布RFS10 (v x0 ’ ,v y0 ’ ,v z0 ’ )，其中若發生v z0 ’ 小於零或vz0 ’存在虛部，即v z0 ’ <0 ， (52)
Im[v z0 ’ ]≠0， (53)則令其所對應的場分布為零。接著，將轉換後的角譜分佈以內插方式映射至等距分布之角譜座標中得到新的RFS10 (v x ’ ,v y ’ ,v z ’ )。
接著，將頻譜分布之中心位移至目標平面的中心，位移量為：
可算出Target10 的頻譜分布為：
使用以上方式算出各鏡射擴增矩陣傳至目標物平面之角頻譜分布後，再將各角頻譜分布相加後得到物之角頻譜分布，如下：
最後，以快速傅立葉反轉換獲得目標平面之場分布，如下：Target=IFFT(TargetF)。 (57)
綜上所述，雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
11‧‧‧訊號光
12‧‧‧參考光
14‧‧‧導光管
15‧‧‧目標物
16‧‧‧影像偵測器
17‧‧‧分光鏡
18‧‧‧透鏡
112‧‧‧球面波
114‧‧‧平面波
S10~S16‧‧‧步驟
第1A圖顯示本發明之數位全像成像系統的架構示意圖。
第1B圖顯示本發明之數位全像成像系統的另一架構示意圖。
第2A圖顯示本發明第一實施例之數位全像成像系統的示意圖。
第2B圖顯示本發明第二實施例之數位全像成像系統的示意圖。
第2C圖顯示本發明第三實施例之數位全像成像系統的示意圖。
第2D圖顯示本發明第四實施例之數位全像成像系統的示意圖。
第2E圖顯示本發明第五實施例之數位全像成像系統的示意圖。
第2F圖顯示本發明第六實施例之數位全像成像系統的示意圖。
第3A圖顯示本發明第七實施例之數位全像成像系統的示意圖。
第3B圖顯示本發明第八實施例之數位全像成像系統的示意圖。
第3C圖顯示本發明第九實施例之數位全像成像系統的示意圖。
第4A圖顯示本發明第十實施例之數位全像成像系統的示意圖。
第4B圖顯示本發明第十一實施例之數位全像成像系統的示意圖。
第4C圖顯示本發明第十二實施例之數位全像成像系統的示意圖。
第4D圖顯示本發明第十三實施例之數位全像成像系統的示意圖。
第4E圖顯示本發明第十四實施例之數位全像成像系統的示意圖。
第4F圖顯示本發明第十五實施例之數位全像成像系統的示意圖。
第4G圖顯示本發明第十六實施例之數位全像成像系統的示意圖。
第4H圖顯示本發明第十七實施例之數位全像成像系統的示意圖。
第4I圖顯示本發明第十八實施例之數位全像成像系統的示意圖。
第4J圖顯示本發明第十九實施例之數位全像成像系統的示意圖。
第4K圖顯示本發明第二十實施例之數位全像成像系統的示意圖。
第5A圖至第5D圖顯示依本發明實現的實施例中導光管之側壁為傾斜的示意圖。
第6圖顯示本發明之全像影像的數值重建方法的流程示意圖。
第7圖顯示根據本發明實施例實現的數位全像成像系統的示意圖。
第8A圖至第8F圖顯示本發明之全像影像數值重建方法中對資料矩陣進行擴張的示意圖。
11‧‧‧訊號光
14‧‧‧導光管
16‧‧‧影像偵測器

Claims (19)

  1. 一種數位全像成像系統，用以拍攝一目標物，並以全像影像資料儲存，所述系統包含：訊號光，其由一光源照射該目標物後而形成；一影像偵測器，用以記錄該訊號光的干涉條紋；一導光管，設置在該訊號光的光路上以及該目標物與該影像偵測器之間，其中該導光管具有傾斜θ 角度之反射面，部份之訊號光經由該導光管之反射面反射後進到該影像偵測器；以及一硬體模組，將干涉條紋的干涉影像轉換為初始的一資料矩陣，該資料矩陣係二維矩陣U 00 ，該資料矩陣於三度空間中對於至少一個反射鏡面進行至少一次鏡射後，以擴張形成連續再鏡射後的該資料矩陣，並對連續再鏡射後的該資料矩陣進行數值重建，以獲得該目標物所在平面之場分佈。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之數位全像成像系統，其中該導光管之橫向切面為矩形。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之數位全像成像系統，其中θ 角介於-70°至+70°之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之數位全像成像系統，其中該訊號光是與該光源發出的光線相互干涉而產生該干涉條紋。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之數位全像成像系統，其中照射該目標物之光源係為發散球面波。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之數位全像成像系統，其中該訊號光與參考光相互干涉而產生該干涉條紋。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之數位全像成像系統，更包含一分光鏡，該光源經過該分光鏡分成兩道光束，其中一道光束作為該參考光，另一道光束照射該目標物後形成該訊號光。
  8. 一種全像影像的數值重建方法，其係適用於申請專利範圍第1項所述的數位全像成像系統，且其反射面之傾斜角度為0度時，所述方法包含步驟：利用一影像偵測器擷取一目標物的一干涉影像；將該干涉影像轉換為初始的一資料矩陣，該資料矩陣係二維矩陣為U 00 ；沿初始的該資料矩陣的至少一個邊進行至少一次鏡射後再鏡射，以擴張形成連續再鏡射後的該資料矩陣；以及對連續再鏡射後的該資料矩陣進行數值重建，以獲得該目標物所在平面之場分佈。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之全像影像的數值重建方法，其中於利用該影像偵測器擷取該目標物的該干涉影像的步驟中，包含：對同一畫面進行複數次不同時間的曝光；以及將所拍攝的複數張影像進行重組，以得出該目標物的該干涉影像。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之全像影像的數值重建方法，其中若該目標物與參考光之光源皆位於與該影像偵測器表面平行的同一個平面上，且該參考光為發散球面波，則對該新的該資料矩陣使用快速傅立葉轉換進行計算，以獲得該目標物所在平面之場分布。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之全像影像的數值重建方法，其中若 該目標物與該參考光之光源相距一段距離，則將該新的該資料矩陣乘上一個相位項再使用快速傅立葉轉換進行計算，以獲得該目標物所在平面之場分布。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之全像影像的數值重建方法，其中在計算該目標物所在平面之場分布的過程中，使用角頻譜傳播之計算方式對該新的該資料矩陣進行數值重建，以獲得該目標物所在平面之場分佈。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之全像影像的數值重建方法，其中在計算該目標物所在平面之場分布的過程中，將起始平面進行內插擴張以進行空間傳遞上的估算。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之全像影像的數值重建方法，其中在計算該目標物所在平面之場分布的過程中，將起始平面進行內插擴張再切成等分大小以進行空間傳遞上的估算。
  15. 如申請專利範圍第8項所述之全像影像的數值重建方法，其中在計算該目標物所在平面之場分布的過程中，使用二段式菲涅耳轉換以進行空間傳遞上的估算。
  16. 如申請專利範圍第8項所述之全像影像的數值重建方法，其中在計算該目標物所在平面之場分布的過程中，使用雷利-索莫菲爾公式以進行空間傳遞上的估算。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之全像影像的數值重建方法，其中若該導光管側壁與中垂線的夾角為θ，其不等於0度，則在對該資料矩陣的其中一個邊進行鏡射的步驟中，將該資料矩陣在空間中旋轉2θ角度。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之全像影像的數值重建方法，其中在 計算該目標物所在平面之場分布的過程中，使用雷利-索莫菲爾公式以進行空間傳遞上的估算。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之全像影像的數值重建方法，其中在計算該目標物所在平面之場分布的過程中，使用在自由空間中彼此旋轉與位移平面間之光傳播之快速傅立葉轉換求解。
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