一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像方法和系统技术方案

本发明专利技术提供一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像方法和系统，包括将空间光调制器加载双透镜模式；在空间光调制器上加载相移角度为0°的相位掩模；通过图像采集装置记录0°相移全息图；利用0°相移全息图H1分别构建出120°相移全息图H2、240°相移全息图H3，将三幅相移全息图叠加后得到复值全息图H；将复值全息图在计算机中应用角谱衍射法进行再现。本发明专利技术通过在空间光调制器上加载双透镜相位掩模记录下0°全息图，利用该全息图构造出120°以及240°全息图，通过三步相移干涉技术去除零级像和共轭像的干扰，对叠加后的复值全息图采用角谱法进行重建获取重建像。该方法实现了共路同轴的非相干数字全息单次曝光成像，兼具了FINCH技术的优点，为非相干数字全息术的实时成像提供有力保障。

A Fresnel Incoherent Digital Holographic Single Exposure Imaging Method and System

【技术实现步骤摘要】
一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像方法和系统
本专利技术属于光学衍射成像和非相干数字全息
，具体涉及一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像方法与系统。
技术介绍
近年来，随着计算机、高分辨率电荷耦合器(CCD)和空间光调制器(SLM)的进步，数字全息术得到迅速发展，非相干全息术的提出突破了全息记录必须使用相干光照明的局限，发挥出了独特的优势，其中最引人注目的技术是JosephRosen等提出的基于SLM的菲涅尔非相干相关全息术(FINCH)。FINCH技术记录过程中无需扫描、移动任何光学器件，可以快速获取物体的三维信息，实现了共路同轴的非相干数字全息记录，相比于传统的数字全息成像具有稳定性强、分辨率高、成像速度快等优点，广泛应用于荧光显微成像，共聚焦显微成像和望远镜成像。但由于FINCH系统同轴光路配置下零级像、原始像和共轭像相互之间存在干扰，需要采用相移干涉技术利用多个全息图的叠加去除零级像和共轭像，因此至少需要两次拍摄记录，不利于动态物体的瞬时测量。因此，为了能够实现FINCH系统的单次曝光记录，科研人员进行了相关研究。例如，2016年，YuhongWan等人将菲涅尔非相干相关全息显微技术与平行相移技术相结合，可瞬时获得空间复用相移全息图，但由于采样不充分引入了噪声，需要利用压缩传感算法获取质量较高的重建像，过程需要3240秒，比较费时，难以实现实时成像。2017年，XiangyuQuan等人通过使用具有衍射光栅的双聚焦透镜提出了非相干数字全息单次曝光方法，引入的衍射光栅可以生成离轴全息图并减少SLM中未调制光的零级项和其它噪声，在不需要相移的情况下对简单的点光源进行了全息记录并获取重建像，然而该方法适用于对低密度、低相干物体进行全息记录。2018年，DongLiang等人利用几何相位透镜代替空间光调制器，并与具有微偏振器阵列的相机相结合，利用平行相移数字全息技术可以获得包含多个相移干涉信息的全息图，通过四步相移法获取复合全息图，实现了菲涅耳非相干同轴数字全息的单次曝光记录，虽然该方法光路简单紧凑，但获得的全息图的重建像质量较差。
技术实现思路
本专利技术提供了一种通过对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，利用0°全息图构建出其他相移角度的全息图，通过单次曝光记录0°全息图，实现FINCH系统的三步相移单次曝光记录的方法。本专利技术采用以下技术方案：一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像方法，将空间光调制器加载双透镜模式；在空间光调制器上加载相移角度为0°的相位掩模；通过图像采集装置记录0°相移全息图；利用0°相移全息图H1分别构建出120°相移全息图H2、240°相移全息图H3，将三幅相移全息图叠加后得到复值全息图H；将复值全息图在计算机中应用角谱衍射法进行再现。所述图像采集装置为CCD；所述利用0°相移全息图H1分别构建出120°相移全息图H2、240°相移全息图H3的方法包括：空间光调制器上加载两个曲率半径不同的透镜，空间光调制器的反射系数R(x,y)为：其中λ为工作波长；B和B'为常数；fd1和fd2为加载透镜焦距；i是复数单位，具体来说，本专利技术的公式为从傅里叶变换公式变换得到，i为傅里叶变换公式中的复数i，θ为相移常数；CCD表面强度分布为：C和C1是复常数，是C1的复共轭，MT是系统横向放大率，zr是再现距离，表示物体所在平面空间位置坐标，(x,y)表示CCD所在平面空间坐标；CCD图像传感器平面上的相移干涉图为：g(xs,ys,zs)为非相干光照射下物体表面反射或透射光强度，*表示卷积；利用小波变换方法去除直流项C；当相移角度θ为0°时有：点源全息图H1为：同理，当相移角度分别为120°、240°时，点扩散函数分别为：根据以上公式将全息图H2、H3用含有H1的式子近似表达出来，即：根据三步相移公式得到复值全息图H(x,y)，H(x,y)＝H1(x,y)[exp(±iθ3)-exp(±iθ2)]+H2(x,y)[exp(±iθ1)-exp(±iθ3)]+H3[exp(±iθ2)-exp(±iθ1)]其中D为常数。空间光调制器加载双透镜模式时，随机选取一半像素加载焦距为fd1的透镜，另一半像素加载焦距为fd2的透镜。所述空间光调制器为相位型反射式空间光调制器加载两个不同半径的球面波。所述图像采集装置为高分辨率CCD或者CMOS。一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像记录装置，包括：用于在空间光调制器上加载双透镜模式的装置；用于在空间光调制器上加载0°相位掩模的装置；用于记录全息图的图像采集装置；用于利用0°相移全息图分别构建出120°、240°相移全息图，将三幅相移图叠加后得到复值全息图的装置；根据复值全息图在计算机中应用角谱衍射法进行全息图的再现。所述空间光调制器为相位型反射式空间光调制器。所述图像采集装置为高分辨率CCD或者CMOS。本专利技术的有益效果：通过在空间光调制器上加载双透镜相位掩模记录下0°全息图，利用该全息图构造出120°以及240°全息图，通过三步相移干涉技术去除零级像和共轭像的干扰，对叠加后的复值全息图采用角谱法进行重建获取重建像。该方法实现了共路同轴的非相干数字全息单次曝光成像，兼具了FINCH技术的优点，为非相干数字全息术的实时成像提供有力保障。附图说明图1为本专利技术装置结构图。图2为模拟实验结果，(a)为0°全息图，(b)为利用小波变换去除直流项之后的全息图，(c)为再现像，(d)为原始图像。图3为SLM加载掩模示意图。图4为0°相移全息图。图5为再现像。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术提供一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像方法，通过在空间光调制器上加载双透镜模式记录0°全息图，利用该全息图构建出120°、240°全息图完成三步相移干涉处理，实现FINCH系统的单次曝光记录。本专利技术的方法包括以下步骤：STP1：将空间光调制器加载双透镜模式。STP2：在空间光调制器上加载相移角度为0°的相位掩模。STP3：通过图像采集装置记录0°相移全息图H1。图像采集装置选择高分辨率CCD或者CMOS。STP4：利用0°相移全息图H1分别构建出120°相移全息图H2、240°相移全息图H3；将获得的三幅相移全息图叠加去除零极像和共轭像并得到复值全息图H。STP5：将复值全息图H在计算机中应用角谱衍射法进行再现。上述的STP1中，本专利技术在空间光调制器加载双透镜模式时，利用空间光调制器的纯相位模式，选择随机加载的方式，即随机选取一半像素加载焦距为fd1的透镜，另一半像素加载焦距为fd2的透镜，形成对入射光波分光的衍射分光图样加载在空间光调制器上。作为一种实施方式，计算机通过制备焦距分别为245mm和255mm的双透镜掩模加载在空间光调制器上，由CCD记录下0°全息图，利用0°全息图构建出其他角度全息图，最后对全息图采用角谱法进行再现，即可重建出任意重建距离处的重建像。利用0°相移全息图H1分别构建出120°相移全息图H2、240°相移全息图H3的方法包括：空间光调制器上加载两个曲率半径不同的透镜，空间光调制器的反射系数R(x,y)为：其中，λ为工作波长；B和B'为实常数；fd1和fd2为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像方法，其特征在于：将空间光调制器加载双透镜模式；在空间光调制器上加载相移角度为0°的相位掩模；通过图像采集装置记录0°相移全息图；利用0°相移全息图H1分别构建出120°相移全息图H2、240°相移全息图H3，将三幅相移全息图叠加后得到复值全息图H；将复值全息图在计算机中应用角谱衍射法进行再现。

【技术特征摘要】
1.一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像方法，其特征在于：将空间光调制器加载双透镜模式；在空间光调制器上加载相移角度为0°的相位掩模；通过图像采集装置记录0°相移全息图；利用0°相移全息图H1分别构建出120°相移全息图H2、240°相移全息图H3，将三幅相移全息图叠加后得到复值全息图H；将复值全息图在计算机中应用角谱衍射法进行再现。2.根据权利要求1所述的一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像方法，其特征在于：所述图像采集装置为CCD；所述利用0°相移全息图H1分别构建出120°相移全息图H2、240°相移全息图H3的方法包括：空间光调制器上加载两个曲率半径不同的透镜，空间光调制器的反射系数R(x,y)为：其中λ为工作波长；B和B'为常数；fd1和fd2为加载透镜焦距；i是复数单位，θ为相移常数；CCD表面强度分布为：C和C1是复常数，是C1的复共轭，MT是系统横向放大率，zr是再现距离，表示物体所在平面空间位置坐标，(x,y)表示CCD所在平面空间坐标；CCD图像传感器平面上的相移干涉图为：g(xs,ys,zs)为非相干光照射下物体表面反射或透射光强度，*表示卷积；利用小波变换方法去除直流项C；当相移角度θ为0°时有：点源全息图H1为：同理，当相移角度分别为120°、240°时，点扩散函数分别为：根据以上公式将全息图H2、H3用含有H1的式子近似表达出来，即：根据三步相移公式得到复值全息图H(x,y)，H(x,y)＝H...

【专利技术属性】
技术研发人员：弓巧侠，汤明玉，武梦婷，马凤英，杜艳丽，段智勇，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南,41