消除单光束同轴数字全息直流项和共轭像的方法技术

一种消除单光束同轴数字全息直流项和共轭像的方法，采用光学4f系统，待测物体放置在4f系统的输入面上并用沿光轴传播的平面光波照射待测物体，空间频谱面上的零频空间频率分量对应于直透参考光波，高频空间频率分量对应于衍射物光波；在空间频谱面上采用可分像元控制的纯相位空间光调制器单独对零频空间频率分量施加相移，实现直透参考光波和衍射物光波的相移干涉；然后采用相移干涉波前恢复算法再现原物光波，从而消除直流项和共轭像。该方法解决了单光束同轴数字全息因直透参考光波与衍射物光波空间重叠而无法实施相移的问题，实现了相移干涉，从而消除了再现光波场中直流项和共轭像的影响，提高了再现像的像质。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于消除单光束同轴数字全息直流项和共轭像的分频相移干涉方法，属于激光数字全息与光学检测

技术介绍
自二十世纪九十年代中后期开始，随着面阵光电探测器(如C⑶等)、计算机及数字图像处理技术的迅速发展，数字全息术及其在不同领域的应用研究受到研究者们的广泛关注。数字全息术采用面阵光电探测器代替传统光学全息中的全息干板来记录全息图，并把记录的全息图以数字图像形式存入计算机，再根据光波衍射传播原理数值再现得到物光波的复振幅分布。与传统光学全息相比，数字全息不需要显影、定影与漂白等化学处理过程，其记录和再现更加简便快捷、更容易实现数字化与自动化，并且可分别得到物光波的振幅分布和相位分布，因此更有助于进行精确的定量测量与检测。近年来，随着面阵光电探测器性能(如分辨率等)的不断提高，有关数字全息术在生物医学显微成像与检测、光学干涉测量、三维物体显示、光学图像加密、颗粒场检测及流体动力学分析等方面的应用研究得到了飞速发展，数字全息术已成为目前现代光学中发展十分迅速的一个分支。数字全息再现时，在再现光波场中除了所需要的再现像外还同时存在直流项和共轭像，直流项和共轭像的存在会影响再现像的质量。如何降低或消除直流项和共轭像、从而提高再现像质量，是数字全息领域的重点研究内容之一。根据记录光路结构的不同，数字全息大致可分为离轴数字全息、双光束同轴数字全息及单光束同轴数字全息三大类。针对不同类型的数字全息，为降低或消除直流项和共轭像所采取的方法也不同。在离轴数字全息中，物光波和参考光波以一定夹角入射到面阵光电探测器记录面上，通过选取适当的夹角，可以使直流项、共轭像及再现像的频谱在频谱面上分离。因此，一般采用傅里叶变换频谱滤波方法消除直流项和共轭像。离轴数字全息的优点是只需要记录一幅全息图，适合于对动态物体进行成像显示或检测，缺点是其空间分辨率和视场大小受目前面阵光电探测器的成像面小和像元尺寸较大的限制。在同轴数字全息中，物光波和参考光波以相同方向入射到面阵光电探测器的记录面上。与离轴数字全息相比，在相同的面阵光电探测器空间分辨能力下，同轴数字全息可记录更高空间频率的物光波信息，从而具有更高的空间分辨率和更大的视场。同轴数字全息的缺点是再现光波中的直流项和共轭像与再现像在空间上交叠，不能采用傅里叶变换频谱滤波方法消除直流项和共轭像。对于双光束同轴数字全息，因其物光波和参考光波分别通过不同的光学器件和路径，所以，可以比较方便地采用相移器件单独改变参考光波的相位，实现相移干涉，利用记录得到的多幅相移干涉图并采用相应的相移干涉波前恢复算法，就可以消除直流项和共轭像。单光束同轴数字全息的最大优点是:直透参考光波和衍射物光波经历相同的路径和光学器件，其光路简单、受环境振动和空气扰动影响小，且对光源的相干性和记录介质(或器件)的空间分辨率要求较低。单光束同轴数字全息是一类具有重要用途的全息技术，可应用于生物医学显微成像与检测、光学干涉测量、颗粒场检测及流体动力学分析等方面。针对单光束同轴数字全息，为了尽量消除直流项和共轭像的影响，近年来文献中已经提出了多种方法，如基于数字图像处理技术的方法及在不同距离处记录多幅全息图的方法等，这些方法尽管具有一定效果，但还不能完全消除直流项和共轭像的影响。与双光束同轴数字全息不同，单光束同轴数字全息不需要另外引入参考光波，只需要一束照射待测物体的光波，物体透射光波场中的零频成分(直透光波)和高频成分(衍射光波)分别作为全息记录中的参考光波和物光波。由于此时的直透参考光波和衍射物光波在空间上不能分离，所以双光束同轴相移数字全息中通常采用的施加相移的方法不再适用于单光束同轴数字全息，无法用一般的相移干涉方法去除直流项和共轭像。目前为止，还没有关于在单光束同轴数字全息采用相移干涉消除直流项和共轭像的文献报道。在保留单光束同轴数字全息的优点并充分利用面阵光电探测器的空间分辨能力的前提下，寻求更有效的消除直流项和共轭像的新方法，具有十分重要的意义及有很大的应用价值。
技术实现思路
本专利技术针对单光束同轴全息直流项和共轭像的消除问题，提供一种，该方法可同时发挥单光束同轴数字全息和相移干涉的优点，不仅可提高单光束同轴全息再现像的质量和检测精度，而且可拓展其应用领域。本专利技术的，是:根据阿贝二次成像理论和空间滤波原理，单光束同轴全息中的直透参考光波对应于零频空间频率分量，衍射物光波对应于高频空间频率分量，尽管二者在空间域中不能分离，但在空间频率域中是空间分离的；采用光学4f系统，待测物体放置在4f系统的输入面上并用沿光轴传播的平面光波照射待测物体，空间频谱面上的零频空间频率分量(位于光轴上)对应于直透参考光波，高频空间频率分量(位于光轴之外)对应于衍射物光波；在空间频谱面上采用可分像元控制的纯相位空间光调制器(Phase-only Spatial LightModulator, P-SLM)单独对零频空间频率分量施加相移，实现直透参考光波和衍射物光波的相移干涉；然后采用相移干涉波前恢复算法再现原物光波，从而消除直流项和共轭像。所采用的可分像元控制的纯相位空间光调制器，可以是透射式纯相位空间光调制器，也可以是反射式纯相位空间光调制器，包括:纯相位液晶空间光调制器(Phase-onlyLiquid Crystal Spatial Light Modulator, P-LCSLM),基于数字微镜器件(DigitalMicromirror Device, DMD)的纯相位空间光调制器,及其它类型可分像元控制的纯相位空间光调制器。通过编程，可分别设置显示在纯相位空间光调制器每个像元上的灰度值，或分别控制纯相位空间光调制器每个像元的驱动信号大小，从而对不同的空间频率成分实现相位调制和相移控制。可根据空间光调制器的像元大小并通过改变被调制像元的数目，来对不同的空间频率范围实现相位调制和相移控制。所采用的光学4f系统，根据所采用的纯相位空间光调制器的具体工作方式不同，可以具有多种不同的光路结构形式:(a)采用透射式纯相位空间光调制器的双傅里叶变换透镜光路图1，(b)采用反射式纯相位空间光调制器的双傅里叶变换透镜光路图2，(C)采用反射式纯相位空间光调制器的单傅里叶变换透镜光路图3。双傅里叶变换透镜光路图1和图2可以通过灵活选取两个傅里叶变换透镜的焦距，改变物像放大率。单傅里叶变换透镜光路图3中的两次傅里叶变换共用一个傅里叶变换透镜，物像放大率为1，光路结构简单，可进一步减小机械振动及空气扰动的影响。所采用的相移干涉波前恢复算法，可以是传统的等步长或定步长相移干涉波前恢复算法，也可以是相移量未知的广义相移干涉波前恢复算法。本专利技术的方法基于空间频谱域不同频率分量空间分离的特点，采用光学4f系统与纯相位空间光调制器相结合，在保持单光束同轴数字全息光路简单、受环境振动和空气扰动影响小、对光源相干性和记录器件空间分辨率要求较低等特点的基础上，解决了单光束同轴数字全息因直透参考光波与衍射物光波空间重叠而无法实施相移的问题，实现了相移干涉，从而消除了再现光波场中直流项和共轭像的影响，提高了再现像的像质。附图说明图1是采用透射式纯相位空间光调制器的双傅里叶变换透镜光路示意图。图2是采用反射式纯相位空间光调制器的双傅里叶变换透镜光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种消除单光束同轴数字全息直流项和共轭像的方法，其特征是：根据阿贝二次成像理论和空间滤波原理，单光束同轴全息中的直透参考光波对应于零频空间频率分量，衍射物光波对应于高频空间频率分量，尽管二者在空间域中不能分离，但在空间频率域中是空间分离的；采用光学4f系统，待测物体放置在4f系统的输入面上并用沿光轴传播的平面光波照射待测物体，空间频谱面上的零频空间频率分量对应于直透参考光波，高频空间频率分量对应于衍射物光波；在空间频谱面上采用可分像元控制的纯相位空间光调制器单独对零频空间频率分量施加相移，实现直透参考光波和衍射物光波的相移干涉；然后采用相移干涉波前恢复算法再现原物光波，从而消除直流项和共轭像。

【技术特征摘要】
1.一种消除单光束同轴数字全息直流项和共轭像的方法，其特征是: 根据阿贝二次成像理论和空间滤波原理，单光束同轴全息中的直透参考光波对应于零频空间频率分量，衍射物光波对应于高频空间频率分量，尽管二者在空间域中不能分离，但在空间频率域中是空间分离的；采用光学4f系统，待测物体放置在4f系统的输入面上并用沿光轴传播的平面光波照射待测物体，空间频谱面上的零频空间频率分量对应于直透参考光波，高频空间频率分量对应于衍射物光波；在空间频谱面上采用可分像元控制的纯相位空间光调制器单独对零频空间频率分量施加相移，实现直透参考光波和衍射物光波的相移干涉；然后采用相移干涉波前恢复算法再现原物光波，从而消除直流项和共轭像。2.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉荣，杜延龙，李杰，刘迪，孟祥锋，杨修伦，王青圃，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：