非相干三角数字全息彩色三维成像系统与方法技术方案

非相干三角数字全息彩色三维成像系统，包括：白光光源（1），第一透镜（2），第一干涉滤波片（3），第二干涉滤波片（4），第三干涉滤波片（5），第二透镜（6），非相干物体（7），第三透镜（8），第一偏振片（9），偏振分光棱镜（10），第四透镜（11），第一反射镜（12），第二反射镜（13），第五透镜（14），第二偏振片（15），第六透镜（16），图像采集设备（17），计算机（18）；白光光源（1）位于第一透镜（2）的前焦面位置，到第一透镜（2）的距离为fc1；非相干物体（7）位于第二透镜（6）的后焦面附近位置，到第二透镜（6）的距离为fc2；非相干物体（7）位于第三透镜（8）的前焦面，到第三透镜（8）的距离为f0，第一偏振片（9）位于第三透镜（8）的后焦面，到第三透镜（8）的距离为f0；第一偏振片（9）到第四透镜（11）和第五透镜（14）的距离分别为它们的焦距f1和f2，第四透镜（11）至第一反射镜（12）至第二反射镜（13）至第五透镜（14）的距离之和为第四透镜（11）与第五透镜（14）的焦距之和f1+f2；第二偏振片（15）到第四透镜（11）和第五透镜（14）的距离分别为它们的焦距f1和f2；第六透镜（16）至第二偏振片（15）的距离为透镜（16）焦距的二倍2f3；图像采集设备（17）至第六透镜（16）的距离为透镜（16）焦距的二倍2f3；偏振分光棱镜（10）、透镜（11）和透镜（14）、反射镜（12）和反射镜（13）构成传统三角干涉仪，从非相干物体（7）上发出的光波沿顺时针以及逆时针两个不同的方向通过由透镜11和透镜14构成的同一个望远系统，沿这两个方向通过系统的光波具有不同的放大倍率，且由于它们在光路中传播的路程完全相同，使得它们之间的光程差小于光源的时间相干长度；这两束具有不同放大倍率的光波产生的干涉条纹中记录了物体（7）的强度信息以及三维位置信息；其特征在于，引入第三透镜（8），实现傅里叶变换全息图的记录；使光路中第一反射镜（12）的法线方向偏离系统光轴位置，从而在全息图中引入空间载频，实现离轴记录；图像采集设备（17）记录全息图，并在计算机中（18）对所记录的全息图进行快速傅里叶变换得到物体（7）的再现像；通过三个干涉滤波片（3）、（4）和（5）对白光光源进行滤波，分别使用所产生的对应红色、绿色和蓝色光波段的准单色光作为系统照明光源，并记录三幅全息图，在计算机（18）中分别对三幅全息图进行再现，并通过彩色图像放大倍率配准算法以及彩色图像横向位置配准算法对三幅再现像进行配准，获得物体（7）的真彩色三维再现像。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种。所述系统包括白光光源，第一～六透镜，第一～三干涉滤波片，第一和第二偏振片，偏振分光棱镜，第一和第二反射镜，图像采集设备，计算机。其特征在于在传统三角干涉仪基础上增加傅里叶变换透镜，同时使第一反射镜法线方向偏离系统光轴，实现非相干离轴傅里叶变换全息图记录。所述方法通过将三个干涉滤波片对白光光源进行窄带滤波所产生的红绿蓝准单色光作为照明光源，生成并记录三幅全息图；在计算机中分别对三幅全息图进行再现，并对三幅再现像进行配准；融合三颜色通道再现像合成真彩色图像。本专利技术可以快速获得非相干物体的彩色全息再现像，实现非相干物体的三维彩色成像。【专利说明】
本专利技术属于数字全息与三维成像
，涉及一种基于非相干数字全息技术实现非相干彩色三维成像的系统与方法。
技术介绍
全息术具有对物体进行三维成像的特点，自专利技术以来便受到了广泛的关注。但是，对于相干光源的依赖在很大程度上限制了传统全息术在很多领域中的具体应用。非相干全息术的出现，使得全息术摆脱了对于相干光源的依赖，将其应用领域扩展到天文观测、生物荧光等非相干光学成像领域。利用非相干光源的点源自相干特性，通过不同的方法对物体发出的光波进行分束，将物体的三维信息编码到一系列相互独立的菲涅耳波带片强度分布中，便可以实现非相干全息图的记录。2007年由J.Rosen提出的菲涅耳非相干关联全息术(Fresnel Incoherent Correlation holography, FINCH)使用空间光调制器(SpatialLight Modulator, SLM)作为分光元件,实现了非扫描的非相干全息图的记录。荧光成像技术由于具有高灵敏度、良好的选择性、低背景噪声以及高对比度等优点，已经被广泛的应用于生物医学、材料科学、病理学等领域。将非相干全息术与荧光成像技术相结合，可以对荧光样品进行三维成像。同时，如果再引入彩色全息技术，可以获得与荧光源同颜色的彩色再现像，为应用提供多维数据信息。为了实现上述目的，J.Rosen 等人在其论文((Fluorescence incoherent color holography)) (OpticsExpressl5 (2007), 2244-2250)中提出了一种荧光彩色全息成像技术，实现了荧光样品的彩色三维成像。但是，这种方法记录的是同轴菲涅耳全息图，需要引入多次曝光相移技术消除孪生像的影响，并对全息图进行较为复杂的数值运算，系统的记录过程与再现速度较慢，难以实现对动态样品的实时或准实时三维显示。此外，由于菲涅耳全息图再现像的横向位置与全息图的记录距离以及记录时参考光和物光之间的夹角有密切关系，导致菲涅耳彩色全息术中三个单色再现像的横向位置很难精确配准，造成最终的彩色再现像的边界模糊，降低彩色再现像的质量。
技术实现思路
针对现有实现非相干彩色三维成像方法与系统中存在的上述问题，本专利技术提出一种基于非相干数字全息技术实现非相干彩色三维成像的系统与方法，在三角全息术的基础上对光路配置进行改进，实现非相干物体的离轴傅里叶变换全息图的记录以及三维再现，并且可以实现三张单色再现像横向位置的精确配准，获得高质量的彩色三维再现像。为了实现上述目的，本专利技术采取如下技术方案。非相干三角数字全息彩色三维成像系统，包括:白光光源1，第一、第二、第三、第四、第五和第六透镜2、6、8、11、14和16,第一、第二和第三干涉滤波片3、4和5,第一和第二偏振片9和15,偏振分光棱镜10,第一和第二反射镜12和13,图像米集设备17,计算机18。白光光源I位于第一透镜2的前焦面位置，到第一透镜2的距离为4 ;非相干物体7位于第二透镜6的后焦面附近位置，到第二透镜6的距离为f；2 ;非相干物体7位于第三透镜8的前焦面，到第三透镜8的距离为&，第一偏振片9位于第三透镜8的后焦面，到第三透镜8的距离为& ;第一偏振片9到第四透镜11和第五透镜14的距离分别为它们的焦距和f2，第四透镜11至第一反射镜12至第二反射镜13至第五透镜14的距离之和为第四透镜11与第五透镜14的焦距之和f\+f2 ;第二偏振片15到第四透镜11和第五透镜14的距离分别为它们的焦距和f2 ;第六透镜16至第二偏振片15的距离为透镜16焦距的二倍2f3 ；图像采集设备17至第六透镜16的距离为透镜16焦距的二倍2f3。偏振分光棱镜10、透镜11和透镜14、反射镜12和反射镜13构成传统三角干涉仪，从非相干物体7上发出的光波沿顺时针以及逆时针两个不同的方向通过由透镜11和透镜14构成的同一个望远系统，沿这两个方向通过系统的光波具有不同的放大倍率，且由于它们在光路中传播的路程完全相同，使得它们之间的光程差小于光源的时间相干长度。这两束具有不同放大倍率的光波产生的干涉条纹中记录了非相干物体的强度信息以及三维位置信息。其特征在于，引入第三透镜8，实现傅里叶变换全息图的记录；使光路中第一反射镜12的法线方向偏离系统光轴位置，从而在全息图中引入空间载频，实现离轴记录；图像采集设备17记录全息图，并在计算机18中对所记录的全息图进行快速傅里叶变换得到物体7的再现像；通过三个干涉滤波片3、4和5对白光光源进行滤波，分别使用所产生的对应红色、绿色和蓝色光波段的准单色光作为系统照明光源，并记录三幅全息图，在计算机18中分别对三幅全息图进行再现，并通过彩色图像放大倍率配准算法以及彩色图像横向位置配准算法对三幅再现像进行配准，获得物体7的真彩色三维再现像。所述图像采集设备17是以CXD或CMOS芯片为感光元件的数字相机。所述第一、第二和第三干涉滤波片3、4和5是具有不同中心波长的窄带滤波器，其中心波长分别对应可见光波段中的红色、绿色和蓝色波段。利用本专利技术所述成像系统实现彩色三维成像方法包括以下步骤:步骤1，获取三颜色通道的全息图。步骤1.1，打开白光光源1、图像采集设备17以及计算机18，使用第一干涉滤波片3，保证第一偏振片9与第二偏振片15光轴方向一致的同时，同步调节两个偏振片的光轴，使由图像采集设备17采集到的干涉条纹的对比度达到最大，并将此时干涉产生的全息图保存到计算机18中。步骤1.2，在计算机18中对采集到的全息图进行快速傅里叶变换，并观察变换后的图像是否对焦准确；如果图像离焦，则调整图像采集设备的位置直到使经过傅里叶变换后的图像对焦准确，记录此时的红色通道全息图Ηκ。步骤1.3，将第一干涉滤波片3换为第二干涉滤波片4，重复步骤1.1,1.2，获得绿色通道全息图He。步骤1.4，将第二干涉滤波片4换为第三干涉滤波片5，重复步骤1.1、1.2获得蓝色通道全息图Hb。步骤2，获得三个通道的再现像。步骤2.1，分别对三颜色通道全息图HK，Hg, Hb进行补零操作，调整三颜色通道全息图的大小，使三个单色通道的再现像具有相同的放大倍率，并对补零后的全息图“ Ab分别进行快速傅里叶变换，获得再现像IK，IG, Ιβ。步骤2.2，计算再现像Ik和Ie的相关系数。步骤2.3，在计算机18中调整再现像二 Ie的横向和纵向位置。步骤2.4，重复步骤2.2,2.3，直到再现像Ik和Ie的相关系数达到最大，获得调整过位置的再现像I。’。步骤2.5，对再现像Ik和Ib重复本文档来自技高网...

【技术保护点】
非相干三角数字全息彩色三维成像系统，包括：白光光源（1），第一透镜（2），第一干涉滤波片（3），第二干涉滤波片（4），第三干涉滤波片（5），第二透镜（6），非相干物体（7），第三透镜（8），第一偏振片（9），偏振分光棱镜（10），第四透镜（11），第一反射镜（12），第二反射镜（13），第五透镜（14），第二偏振片（15），第六透镜（16），图像采集设备（17），计算机（18）；白光光源（1）位于第一透镜（2）的前焦面位置，到第一透镜（2）的距离为fc1；非相干物体（7）位于第二透镜（6）的后焦面附近位置，到第二透镜（6）的距离为fc2；非相干物体（7）位于第三透镜（8）的前焦面，到第三透镜（8）的距离为f0，第一偏振片（9）位于第三透镜（8）的后焦面，到第三透镜（8）的距离为f0；第一偏振片（9）到第四透镜（11）和第五透镜（14）的距离分别为它们的焦距f1和f2，第四透镜（11）至第一反射镜（12）至第二反射镜（13）至第五透镜（14）的距离之和为第四透镜（11）与第五透镜（14）的焦距之和f1+f2；第二偏振片（15）到第四透镜（11）和第五透镜（14）的距离分别为它们的焦距f1和f2；第六透镜（16）至第二偏振片（15）的距离为透镜（16）焦距的二倍2f3；图像采集设备（17）至第六透镜（16）的距离为透镜（16）焦距的二倍2f3；偏振分光棱镜（10）、透镜（11）和透镜（14）、反射镜（12）和反射镜（13）构成传统三角干涉仪，从非相干物体（7）上发出的光波沿顺时针以及逆时针两个不同的方向通过由透镜11和透镜14构成的同一个望远系统，沿这两个方向通过系统的光波具有不同的放大倍率，且由于它们在光路中传播的路程完全相同，使得它们之间的光程差小于光源的时间相干长度；这两束具有不同放大倍率的光波产生的干涉条纹中记录了物体（7）的强度信息以及三维位置信息；其特征在于，引入第三透镜（8），实现傅里叶变换全息图的记录；使光路中第一反射镜（12）的法线方向偏离系统光轴位置，从而在全息图中引入空间载频，实现离轴记录；图像采集设备（17）记录全息图，并在计算机中（18）对所记录的全息图进行快速傅里叶变换得到物体（7）的再现像；通过三个干涉滤波片（3）、（4）和（5）对白光光源进行滤波，分别使用所产生的对应红色、绿色和蓝色光波段的准单色光作为系统照明光源，并记录三幅全息图，在计算机（18）中分别对三幅全息图进行再现，并通过彩色图像放大倍率配准算法以及彩色图像横向位置配准算法对三幅再现像进行配准，获得物体（7）的真彩色三维再现像。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：万玉红，满天龙，王大勇，王云新，戎路，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：