一种非相干望远数字全息成像方法及配套装置

摘要

一种非相干望远数字全息成像方法，属于非相干全息三维成像技术领域，目标物体透射或反射的光线经会聚/准直系统输出为平行光束，该平行光束进一步经偏振片、干涉滤光片和相位型空间光调制器依次处理后得到的全息图由图像传感器接收，图像传感器将信号输出给中央处理单元，由中央处理单元通过相移技术和衍射再现算法重建出目标物体的像。本发明结构简单、数据量小、成像速度快、成像系统环境要求低等特性，适于全息技术的工业化和商业化应用，在军事、遥感卫星、天文学和工程检测等宏观领域具有较高的应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于非相干全息三维成像技术领域，特别公开了一种非相干望远数字全息成像方法及配套装置。

背景技术

全息成像是利用干涉原理，将物光波的振幅和相位信息以干涉条纹的形式记录到全息图中，通过衍射效应重建出包含物体深度信息的三维图像。传统全息以激光为光源，导致对光源相干性、系统稳定性的高度依赖，使全息技术的应用受到极大限制。数字全息使用图像传感器(CCD/CMOS)进行记录，通过数据处理在计算机中重建物体的三维图像，虽然结构简单、信息丰富、图像质量提高，但是仍未克服对光源和系统的依赖性。近年来，Rosen J等提出的Fresnel非相干相关全息(Fresnel incoherent correlation holography，FINCH)实现了空间非相干物光波的自干涉，利用自干涉技术克服了对光源和系统的依赖性，将三维全息成像技术从相干领域真正地拓展到了非相干领域。Rosen J和Brooker G设计出基于FINCH结构的三维静态非扫描荧光全息显微系统，万玉红等基于LabVIEW环境开发了FINCH实验控制系统，钟丽云等研究发现，在相同实验条件限制下，空间光调制器上加载两个球面波的情况达到的分辨率远大于加载单个球面波的情况。上述非相干数字全息的研究多数集中于生物、医学等显微成像系统，然而，对于集成望远镜系统与非相干全息的非相干望远数字全息的研究报道相对较少。Kim M K等利用自干涉技术，提出了非相干自干涉彩色数字全息。非相干自干涉数字全息虽然集成了望远镜系统，但是采用Michelson干涉仪作为非相干相关器和分束器，利用压电陶瓷驱动器控制相移量。由于Michelson干涉仪结构对距离控制精度高度依赖，相移量准确度也直接影响成像的信噪比。另外，非相干自干涉彩色数字全息还存在实验参数不协调、物体再现像的重建距离偏大、信号强度弱等一系列问题。这些问题极大地制约了非相干望远数字全息技术在卫星成像、天文学成像和工程检测等宏观领域的工业化和商业化应用。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种非相干望远数字全息成像方法，提供其配套装置是本发明的另一发明目的。

基于上述目的，本发明采取了以下技术方案：一种非相干望远数字全息成像方法，目标物体透射或反射的光线经会聚/准直系统输出为平行光束，该平行光束进一步经偏振片、干涉滤光片和相位型空间光调制器依次处理后得到的全息图由图像传感器接收，图像传感器将信号输出给中央处理单元，由中央处理单元通过相移技术和衍射再现算法重建出目标物体的像。

所述相位型空间光调制器上加载两个不同半径的球面波。

所述相移技术为三步相移技术，其相移量分别为0、π/2、π；其相移算法的数学表达式为H = [I₀-I_π+j(2I_π/2- I₀-I_π)]/4，其中H为合成全息图；I₀、I_π/2、I_π分别对应相移量0、π/2、π的全息图，j为虚数。

与所述非相干望远数字全息成像方法配套的装置，包括依次设置在光路上的会聚/准直系统、偏振片、干涉滤光片、相位型空间光调制器和图像传感器，图像传感器的输出端与中央处理单元的输入端相连接。

所述会聚/准直系统包括同轴设置的会聚透镜和准直透镜，所述会聚透镜较准直透镜近于目标物体，会聚透镜对于目标物体所成的像位于准直透镜的前焦平面附近。

所述会聚/准直系统包括同轴设置的准直反射镜和中央开孔的凹面反射镜；准直反射镜的设置位置较凹面反射镜近于目标物体，所述中央开孔的凹面反射镜对目标物体所成的像位于准直反射镜的焦面附近。

所述相位型空间光调制器的像素数目为1920×1080 pixels，像素间隔为8 μm，相位线性调控范围为0～2π。

所述干涉滤光片的中心波长为532 nm或632.8 nm，带宽为10 nm。

所述图像传感器为电荷耦合器件，其像素数目为1024×1024 pixels，像素间隔为6.45 μm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）本发明提供一种基于空间光调制器的新型非相干望远数字全息成像方法，在白光或者自然光照明条件下均能实现远场物体的三维成像。

2）本发明成像系统具有结构简单、数据量小、成像速度快、成像系统环境要求低等特性，适于全息技术的工业化和商业化应用，在军事、遥感卫星、天文学和工程检测等宏观领域具有较高的应用价值。

附图说明

图1是实施例2中新型非相干望远数字全息成像装置的结构示意图；

图2是实施例3中新型非相干望远数字全息成像装置的结构示意图；

图3是利用实施例2中的装置对倾斜放置的分辨率板成像的实验结果；

图4是利用实施例2中的装置对刻度尺成像的实验结果；

图5是利用实施例3中的装置对三维物体成像进行计算机模拟的结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明作进一步的说明。

实施例1

一种非相干望远数字全息成像方法，目标物体透射或反射的光线经会聚/准直系统输出为平行光束，该平行光束进一步经偏振片、干涉滤光片和相位型空间光调制器依次处理后得到的全息图由图像传感器接收，图像传感器将信号输出给中央处理单元，由中央处理单元通过相移技术和衍射再现算法重建出目标物体的像。

相位型空间光调制器上加载两个不同半径的球面波。

相移技术为三步相移技术，其相移量分别为0、π/2、π；其相移算法的数学表达式为H = [I₀-I_π+j(2I_π/2- I₀-I_π)]/4，其中H为合成全息图；I₀、I_π/2、I_π分别对应相移量0、π/2、π的全息图，j为虚数。

实施例2

与实施例1所述的非相干望远数字全息成像方法配套的装置，如图1所示，包括依次设置在光路上的会聚/准直系统、偏振片7、干涉滤光片8、相位型空间光调制器9和图像传感器10，图像传感器10的输出端与中央处理单元的输入端相连接。

会聚/准直系统包括同轴设置的会聚透镜3和准直透镜4，会聚透镜3较准直透镜4近于目标物体2，会聚透镜3对于目标物体2所成的像位于准直透镜4的前焦平面。

其光路过程为：白光光源1发出的入射光照射目标物体2，由目标物体2透射或者反射光波经会聚透镜3会聚、准直透镜4准直后，依次经过偏振片7和干涉滤光片8，透射光经过相位型空间光调制器9调制后，由图像传感器10接收。会聚透镜3对目标物体2所成的像位于准直透镜4的前焦平面。干涉滤光片8的中心波长为632.8 nm，相位型空间光调制器9的像素数目为1920×1080 pixels，像素间隔为8 μm，图像传感器10为电荷耦合器件CCD，并且电荷耦合器件CCD的像素数目为1024×1024 pixels，像素间隔为6.45 μm。

利用该装置分别对分辨率板和刻度尺进行记录，其结果如图3和图4所示。

图3(a)所示为利用该装置记录的倾斜放置的分辨率板的非相干全息图强度分布；然后采用三步相移技术计算出分辨率板的复值全息图，如图3(b)所示；再利用衍射再现算法重建出分辨率板的像，如图3(c)和(d)所示，图3(c)表示分辨率板第0组第6单元光栅处于最佳聚焦状态的再现像，图3(d)表示分辨率板第1组第1单元光栅处于最佳聚焦状态的再现像。对刻度尺成像的实验结果如图4所示，利用该装置记录的刻度尺的非相干全息图强度分布见图4(a)，采用三步相移技术计算出的刻度尺的复值全息图见图4(b)，利用衍射再现算法重建出的刻度尺的像见图4(c)。由图3和图4所示结果可知，在白光或者自然光照明下，利用该非相干望远数字全息成像方法的配套装置能够快速记录并再现出任意远场物体清晰的三维图像。

实施例3

与实施例1所述的非相干望远数字全息成像方法配套的装置，如图2所示，本装置与实施例2不同之处在于：会聚凸透镜3由中央开孔的凹面反射镜5代替，准直凸透镜4由准直反射镜6代替，并且准直反射镜6位于中央开孔的凹面反射镜5的前端，准直反射镜的设置位置较凹面反射镜近于目标物体，所述中央开孔的凹面反射镜对目标物体所成的像位于准直反射镜的焦面。

由白光光源1发出的入射光照射目标物体2，由目标物体2透射或者反射光波经中央开孔的凹面反射镜5会聚、准直反射镜6准直后，依次经过偏振片7和干涉滤光片8，透射光经过相位型空间光调制器9调制后，由图像传感器10接收。中央开孔的凹面反射镜5对目标物体2所成的像位于准直反射镜6的焦平面。其中，干涉滤光片8的中心波长为532 nm，相位型空间光调制器9的像素数目为1920×1080 pixels，像素间隔为8 μm，图像传感器10为CCD，并且CCD的像素数目为1024×1024 pixels，像素间隔为6.45 μm。

利用该成像装置对三维物体全息图记录，再通过计算机模拟全息图记录和再现过程，结果如图5所示。成像系统对三维物体的计算机模拟的复值全息图如图5(a)所示，三维物体全息图振幅和相位分布见图5(b)和(c)，采用衍射再现算法重建出的三维物体的像见图5(d)～(f)。由图5所示结果可知，在白光或者自然光照明下，利用该非相干望远数字全息成像方法的配套装置能够快速记录并再现出任意远场物体清晰的三维图像。