專利名稱：消除單光束同軸數字全息直流項和共軛像的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于消除單光束同軸數字全息直流項和共軛像的分頻相移干涉方法，屬于激光數字全息與光學檢測技術領域。
背景技術：
自二十世紀九十年代中后期開始，隨著面陣光電探測器(如C⑶等)、計算機及數字圖像處理技術的迅速發展，數字全息術及其在不同領域的應用研究受到研究者們的廣泛關注。數字全息術采用面陣光電探測器代替傳統光學全息中的全息干板來記錄全息圖，并把記錄的全息圖以數字圖像形式存入計算機，再根據光波衍射傳播原理數值再現得到物光波的復振幅分布。與傳統光學全息相比，數字全息不需要顯影、定影與漂白等化學處理過程，其記錄和再現更加簡便快捷、更容易實現數字化與自動化，并且可分別得到物光波的振幅分布和相位分布，因此更有助于進行精確的定量測量與檢測。近年來，隨著面陣光電探測器性能(如分辨率等)的不斷提高，有關數字全息術在生物醫學顯微成像與檢測、光學干涉測量、三維物體顯示、光學圖像加密、顆粒場檢測及流體動力學分析等方面的應用研究得到了飛速發展，數字全息術已成為目前現代光學中發展十分迅速的一個分支。數字全息再現時，在再現光波場中除了所需要的再現像外還同時存在直流項和共軛像，直流項和共軛像的存在會影響再現像的質量。如何降低或消除直流項和共軛像、從而提高再現像質量，是數字全息領域的重點研究內容之一。根據記錄光路結構的不同，數字全息大致可分為離軸數字全息、雙光束同軸數字全息及單光束同軸數字全息三大類。針對不同類型的數字全息，為降低或消除直流項和共軛像所采取的方法也不同。在離軸數字全息中，物光波和參考光波以一定夾角入射到面陣光電探測器記錄面上，通過選取適當的夾角，可以使直流項、共軛像及再現像的頻譜在頻譜面上分離。因此，一般采用傅里葉變換頻譜濾波方法消除直流項和共軛像。離軸數字全息的優點是只需要記錄一幅全息圖，適合于對動態物體進行成像顯示或檢測，缺點是其空間分辨率和視場大小受目前面陣光電探測器的成像面小和像元尺寸較大的限制。在同軸數字全息中，物光波和參考光波以相同方向入射到面陣光電探測器的記錄面上。與離軸數字全息相比，在相同的面陣光電探測器空間分辨能力下，同軸數字全息可記錄更高空間頻率的物光波信息，從而具有更高的空間分辨率和更大的視場。同軸數字全息的缺點是再現光波中的直流項和共軛像與再現像在空間上交疊，不能采用傅里葉變換頻譜濾波方法消除直流項和共軛像。對于雙光束同軸數字全息，因其物光波和參考光波分別通過不同的光學器件和路徑，所以，可以比較方便地采用相移器件單獨改變參考光波的相位，實現相移干涉，利用記錄得到的多幅相移干涉圖并采用相應的相移干涉波前恢復算法，就可以消除直流項和共軛像。單光束同軸數字全息的最大優點是:直透參考光波和衍射物光波經歷相同的路徑和光學器件，其光路簡單、受環境振動和空氣擾動影響小，且對光源的相干性和記錄介質(或器件)的空間分辨率要求較低。單光束同軸數字全息是一類具有重要用途的全息技術，可應用于生物醫學顯微成像與檢測、光學干涉測量、顆粒場檢測及流體動力學分析等方面。針對單光束同軸數字全息，為了盡量消除直流項和共軛像的影響，近年來文獻中已經提出了多種方法，如基于數字圖像處理技術的方法及在不同距離處記錄多幅全息圖的方法等，這些方法盡管具有一定效果，但還不能完全消除直流項和共軛像的影響。與雙光束同軸數字全息不同，單光束同軸數字全息不需要另外引入參考光波，只需要一束照射待測物體的光波，物體透射光波場中的零頻成分(直透光波)和高頻成分(衍射光波)分別作為全息記錄中的參考光波和物光波。由于此時的直透參考光波和衍射物光波在空間上不能分離，所以雙光束同軸相移數字全息中通常采用的施加相移的方法不再適用于單光束同軸數字全息，無法用一般的相移干涉方法去除直流項和共軛像。目前為止，還沒有關于在單光束同軸數字全息采用相移干涉消除直流項和共軛像的文獻報道。在保留單光束同軸數字全息的優點并充分利用面陣光電探測器的空間分辨能力的前提下，尋求更有效的消除直流項和共軛像的新方法，具有十分重要的意義及有很大的應用價值。
發明內容
本發明針對單光束同軸全息直流項和共軛像的消除問題，提供一種消除單光束同軸數字全息直流項和共軛像的方法，該方法可同時發揮單光束同軸數字全息和相移干涉的優點，不僅可提高單光束同軸全息再現像的質量和檢測精度，而且可拓展其應用領域。本發明的消除單光束同軸數字全息直流項和共軛像的方法，是:根據阿貝二次成像理論和空間濾波原理，單光束同軸全息中的直透參考光波對應于零頻空間頻率分量，衍射物光波對應于高頻空間頻率分量，盡管二者在空間域中不能分離，但在空間頻率域中是空間分離的；采用光學4f系統，待測物體放置在4f系統的輸入面上并用沿光軸傳播的平面光波照射待測物體，空間頻譜面上的零頻空間頻率分量(位于光軸上)對應于直透參考光波，高頻空間頻率分量(位于光軸之外)對應于衍射物光波；在空間頻譜面上采用可分像元控制的純相位空間光調制器(Phase-only Spatial LightModulator, P-SLM)單獨對零頻空間頻率分量施加相移，實現直透參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復算法再現原物光波，從而消除直流項和共軛像。所采用的可分像元控制的純相位空間光調制器，可以是透射式純相位空間光調制器，也可以是反射式純相位空間光調制器，包括:純相位液晶空間光調制器(Phase-onlyLiquid Crystal Spatial Light Modulator, P-LCSLM),基于數字微鏡器件(DigitalMicromirror Device, DMD)的純相位空間光調制器,及其它類型可分像元控制的純相位空間光調制器。通過編程，可分別設置顯示在純相位空間光調制器每個像元上的灰度值，或分別控制純相位空間光調制器每個像元的驅動信號大小，從而對不同的空間頻率成分實現相位調制和相移控制。可根據空間光調制器的像元大小并通過改變被調制像元的數目，來對不同的空間頻率范圍實現相位調制和相移控制。所采用的光學4f系統，根據所采用的純相位空間光調制器的具體工作方式不同，可以具有多種不同的光路結構形式:(a)采用透射式純相位空間光調制器的雙傅里葉變換透鏡光路圖1，(b)采用反射式純相位空間光調制器的雙傅里葉變換透鏡光路圖2，(C)采用反射式純相位空間光調制器的單傅里葉變換透鏡光路圖3。雙傅里葉變換透鏡光路圖1和圖2可以通過靈活選取兩個傅里葉變換透鏡的焦距，改變物像放大率。單傅里葉變換透鏡光路圖3中的兩次傅里葉變換共用一個傅里葉變換透鏡，物像放大率為1，光路結構簡單，可進一步減小機械振動及空氣擾動的影響。所采用的相移干涉波前恢復算法，可以是傳統的等步長或定步長相移干涉波前恢復算法，也可以是相移量未知的廣義相移干涉波前恢復算法。本發明的方法基于空間頻譜域不同頻率分量空間分離的特點，采用光學4f系統與純相位空間光調制器相結合，在保持單光束同軸數字全息光路簡單、受環境振動和空氣擾動影響小、對光源相干性和記錄器件空間分辨率要求較低等特點的基礎上，解決了單光束同軸數字全息因直透參考光波與衍射物光波空間重疊而無法實施相移的問題，實現了相移干涉，從而消除了再現光波場中直流項和共軛像的影響，提高了再現像的像質。
圖1是采用透射式純相位空間光調制器的雙傅里葉變換透鏡光路示意圖。圖2是采用反射式純相位空間光調制器的雙傅里葉變換透鏡光路示意圖。圖3是采用反射式純相位空間光調制器的單傅里葉變換透鏡光路示意圖。其中:1、激光器，2、光強衰減器，3、擴束準直器，4、待測物體，5、光學4f系統的輸入面(物面)，6、第一個傅里葉變換透鏡，7、純相位型空間光調制器，8、光學4f系統的空間頻譜面，9、第二個傅里葉變換透鏡，10、光學4f系統的輸出面(像面)，11、面陣光電探測器(C⑶等)，12、全息圖記錄面(面陣光電探測器11的探測面)，13、計算機，14、偏振分束器(PBS)0圖4是采用本發明方法由實驗得到的分辨率板(USAF-1951ReS0luti0n TestChart)的再現像。圖5是采用減去直透參考光波的方法得到的分辨率板(USAF-1951ReS0luti0nTest Chart)的再現像。圖6是由全息圖直接再現得到的分辨率板(USAF_1951Resolution Test Chart)的再現像。
具體實施例方式本發明基于光學4f系統采用分頻相移干涉方法消除單光束同軸數字全息直流項和共軛像，可采用圖1、圖2和圖3所示的多種光路結構形式，圖1是采用透射式的純相位空間光調制器7的雙傅里葉變換透鏡光路，圖2是采用反射式的純相位空間光調制器7的雙傅里葉變換透鏡光路，圖3是采用反射式的純相位空間光調制器7的單傅里葉變換透鏡光路。圖1和圖2的雙傅里葉變換透鏡光路可以通過靈活選取第一個傅里葉變換透鏡6和第二個傅里葉變換透鏡9的焦距，改變物像放大率。圖3的單傅里葉變換透鏡光路中兩次傅里葉變換共用一個傅里葉變換透鏡(第一個傅里葉變換透鏡6)，物像放大率為I，光路結構簡單，可進一步減小機械振動及空氣擾動的影響。實際系統中入射平行光束的直徑和傅里葉變換透鏡(第一個傅里葉變換透鏡6和第二個傅里葉變換透鏡9)的孔徑均是有限大小，在頻譜面上實施相移的純相位空間光調制器7的像元也有一定大小。可以依據上述參數計算出實施相移的區域大小及純相位空間光調制器7上所需控制的像元數目。通過編程選擇對零頻分量及其附近的極低頻分量實現單獨相移。實際系統中比較理想和可行的做法是對光學4f系統的空間頻譜面8上的艾里斑所在區域的空間頻率分量單獨實施相移。以下詳細敘述本發明方法的實現過程:激光器I作為光源，光強衰減器2用于調整進入光學系統的光強大小，擴束準直器3用于將從激光器I出射的細激光束擴束準直成平行光(平面光波)。第一個傅里葉變換透鏡6的后焦平面與第二個傅里葉變換透鏡9的前焦平面重合，二者組成光學4f系統。光學4f系統的輸入面(物面)5位于第一個傅里葉變換透鏡6的前焦平面，光學4f系統的空間頻譜面8位于第一個傅里葉變換透鏡6的后焦平面(也是第二個傅里葉變換透鏡9的前焦平面)，光學4f系統的輸出面(像面)10位于第二個傅里葉變換透鏡9的后焦平面。全息圖記錄面12 (面陣光電探測器11的探測面)位于光學4f系統的輸出面10之后，二者之間的距離應符合菲涅耳數字全息記錄距離要求。待測物體4放置在光學4f系統的輸入面5上，純相位型空間光調制器7放置在光學4f系統的空間頻譜面8上，面陣光電探測器11位于全息圖記錄面12。面陣光電探測器11與計算機13相連接，計算機13用于控制面陣光電探測器11并完成數字全息圖存儲和處理。計算機13面與純相位空間光調制器7連接，用于控制純相位空間光調制器7實現對直透參考光波的相位調制和相移控制。從激光器I出射的激光束透過光強衰減器2經擴束準直器3成為平行光(平面光波)，該平行光垂直照射位于光學4f系統輸入面5上的待測物體4。透過物體4的光波經第一個傅里葉變換透鏡6作傅里葉變換，在光學4f系統的空間頻譜面8上得到待測物體4的空間頻譜；再經第二個傅里葉變換透鏡9進行傅里葉變換在光學4f系統的輸出面10得到待測物體的像；光波從光學4f系統的輸出面10到全息圖記錄面12的傳播為菲涅耳衍射，在全息圖記錄面12上得到物光波的菲涅耳衍射。激光器I出射激光波長為λ。第一個傅里葉變換透鏡6和第二個傅里葉變換透鏡9的焦距分別用和f2表示。全息圖記錄面12與光學4f系統的輸出面10之間距離用d表不。光學4f系統的輸入面5、光學4f系統的空間頻譜面8、光學4f系統的輸出面10以及全息圖記錄面12四個平面上的空間坐標分別用(X。，y。)、(xs，ys)、(xi, Yi)和(xd，yd)表示。設放置在輸入面5上的待測物體4的復振幅透過率函數為f0(x0，y。)，波長為λ的單位振幅單色平面光波垂直照射到待測物體4，經第一個傅里葉變換透鏡6進行傅里葉變換在光學4f系統的空間頻譜面8上得到的空間頻譜(略去復常數)為F(u，v)=FT{f0(x0, y。)}，FT{.}表示傅里葉變換。光學4f系統的空間頻譜面8上的空間頻率坐標(U，V)與空間坐標(xs, ys)的關系為xs = u λ A和ys = V λ fp由此可見,零頻分量(u=0和v=0)位于光軸上即光學4f系統的空間頻譜面8的坐標原點(Xs=O和ys=0);高頻分量偏離光軸，頻率越高偏離光軸越遠，即物光波中的不同的空間頻率分量在光學4f系統的空間頻譜面8上所處的空間位置不同，是空間分離的。因此可以在光學4f系統的空間頻譜面8上對不同空間頻率分量分別進行處理，如空間濾波等。若在光學4f系統的空間頻譜面8上對物體頻譜不進行任何處理，經第二個傅里葉變換透鏡9再次進行傅里葉變換后，在光學4f系統的輸出面10上得到物體的倒立像A (Xi, Yi)，物像之間的垂軸放大率為fVA ;在全息圖記錄面12上將得到物體或像的菲涅耳衍射光場分布fd(xd，yd)。
物光波的零頻分量與高頻分量在頻譜面上是空間分離的，所以可以將其空間頻譜表示為F (U，V) =F (O, O) δ (u, v) +F (u ^ O, v ^ O) =F (O, O) δ (u, ν) +Fh (u, ν),(A)式中,F(O, O) δ (u, ν)是位于光軸上的零頻分量,Fh(u, v) =F(u ^ O, v ^ O)是位于光軸之外的高頻分量。對零頻分量施加相移，設施加的相移量為α ( α 一般為0-2 之間的常量)，相移后的頻譜可表示為F，(U，V) = F (O, O) δ (u, v) exp (ia) +Fh(u, ν).(B)經第二個傅里葉變換透鏡9再次進行傅里葉變換后，在光學4f系統的輸出面10上得到的光波場分布可表不為fi (Xi, Yi) = A0exp (i α ) +fh(Xi, yi),(C)上式中，右端第一項是沿光軸傳播的平面波，對應于物光波場(或像光波場)中的零頻分量；第二項對應于物光波場(或像光波場)中的高頻分量。光波從光學4f系統的輸出面10到全息圖記錄面12的傳播是菲涅耳衍射，略去復常數exp (ikd) (j λ d)，全息圖記錄面12上的光場分布fd(xd，yd)為fd(xd, yd) = A0exp(i a )+fFrT(xd, yd) = A0exp (i a ) +A (xd, yd) exp [i Φ (xd, yd)],(D)其中fFrT(xd，yd) = FrT {fh(Xi, Yi)! = A(xd, yd) exp [i Φ (xd, yd) ],FrT {.}表示菲涅耳衍射變換，A(xd，yd)和Φ (xd，yd) 分別是fM(xd，yd)的振幅分布和相位分布。⑶式右端的第一項和第二項分別作為單光束同軸全息中的直透參考光波和衍射物光波，二者干涉形成的干涉圖的強度分布為I (xd, yd ) = + A2 (xd, yd) + 2 AnAixd, Λ) cos [φ{χΛ, Jd ) - a].(E)采用適當的相移器(如純相位空間光調制器7)依次對零頻分量施加不同的相移量，貝1J可依次得到多幅相移干涉圖。由多幅相移干涉圖并米用相應的相移干涉波前恢復算法，就可得到全息圖記錄面12上菲涅耳衍射光場的振幅分布A(xd，yd)和相位分布Φ (xd, yd)，從而得到全息圖記錄面12上的衍射物光波fM(xd, yd)，再由逆菲涅耳衍射就可得到光學4f系統的輸出面(像面)10上的光波場分布fh(Xi，Yi)，即fh(Xi, Yi) = Frr1 {fFrT (xd, yd)},(F)式中FrT—M.}表示逆菲涅耳衍射變換。由光學4f系統的輸出面(像面)10上的光波場分布fh(Xi，Yi)就可以得到再現像或進行檢測測量。為了在光學4f系統的頻譜面上對零頻分量施加相移，需在頻譜面上放置可分像元控制的純相位型空間光調制器7。通過編程，分別設置顯示在純相位空間光調制器7每個像元上的灰度值，或分別控制純相位空間光調制器7每個像元的驅動信號大小，從而對不同的空間頻率成分實現相位調制和相移控制。也可根據純相位空間光調制器7的像元大小并通過改變被調制像元的數目，來對不同的空間頻率范圍實現相位調制和相移控制。以下僅以圖2所示的采用反射式純相位空間光調制器的雙傅里葉變換透鏡光路為例，做具體說明。圖2給出的采用反射式純相位空間光調制器的雙傅里葉變換透鏡光路由以下器件組成:激光器1、光強衰減器2、擴束準直器3、待測物體4、光學4f系統的輸入面5、第一個傅里葉變換透鏡6、反射式純相位型空間光調制器7、光學4f系統的空間頻譜面8、第二個傅里葉變換透鏡9、光學4f系統的輸出面10、面陣光電探測器11、全息圖記錄面(面陣光電探測器11的探測面)12、計算機13和偏振分束器14。從激光器I出射的激光束透過光強衰減器2經擴束準直器3成為平行光(平面光波)，該平行光垂直照射位于光學4f系統輸入面5上的待測物體4。透過物體4的光波包含直透參考光波和衍射物光波，經第一個傅里葉變換透鏡6在光學4f系統的空間頻譜面8上得到相應的的空間頻譜。空間頻譜由純相位空間光調制器7反射，經偏振分束器14到達第二個傅里葉變換透鏡9，再經第二個傅里葉變換透鏡9進行傅里葉變換在光學4f系統的輸出面10上得到待測物體的像。光學4f系統的輸出面10上的光波經菲涅耳衍射傳播到到全息圖記錄面12上，用位于全息圖記錄面12上的面陣光電探測器11記錄由直透參考光波和衍射物光波干涉所形成全息圖，計算機13面與陣光電探測器11連接，用于全息圖保存和處理。計算機13面與純相位空間光調制器7連接，用于控制純相位空間光調制器7實現對直透參考光波的相位調制和相移控制。根據所用器件與光路結構參數計算出直透參考光波的空間頻譜在光學4f系統的空間頻譜面8上所對應的位置和區域大小，從而確定純相位空間光調制器7中需要進行相位調制的像元位置和數目。根據所采用的相移干涉波前恢復算法選取合適的相移量，依照純相位型空間光調制器7的相位調制特性曲線選擇控制信號的大小，用計算機13通過編程控制純相位空間光調制器7實現對直透參考光波的相位調制和相移控制，從而實現相移干涉。由面陣光電探測器11記錄相移干涉圖(全息圖)并保存在計算機13中，用計算機13根據所采用的相移干涉波前恢復算法對相移干涉圖進行處理，達到消除直流項和共軛像、再現待測物體4的物光波的目的。以下采用圖2給出的光路作為光學實驗光路對本發明的方法進行實驗驗證:第一個傅里葉變換透鏡6和第二個傅里葉變換透鏡9的焦距均為300mm，激光器I 采用 He-Ne 激光器(λ =632.8nm),待測物體 4 是分辨率板(USAF_1951Resolution TestChart),純相位空間光調制器7采用德國H0L0EYE公司的Pluto-VIS純相位型液晶空間光調制器，面陣光電探測器11采用像元大小為4.4 μ m、共有1600 X 1200個像元的CXD相機。采用三步相移干涉及相應的相移干涉波前恢復算法，每步相移量為η/2。圖4是采用本發明方法由實驗得到的分辨率板(USAF-1951Resolution Test Chart)的再現像，圖5是采用減去直透參考光波的方法得到的分辨率板的再現像，圖6是由全息圖直接再現得到的分辨率板的再現像。通過比較可清楚地看出，采用本發明方法得到的再現像明顯優于其它兩種方法得到的再現像。這從實驗上證明了本發明方法的可行性與正確性。本發明的方法具有以下特點:1.在單光束同軸數字全息中實現了相移干涉，消除了直流項和共軛像。2.在保留單光束同軸數字全息所具有的光路簡單、受環境振動和空氣擾動影響小、以及對光源相干性要求低等優點的同時，可提高再現像的質量和檢測精度。3.可拓展單光束同軸數字全息技術的應用領域，如光學系統引起的波前畸變檢測、光學元件面形檢測、微光機電器件檢測及生物醫學成像與檢測等。4.適用于多種相移干涉算法。5.適用于多種不同類型的光路結構。
權利要求
1.一種消除單光束同軸數字全息直流項和共軛像的方法，其特征是: 根據阿貝二次成像理論和空間濾波原理，單光束同軸全息中的直透參考光波對應于零頻空間頻率分量，衍射物光波對應于高頻空間頻率分量，盡管二者在空間域中不能分離，但在空間頻率域中是空間分離的；采用光學4f系統，待測物體放置在4f系統的輸入面上并用沿光軸傳播的平面光波照射待測物體，空間頻譜面上的零頻空間頻率分量對應于直透參考光波，高頻空間頻率分量對應于衍射物光波；在空間頻譜面上采用可分像元控制的純相位空間光調制器單獨對零頻空間頻率分量施加相移，實現直透參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復算法再現原物光波，從而消除直流項和共軛像。
2.根據權利要求1所述的消除單光束同軸數字全息直流項和共軛像的方法，其特征是:所述可分像元控制的純相位空間光調制器，是透射式純相位空間光調制器，或者是反射式純相位空間光調制器。
3.根據權利要求1所述的消除單光束同軸數字全息直流項和共軛像的方法，其特征是:所述光學4f系統的光路結構形式是采用透射式純相位空間光調制器的雙傅里葉變換透鏡光路，或者是采用反射式純相位空間光調制器的雙傅里葉變換透鏡光路，或者是采用反射式純相位空間光調制器的單傅里葉變換透鏡光路。
4.根據權利要求1所述的消除單光束同軸數字全息直流項和共軛像的方法，其特征是:所述相移干涉波前恢復算法是等步長或定步長相移干涉波前恢復算法，或者是相移量未知的廣義相移干涉波前恢復算法。
全文摘要
一種消除單光束同軸數字全息直流項和共軛像的方法，采用光學4f系統，待測物體放置在4f系統的輸入面上并用沿光軸傳播的平面光波照射待測物體，空間頻譜面上的零頻空間頻率分量對應于直透參考光波，高頻空間頻率分量對應于衍射物光波；在空間頻譜面上采用可分像元控制的純相位空間光調制器單獨對零頻空間頻率分量施加相移，實現直透參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復算法再現原物光波，從而消除直流項和共軛像。該方法解決了單光束同軸數字全息因直透參考光波與衍射物光波空間重疊而無法實施相移的問題，實現了相移干涉，從而消除了再現光波場中直流項和共軛像的影響，提高了再現像的像質。
文檔編號G03H1/16GK103149827SQ20131006409
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月28日 優先權日2013年2月28日
發明者王玉榮, 杜延龍, 李 杰, 劉迪, 孟祥鋒, 楊修倫, 王青圃 申請人:山東大學