專利名稱：數字全息成像在線重構顯示系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種數字全息成像系統及方法，更具體地說，本發明涉及一種數字全息成像在線重構顯示系統及其方法。
背景技術：
數字全息術是基于光學全息術基本原理，采用光敏電子成像器件代替光學全息記錄材料記錄全息圖，將記錄的全息圖強度信息轉變成為數字信號存入計算機，再利用計算機模擬參考光對全息圖進行再現成像，從而實現全息記錄和成像重構過程的全數字化。離軸菲涅耳數字全息成像技術涉及物體信息記錄過程和物體成像再現過程兩部分。物體信息記錄過程中，物光和參考光干涉后產生干涉條紋，被諸如電荷耦合器件(CCD圖像采集器)的圖像采集器件記錄；物體成像再現過程中，通過計算機數值模擬光學衍射過程，實現物體成像重構。數字全息實驗系統通常只包括用于記錄物體信息的數字全息記錄光路系統，不能在線顯示數字全息成像重構過程及其成像結果。
發明內容
本發明目的在于提供一種具有在線成像重構顯示功能的數字全息成像系統及方法，特別是能夠分步顯示成像重構過程及結果的數字全息成像系統及方法。根據本發明的一種數字全息成像在線重構顯示系統，包括一種離軸菲涅耳數字全息記錄光路、一種儀器控制單元、以及一種成像重構顯示單元。儀器控制單元用于控制離軸菲涅耳數字全息記錄光路記錄數字全息圖，所記錄的數字全息圖送到成像重構顯示單元進行計算處理，重構并顯示出物體的三維圖像。所述的一種離軸菲涅耳數字全息記錄光路用于記錄數字全息圖，其特征在于采用馬赫澤德干涉儀光路，使用激光器作為記錄光源，可實現所記錄全息圖中+1級衍射像、O級衍射像和-1級衍射像的分離，并利于進行頻譜濾波。所述離軸菲涅耳數字全息記錄光路包括:激光器出射的一束激光，經擴束準直部件形成一束平行光，再經分光棱鏡分成兩束光，一束光照射待記錄物體后作為帶有物體信息的物光，另一束光作為參考光，兩束光在空間相干涉形成全息圖，并由圖像采集器記錄成為數字全息圖。所述一種儀器控制單元由計算機、儀器控制模塊和儀器控制接口組成。所述儀器控制模塊包括數字全息圖記錄控制模塊、運動平臺控制模塊、快門控制模塊、空間光調制器控制模塊、以及圖像采集控制模塊。所述儀器控制接口包括接口轉接裝置及連接線，所述儀器控制單元通過儀器控制接口分別與數字全息記錄系統中的運動平臺、快門、空間光調制器、以及圖像采集器連接并進行通信，用以完成數字全息圖的記錄。所述運動平臺連接到運動平臺控制器后，再通過串口與計算機相連，由運動平臺控制模塊對運動平臺移動進行控制；所述快門通過四針航空插頭線連接到電平轉換電路，再采用并口連接線與計算機中數模轉換芯片相連，由快門控制模塊對快門的開啟和關閉狀態進行控制；所述空間光調制器通過分頻顯示器連接于計算機，由空間光調制器控制模塊對空間光調制器進行圖像加載；所述圖像采集器通過圖像采集卡與計算機直接相連，由圖像采集控制模塊控制諸如CCD或者CMOS的圖像采集器記錄數字全息圖像。所述數字全息圖記錄控制模塊分別與運動平臺控制模塊、快門控制模塊、空間光調制器控制模塊、以及圖像采集控制模塊通信連接，配置為與運動平臺控制模塊、快門控制模塊、空間光調制器控制模塊、以及圖像采集控制模塊進行數據交互、處理和控制，同時向用戶提供指令輸入與選擇功能，用于在數字全息圖記錄進程中對運動平臺、快門、空間光調制器、圖像采集器進行單獨和聯動控制以及數據采集。所述的運動平臺控制模塊，配置為與所述運動平臺通信連接和控制其運動，提供包括起始位置、位移步長、終點位置、當前位置的指令的輸入選擇和查詢功能。所述的快門控制模塊，配置為手動開關和定時開關兩種快門開關模式，用以控制數字全息圖記錄光路中快門的開啟和關閉。所述空間光調制器控制模塊，配置為與所述空間光調制器進行數據通信，將所設置的加載圖形、圖像尺寸、圖像位置等基本參數傳輸給空間光調制器，用以控制空間光調制器上圖像的加載和調整。所述的圖像采集控制模塊，配置為與所述圖像采集器進行數據通信，設置采集位置、采集圖像分辨率、采集圖像尺寸等基本采集參數，將所述基本采集參數傳輸給圖像采集器，控制圖像采集器進行圖像數據采集和圖像數據保存。 所述一種成像重構顯示單元包括成像重構模塊和在線顯示模塊兩部分；由圖像采集器記錄的數字全息圖送到計算機中，由成像重構模塊進行數值重構處理，最終得到稱為二維相位圖和三維相位圖的物體的再現像，并由在線顯示模塊實時顯示物體的再現像或者根據具體要求顯示重構處理各階段的數據圖像。所述的成像重構模塊對圖像采集器所記錄的數字全息圖采用角譜算法或菲涅耳算法或卷積算法的數值再現算法進行數值模擬成像重構處理，其步驟包括:S1從圖像采集器輸入數字全息圖并進行圖像優化截取；S2對優化截取后的全息圖進行傅里葉變換；S3得到所述全息圖的頻譜圖；S4對所述頻譜圖進行頻譜濾波；S5提取+1級頻譜；S6對所述+1級頻譜進行逆傅里葉變換；S7得到記錄平面復振幅分布；S8對記錄平面復振幅分布圖取絕對值；S9得到記錄平面振幅圖；S10輸入再現距離；S11對記錄平面復振幅分布圖數值模擬其光波在自由空間的角譜法傳播；S12得到觀察平面復振幅分布圖；S13對觀察平面復振幅分布圖取絕對值；S14得到觀察平面振幅圖；S15對觀察平面復振幅圖進行Angel函數處理提取相位；S16得到帶有包裹相位的二維相位圖；S17對帶有包裹相位的二維相位圖進行相位解包裹；S18得到具有真實相位的二維相位圖；S19對真實相位的二維相位圖進行三維相位重構；S20得到所記錄物體的三維相位圖。所述在線顯示模塊與成像重構模塊通信連接，所述成像重構模塊將每次數值成像重構處理過程中產生的所有圖像數據，包括頻譜圖、+1級頻譜圖、記錄平面振幅圖、觀察平面振幅圖、包裹相位圖、二維相位圖、以及三維相位圖，傳送或保存到在線顯示模塊中，以實現重構處理過程中產生圖像的按需顯示。所述在線顯示模塊設置分別對應于頻譜圖、+1級頻譜圖、記錄平面振幅圖、觀察平面振幅圖、包裹相位圖、二維相位圖、以及三維相位圖的顯示指令，通過直接接收成像重構模塊傳送的圖像數據或者調用已保存的圖像數據，進行在線順序顯示或者根據需求顯示重構處理各階段的數據圖像，按照數值重構處理進程順序顯示頻譜圖、+1級頻譜圖、記錄平面振幅圖、觀察平面振幅圖、包裹相位圖、二維相位圖和三維相位圖，或者有選擇地顯示頻譜圖、+1級頻譜圖、記錄平面振幅圖、觀察平面振幅圖、包裹相位圖、二維相位圖和三維相位圖中任一個圖像或者幾個圖像，或直接顯示作為最終再現像的二維相位圖和三維相位圖。根據本發明的一種數字全息成像在線重構顯示方法，包括在儀器控制模塊的控制下，采用一種離軸菲涅耳全息記錄光路，使用激光器作為記錄光源，在圖像采集器上記錄數字全息圖；采用數值再現算法，通過數值計算模擬所述數字全息圖的衍射成像過程，模擬重構出原物的再現像，并將再現像的圖像數據發送給在線顯示模塊，對數值重構成像過程各階段的圖像進行在線順序顯示和在線選擇顯示。本發明數字全息成像在線重構顯示系統及方法的有益效果是，可采用儀器控制模塊控制實驗進程；采用成像重構顯示模塊，實現對成像重構過程的可視化監控以及選擇性重構顯示。本發明的數字全息成像在線重構顯示系統及方法可形成儀器，應用于成像檢測和教學演示。
圖1為本發明的數字全息成像在線重構顯示系統及方法的數字全息記錄光路示意圖。圖2為本發明的數字全息成像在線重構顯示系統及方法的儀器控制單元連接圖。圖3為本發明的數字全息成像在線重構顯示系統及方法的儀器控制模塊結構示意圖。圖4為本發明的數字全息成像在線重構顯示系統及方法的成像重構模塊流程圖。圖中:1、激光器，2、快門，3、反射鏡，4、反射鏡，5、擴束準直器，6、分光棱鏡，7、反射鏡，8、空間光調制器，9、反射鏡，10、分光棱鏡，11、圖像采集器，12、計算機，13、運動平臺；
14、PCI7489數據轉換卡，15、ESP310運動平臺控制器，16、圖像采集卡；17、數字全息圖記錄控制模塊；18、運動平臺控制模塊；19、快門控制模塊；20、空間光調制器控制模塊；21、圖像采集器控制模塊。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明的數字全息成像在線重構顯示系統及方法的典型實施例。應當說明的是，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。采用透射式離軸菲涅數字全息記錄光路，如圖1所示，實現+1級衍射像、O級衍射像和-1級衍射像的分離。激光器I出射的激光經過快門2后照射到反射鏡3，其反射光再經反射鏡4反射后，進入擴束準直器5，獲得擴束準直的平行光束；該平行光束進入分光棱鏡6，被分束為透射和反射兩束平行光，其中透射光束稱為參考光，反射光束稱為物光。物光經反射鏡7反射后照射到空間光調制器8上，加載有圖像信息的空間光調制器8放置于運動平臺13上作為待測物，也可以選用其他物體作為待測物，從空間光調制器8透射出來帶有圖像信息的物光入射到分光棱鏡10 ;參考光經過反射鏡9反射，反射后的參考光入射到分光棱鏡10 ;參考光與物光在分光棱鏡10中成一定夾角共同入射到圖像采集器11的記錄靶面上、相互干涉形成全息圖，并由圖像采集器11記錄此全息圖，稱為數字全息圖，并將所記錄的數字全息圖傳送到計算機12中，完成數字全息圖的記錄過程。儀器控制單元用于實現數字全息圖記錄中的儀器控制并進行實驗控制。儀器控制單元連接方式如圖2所示，硬件部分包括計算機12、PCI7489數據轉換卡14、ESP310運動平臺控制器15、圖像采集卡16、快門2、空間光調制器8、圖像采集器11、運動平臺13。PCI7489數據采集卡14插在計算機12的PCI卡槽中，所述PCI7489數據采集卡14通過一個5V-15V的電平轉換電路連接到快門2，用于控制快門動作。ESP310運動平臺控制器15通過計算機12上的串口與其連接，所述ESP310運動平臺控制器15與運動平臺13連接，用于控制所述運動平臺13的平移。運動平臺13可以選用例如一維、二維、三維等任意維數的運動平臺。圖像采集器11通過數字圖像采集卡16與計算機12連接；空間光調制器8直接與計算機相連。儀器控制模塊由數字全息圖記錄控制模塊、運動平臺控制模塊、快門控制模塊、空間光調制器控制模塊、以及圖像采集控制模塊構成。如圖3所示，數字全息圖記錄控制模塊17分別與運動平臺控制模塊18、快門控制模塊19、空間光調制器控制模塊20、以及圖像采集控制模塊21通信連接，實現數據交互、處理和控制，并向用戶提供指令輸入與功能選擇。運動平臺控制模塊18用于控制運動平臺13移位運動。所述運動平臺控制模塊18通過ESP310運動平臺控制器15實現與運動平臺13的通信并控制其運動。所述運動平臺13通過自帶連接線與運動平臺控制器15連接，運動平臺控制器15通過串口線與計算機12連接。運動平臺控制模塊18的通信和控制指令通過計算機上的標準接口送到運動平臺控制器15，運動平臺控制器15將指令解析并轉換為用以控制運動平臺的電信號，控制運動平臺13移動。運動平臺控制模塊可以實現對運動平臺所載物體位置的控制和運動平臺載物臺移動速度的控制。快門控制模塊19用于控制光學快門2的開啟和關閉。所述快門控制模塊19與PCI7489數據采集卡14通信并通過其控制快門2開啟和關閉。光學快門2通過四針航空接口線與電平轉換電路相連，電平轉換電路可將5V的計算機12輸出電信號轉換為15V的光學快門控制電信號。計算機12發送5V的控制電平信號至電平轉換模塊，電平轉化模塊將5V信號轉換為15V信號后，將命令發送給光學快門，以此實現快門的開關。結合計算機中的定時器，快門控制模塊主要作用是實現光學快門的定時開關。空間光調制器控制模塊20與所述空間光調制器8進行數據通信，用以控制空間光調制器8加載圖像。空間光調制器8通過DVI視頻傳輸線與計算機12連接，計算機12通過DVI視頻傳輸線將所要加載的圖像傳輸到空間光調制器上。空間光調制器控制模塊20通過控制空間光調制器8上的加載圖形、圖像尺寸、圖像位置等基本參數，可以實現在空間光調制器上加載和修改圖像。圖像采集控制模塊21通過圖像采集卡16與CXD圖像采集器11進行數據通信并控制其記錄全息圖，得到數字全息圖。所述圖像采集控制模塊21為CCD圖像采集器11設置采集位置、采集圖像分辨率、采集圖像尺寸等基本參數，并控制所述CCD圖像采集器11進行全息圖的圖像信息采集。CXD圖像采集器11通過圖像采集卡16與計算機12連接。CXD圖像采集器11記錄數字全息圖后，通過圖像采集卡16將數字圖像傳至計算機中，由成像重構顯示單元直接進行數值成像重構處理或保存后再做成像重構處理。
成像重構顯示單元包括成像重構模塊和在線顯示模塊兩部分，所述成像重構模塊對所記錄的離軸菲涅爾數字全息圖采用角譜算法數值重構出物體的再現像；所述在線顯示模塊可以對數值重構過程各步驟結果進行圖像順序顯示，也可以對數值重構成像過程的選定步驟結果進行圖像選擇性顯示。所述在線顯示模塊和成像重構模塊互為表里，成像重構模塊完成對所采集的全息圖進行數值重構計算，實現數值成像重構；在線顯示模塊通過輸出圖像數據，完成所要求的數值成像過程顯示。將圖像采集器11記錄的數字全息圖輸入計算機12，由成像重構模塊按步驟進行圖像處理。如圖4所示，數字全息圖的成像重構處理過程包括:S1從圖像采集器輸入數字全息圖并進行圖像優化截取；S2對優化截取后的全息圖進行傅里葉變換；S3得到所述全息圖的頻譜圖；S4對所述頻譜圖進行頻譜濾波；S5得到+1級頻譜；S6對所述+1級頻譜進行逆傅里葉變換；S7得到記錄平面復振幅分布；S8對記錄平面復振幅分布圖取絕對值；S9得到記錄平面振幅圖；S10輸入再現距離后，Sll對記錄平面復振幅分布圖數值模擬其光波在自由空間的角譜法傳播；S12得到觀察平面復振幅分布圖；S13對觀察平面復振幅分布圖取絕對值；S14得到觀察平面振幅圖；S15對觀察平面復振幅圖進行Angel函數處理提取相位，得到帶有包裹相位的二維相位圖S16 ；S17對帶有包裹相位的二維相位圖進行相位解包裹；S18得到具有真實相位的二維相位圖；S19對真實相位的二維相位圖進行三維相位重構；S20得到所記錄物體的三維相位圖。在成像重構處理過程中，依次得到頻譜圖、+1級頻譜圖S5、記錄平面振幅圖、觀察平面振幅圖、包裹相位圖、二維相位圖、以及三維相位圖，所述圖像數據可以呈現數值重構處理的成像演變過程。在線顯示模塊與所述成像重構模塊通信連接，可以實現成像重構過程中圖像數據的按需顯示，包括順序顯示、選擇顯示兩種顯示模式。所述順序顯示模式配置為，將所述成像重構模塊處理得到的圖像數據實時傳輸給在線顯示模塊，按步驟順序顯示出頻譜圖、+1級頻譜圖、記錄平面振幅圖、觀察平面振幅圖、包裹相位圖、二維相位圖、以及三維相位圖。所述選擇顯示模式配置為，根據輸入顯示指令，將處理得到的、指定的圖像數據傳輸給在線顯示模式，用以輸出顯示選定步驟的圖像。數字全息成像經常需要對物體進行多次再現成像，每次再現成像過程中會對部分參數進行微調。所述成像重構模塊會將每一次成像重構全過程的圖像數據發送并保存到在線顯示模塊，使所述在線顯示模塊可以針對不同顯示要求，靈活地實時顯示重構成像過程中感興趣步驟的圖像，實現了數字全息再現結果的智能顯示。根據本發明的數字全息成像在線重構顯示系統及方法的數字全息圖記錄過程和成像重構過程在計算機控制下自動完成，在變換物體的情況下，其數字全息圖通過數值模擬成像重構后，仍可以分步輸出、在線顯示重構成像。盡管參考特定實施例詳細描述了本發明，在此描述的本發明實施例的意圖不是詳盡的或者局限于所公開的具體形式。相反，所選的用于說明問題的實施例是為了使本技術領域內的技術人員實施本發明而選擇的。在不脫離下面的權利要求所描述和限定的本發明的實質范圍的情況下，存在變型例和修改例。
權利要求
1.一種數字全息成像在線重構顯示系統，包括 一種離軸菲涅耳數字全息記錄光路，配置為記錄其+1級衍射像、O級衍射像、以及-1級衍射像分離的數字全息圖； 一種儀器控制單元，配置為由計算機、儀器控制模塊和儀器控制接口組成，對快門、運動平臺、空間光調制器、圖像采集器進行控制和操作，完成數字全息圖記錄；以及 一種成像重構顯示單元，對數字全息圖進行成像重構處理、以及實現在線分步顯示。
2.根據權利要求1所述的數字全息成像在線重構顯示系統，其所述儀器控制模塊包括數字全息圖記錄控制模塊、運動平臺控制模塊、快門控制模塊、空間光調制器控制模塊、以及圖像采集控制模塊。
3.根據權利要求1所述的數字全息成像在線重構顯示系統，所述數字全息圖記錄控制模塊分別與運動平臺控制模塊、快門控制模塊、空間光調制器控制模塊、以及圖像采集控制模塊通信連接并進行數據交互、處理和控制，同時向用戶提供指令輸入與選擇。
4.根據權利要求1所述的數字全息成像在線重構顯示系統，其所述成像重構顯示單元由成像重構模塊和在線顯示模塊組成，所述成像重構模塊對數字全息圖進行數值模擬成像重構，所述在線顯示模塊實現成像重構的圖像顯示。
5.根據權利要求1所述的數字全息成像在線重構顯示系統，其所述在線顯示模塊具有順序顯示模式和選擇顯示模式。
6.一種數字全息成像在線重構顯示方法，包括步驟: 采用一種離軸菲涅耳全息記錄光路，在圖像采集器上記錄數字全息圖； 一種儀器控制單元的數字全息圖記錄控制模塊分別與運動平臺控制模塊、快門控制模塊、空間光調制器控制模塊、以及圖像采集控制模塊進行數據通信，控制快門開啟、運動平臺平移、在空間光調制器上加載物像、以及由圖像采集器記錄全息圖； 一種成像重構顯示單元采用數值再現算法，數值模擬數字全息圖的衍射成像過程，重構得到原物的再現像； 成像重構模塊將重構處理數據發送給在線顯示模塊，所述在線顯示模塊對數值重構成像過程各階段的圖像進行在線顯示。
7.根據權利要求6所述的數字全息成像在線重構顯示方法，所述空間光調制器控制模塊與所述空間光調制器數據通信，將加載圖形、圖像尺寸、圖像位置等基本參數傳輸給空間光調制器，并控制空間光調制器上圖像的加載和調整。
8.根據權利要求6所述的數字全息成像在線重構顯示方法，所述圖像采集控制模塊與所述圖像采集器數據通信，將圖像位置、圖像分辨率、圖像尺寸等基本參數傳輸給圖像采集器，并控制圖像采集器進行圖像數據采集和保存。
9.根據權利要求6所述的數字全息成像在線重構顯示方法，所述成像重構模塊的數值模擬再現算法包括角譜算法、菲涅耳算法、以及卷積算法。
10.根據權利要求6所述的數字全息成像在線重構顯示方法，所述在線顯示模塊的顯示方式包括對數值重構過程各步驟結果進行圖像順序顯示，或者對數值重構成像過程的選定步驟結果進行圖像選擇性顯示。
全文摘要
本發明涉及一種數字全息成像在線重構顯示系統及其方法，可分步順序顯示和選擇性顯示重構成像過程。包括一種離軸菲涅耳數字全息記錄光路、一種儀器控制單元、以及一種成像重構顯示單元。采用離軸菲涅耳數字全息記錄光路，在儀器控制單元的控制下，在圖像采集器上記錄數字全息圖；成像重構顯示單元采用數值再現算法，數值模擬所述數字全息圖的衍射成像過程，同時通過人機交互界面向用戶進行操作提示、接收指令輸入、以及數據顯示，對數字全息成像重構過程中各階段的圖像進行在線分步顯示，實現對原物的成像重構。
文檔編號G03H1/12GK103186090SQ201310082100
公開日2013年7月3日 申請日期2013年3月14日 優先權日2013年3月14日
發明者江竹青, 王喆, 陳依菲, 陶世荃, 王大勇, 萬玉紅, 王云新 申請人:北京工業大學