多波長自適應數字全息成像系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及數字全息成像術，屬于三維數字成像領域，更具體地說，本發明涉及一 種多波長可調諧的自適應數字全息成像系統及方法。
【背景技術】
[0002] 數字全息術作為一種新型三維數字成像技術，其記錄和重構成像皆涉及數字化過 程。相對于使用全息干板進行波前記錄的傳統全息術，數字全息使用光電耦合器件（CMOS 或CCD)進行波前記錄，使用計算機數值模擬衍射傳播過程進行波前重構，進而獲得待記錄 物體真實的三維形貌信息。
[0003] 離軸數字全息術是一種為了解決孿生像問題而提出的全息術，其記錄光路通常采 用馬赫澤德干涉儀系統，實現離軸數字全息圖的記錄。全息圖記錄過程中，不依靠由物體直 接透射的光作為參考光波，而是引入另一光束作為參考光，參考光與物光成一定夾角傳播， 而不是共線傳播。由圖像采集器記錄所形成的干涉條紋，就得到離軸數字全息圖。
[0004] 數字全息頻譜濾波術特指于離軸數字全息術波前信息數值重構過程中，對經由傅 里葉變換獲得的頻譜圖進行有效信息提取的過程。其目的在于，從全息圖頻譜中濾除孿生 項，提取出正一級頻譜信息。
[0005] 多波長數字全息術是為了擴展數字全息成像探測范圍而提出的一種新型數字全 息成像術，主要目的是克服單波長數字全息術對表面形貌復雜和具有較大起伏的物體再現 能力差的問題。常見的多波長數字全息術為雙波長數字全息和三波長數字全息，但不僅限 于雙波長和三波長情況。多波長數字全息術圖像重構特點是將單波長數值重構所獲得的不 同波長的相位圖兩兩相減并相位補償，進而獲得等效波長相位圖，以此實現多波長波前重 構。
[0006] 由于數字全息成像技術的有效成像探測深度受限于所使用的記錄波長，故對于未 知深度信息的待測物體，無法快速確定其適用的記錄波長，需要進行第三方檢測（表面輪 廓儀、原子力顯微鏡等）來確定其深度信息分布范圍后，方可選定記錄波長，進行數字全息 波前重構。
[0007] CCD或CMOS圖像采集器是由高感光度的半導體材料制成、能實現光信號向電信號 轉化的圖像采集設備，此類設備可以采集到照射于其靶面的圖像，但是無法識別所記錄圖 像的照明光源波長。
【發明內容】
[0008] 本發明目的在于提供一種多波長自適應數字全息成像系統和方法，特別是通過一 種離軸數字全息圖頻譜掃描法識別所記錄全息圖的記錄光波長，以及使用波長可調諧激光 光源進行多波長數字全息成像的系統，有利于對深度信息分布范圍未知的待測物體實現準 確的多波長數字全息成像探測。
[0009] -種多波長自適應數字全息成像系統，其特征在于包括：多波可調諧激光器1、擴 束準直器2、光闌3、第一分光棱鏡4、第一反射鏡5、第二反射鏡6、第二分光棱鏡7、待測物 體8、圖像采集器9以及計算機10,其中第一分光棱鏡、第一反射鏡、第二反射鏡和第二分光 棱鏡構成馬赫澤德干涉儀光路，由第一分光棱鏡、第一反射鏡和第二分光棱鏡構成馬赫澤 德干涉儀結構的物臂，由第一分光棱鏡、第二反射鏡和第二分光棱鏡構成馬赫澤德干涉儀 結構的參考臂；
[0010] 可調諧多波長激光器1出射的激光經擴束準直器2擴束后，照射到光闌3上，經由 光闌3調整光斑大小后，該光束照射到第一分光棱鏡4處；光束由第一分光棱鏡4分為兩束 光束，其中透射光束為物光光束，反射光束為參考光光束；待測物體放置于第一反射鏡和第 二分光棱鏡之間或者放置在第一反射鏡和第二分光棱鏡的延長線上。
[0011] 應用所述系統的方法，其特征在于依次包括：首先經由Sl輸入全息圖導入單波長 數字全息圖，其后進行S2波長關聯識別獲得對應單波長數字全息圖的記錄波長，然后將Sl 導入的單波長全息圖和S3輸出全息圖記錄波長一同導入S4單波長數字全息相位重構，最 終獲得S5單波長相位圖；完成一次完整的單波長數字全息圖數值重構后，進行S6判斷過 程，判斷是否完成了經由多波長數字全息記錄單元記錄的所有單波長全息圖的數值重構， 若未完成則返回Sl步驟，若完成則將所有單波長相位圖導入S7多波長自適應相位重構中， 進行多波長相位重構和自適應篩選，實現S8多波長相位圖獲取。
[0012] 進一步，S2波長關聯識別包括6個步驟：S2-1傅里葉變換，對全息圖進行傅里葉 變換，獲取其頻譜分布信息；S2-2獲得全息圖的頻譜圖，用于獲得并輸出全息圖的頻譜圖； S2-3零級頻譜區域判定，用于在頻譜域中判定劃分出零級頻譜的區域，并在之后S2-4正一 級頻譜掃描中，不再對所述的零級頻譜區域進行掃描；S2-4正一級頻譜區域掃描，用于掃 描分析零級頻譜區域之外的正一級頻譜區域；S2-5獲得正一級頻譜中心點位置；S2-6記錄 波長判定，用于在S2-5獲得正一級頻譜中心點位置后，根據頻譜域波長分布關系進行記錄 波長判斷，計算得出記錄波長值。
[0013] 進一步，S4單波長數字全息相位重構包括5個步驟：S4_1傅里葉變換，獲得各全息 圖的頻譜圖；由S4-2頻譜濾波，提取各頻譜圖中正一級頻譜信息；由S4-3傅里葉逆變換， 將正一級頻譜還原為記錄平面復振幅分布；由S4-4角譜自由空間傳播，使用輸入的各全息 圖記錄波長值，數值計算光波在自由空間中的傳播，得到觀察平面上的復振幅分布；然后， 進行S4-5Angle角函數處理，利用Angle角函數處理獲得單波長相位圖。
[0014] 進一步，S7多波長自適應相位重構包括以下步驟：S7-1等效波長合成，使用兩個 波長進行等效波長合成；S7-2獲得等效波長，得到等效波長值，并保存合成該等效波長的 兩個單波長值；S7-3雙波長相位重構，使用合成所述等效波長的兩個波長對應的單波長相 位圖進行相減，數值重構等效波長相位圖；在S7-4等效波長相位圖，獲得等效波長相位圖 信息，轉化為人眼可識別的黑白圖像并顯示；S7-5包裹相位判定，判別所述的等效波長相 位圖中是否包含包裹相位，若含有包裹相位，則返回S7-1等效波長合成，重新選取兩個波 長合成一個新的等效波長，并進行相應的雙波長相位重構，若不含有包裹相位，則將所述等 效波長相位圖輸出，該所述等效波長相位圖即是待測物體的重建相位圖。
[0015] 更為詳細的：
[0016] -種多波長數字全息記錄單元，配置為采用馬赫澤德干涉儀結構的離軸菲涅爾數 字全息記錄光路，使用不同波長激光記錄多幅數字全息圖。多波長數字全息記錄單元對同 一待測物體記錄其對應于不同波長記錄光的數字全息圖，之后使用所述波長關聯識別模塊 對這些不同波長記錄的數字全息圖進行波長關聯識別，其后使用所述單波長數字全息相位 重構模塊獲得對應每個波長的相位圖，然后使用多波長自適應相位重構模塊篩選合適波長 的數字全息圖進行雙波長相位重構，最終得到待測物體的準確相位信息分布。
[0017] 所述多波長數字全息記錄單元，配置為一種離軸菲涅爾數字全息記錄光路，該光 路使用馬赫澤德干涉儀（Mach-Zehnder Interferometer)光路結構和波長可調諧激光器產 生不同波長的數字全息圖，使用諸如CCD或者CMOS圖像采集器記錄對應于不同波長的數字 全息圖，所述數字全息圖為離軸菲涅爾數字全息圖（Off-Axis Fresnel Hologram)。具體包 括：波長可調諧激光器出射的激光作為記錄光，經由擴束準直器進行擴束準直，以及光闌調 整光斑大小后，入射進入所述馬赫澤德干涉儀光路；經第一分光棱鏡透射的物光束和反射 的參考光束分別經物光臂和參考光臂傳播，其中物光束照射待測物體后加載上物信息，然 后所述物光束與所述參考光束在第二分光棱鏡上形成一定夾角（即離軸干涉角）并繼續傳 播，然后在圖像采集器的記錄靶面干涉形成全息圖。
[0018] 所述波長可調諧激光器，為可見光波段的多波長輸出光源。用于產生不同波長的 激光，作為多波長數字全息圖的記錄光束。
[0019] 所述圖像采集器采用通用接口通過圖像采集卡連接到所述計算機，將圖像采集器 的記錄靶面上的單波長全息圖傳送到所述計算機中保存，完成不同波長的數字全息圖像的 記錄。
[0020] 本發明的一種多波長自適應數字全息成像方法包括：記錄多個不同波長的數字全 息圖，使用多波長可調諧激光器對同一待測物體記錄其對應于不