合成相移數字全息顯微技術的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種數字全息顯微技術，具體涉及一種采用合成相移算法的數字全息 顯微技術。
【背景技術】
[0002] 數字全息顯微技術就是以數字全息為基礎，結合光學顯微技術發展而來的一種新 型顯微成像技術。參見（J. Opt. Soc. Am. 4 (1)，159-165,1987)。然而，如今數字全息技術的 發展遇到了一個巨大的瓶頸，即CCD的分辨率低而且帶寬小。目前市場上常見CCD的多為 百萬像素，分辨率低，遠遠不能滿足數字全息顯微的實際需求。在無透鏡的全息光路中，干 涉條紋的密度通常要小于IumX lum，所以現有CCD通常無法記錄下完整的干涉條紋的信 息。
[0003] 為了解決這個問題，在可見光范圍，通常引入高數值孔徑的透鏡放大干涉場。但透 鏡的引入會使得視場嚴重減小。為了得到大視場成像，通常不得不采用移動樣品來完成，但 得到的卻是一些殘缺不全的像，需要進行圖像拼接融合。在短波長范圍，由于高數值孔徑透 鏡的制造難度大，根據成像原理，可以通過增大衍射距離來減少對CCD靶面尺寸的要求，但 過遠的記錄距離會丟失物體的高頻信息，降低再現像的分辨率。所以要提高成像的分辨率， 一個關鍵問題是如何突破CCD靶面尺寸和像素大小的限制。原理上可以把CCD的像素數提 高到任意值，但是由于成本和技術的制約，CCD像素的提高非常困難，并且過高的像素還會 降低成像的靈敏度。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是為了克服現有技術的不足，提供了一種新的相移算法，用以解決 如何提高CCD分辨率，空間帶寬積利用率以及信噪比的問題。
[0005] 本發明的目的可通過以下技術措施實現：
[0006] 基于Mach-Zehnder干涉結構構建了合成相移數字全息系統。在參考光路中放 置隨機相位板以使相位隨機分布，利用壓電陶瓷（PZT)驅動隨機相位板產生微小位移δ， 2 δ，...，Νδ，這樣就能產生N個相應的相移干涉圖。然后利用本發明提出的合成相移算法 將這些低分辨率的干涉圖的每個像素分為若干個小像素，再進行合成，進而獲得一個高分 辨率的干涉圖，再對其進行逆運算就可以得到具有高分辨率和信噪比的原像。
[0007] 本發明采用合成相移算法，它的具體實現過程為：
[0008] (1)首先以8個具有不同相移的低分辨率干涉圖Iu，Ι?2, · · ·，Ι?8為例。上述8個 低分辨率干涉圖為CCD直接拍攝，為已知條件。
[0009] (2)將每個低分辨率干涉圖中的單個像素分為4個小像素，比如將I1分為i n，i12， i13, i14，利用算法可以求解出具有高分辨率的干涉圖。令IH1，IH2, . . .，IH8表示對應于8個 不同相移下的高分辨率干涉圖。
[0010] (3)根據光強的可直接疊加特性，低分辨率和高分辨率的干涉圖Ibll和I Ηηι的像素 存在如下關系：
[0012] 下角標m代表第m步相移，η代表干涉圖上不同像素。
[0013] (4)根據干涉理論，存在如下關系
[0015] (5)現在我們先討論第一幅相移圖（m = 1)。將步驟（4)的公式代入步驟⑶的 公式有
[0017] 其中tkf可由接收的物光強度直接求得，由于參考光的隨機相位板已知，所以 也可以直接計算得到rmn。
[0020] (7)為了使得求解問題簡化，我們應用了數學中的變量代換思想，令c和X分別代 表參考光和物光：
[0025] 則得到線性方程組：
[0026] CnlXfcn2X2+…+C nsX8= b n
[0027] (8)上述方程中，參考光已知。這樣用精密平移臺精確移動隨機相位板至八個不同 位置（m= 1，2，...，8)，引入不同相移，即可得到方程組：
[0028] c11x1+c12x2 +··*+C18X8= b !
[0029] C21Xfc22X2+…+C 28X8 - b 2
[0030] ......
[0031 ] C81Xfc82X2+…+C 88X8 - b 8
[0032] (9)假定C⑶的像素間距是Λ，最小干涉帶寬是σ ^為了使圖像的分辨率提高β 倍，應該有N幅干涉圖： CN 105116706 A 說明書 3/4 頁
[0034] (10)推廣到有m = N個低分辨率相移干涉圖的情形（m = N = t = 2n)
[0035] 原則上，本發明方法只要增加相移就可提高C⑶的分辨率。為了得到物光0, = 1>2, ，簡便方法是擴大方程個數并且保證這些方程式相互獨立。通過一維方向上移動參考 光得到2n個關于求解物光波的線性方程組：
[0036] C11Xfc12X2+...+clnx t= b i
[0037] C21X1~*~C22X2~*~*** ~*~C2nXt - t) 2
[0038] ......
[0039] Cn1X^Cn2X2+*** +cNnxt -b N
[0040] 對每一個C⑶的像素進行計算，就可得到最終光強分布I。。通過對I。做逆運算， 就可恢復出物函數的復振幅分布。
[0041] (11)在實際的實驗操作中，干涉圖像中會存在噪聲，為抑制噪聲，可將第（10)步 中的方程組的方程個數推廣到m = N > 2n的情形。通過求解超定方程，能夠很好地抑制噪 聲，方程個數增多則抑制噪聲的效果更好。
[0042] 本發明與現有的發明相比存在以下優點：
[0043] 1)本發明采用同軸全息裝置，相比離軸裝置，記錄條件寬松，記錄帶寬大；
[0044] 2)本發明與傳統的相移數字全息相比，既不會增加實驗的復雜度，又保留了傳統 相移全息不存在零級光斑和共輒像的優勢；
[0045] 3)本發明與合成孔徑數字全息相比，只需要一維方向上移動參考光，并且無需進 行全息圖的無縫拼接融合；
[0046] 4)本發明通過巧妙地求解線性方程組將大量低分辨率的相移全息圖進行合成，從 而獲得一個高分辨率的全息圖。然后對該全息圖進行逆變換，進而再現出具有超大分辨率 和高信噪比的物體原像。