專利名稱：基于方向頻譜分離的數字全息層析圖像記錄裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于方向頻譜分離的全息層析圖像記錄裝置。該裝置中激光器發出的光分別從空間的三個方向通過物體，通過頻譜分離獲得三個方向的信息，并利用數字全息層析算法重建透明物體的三維結構。
背景技術：
基于數字全息層析技術實現透明物體內部三維結構檢測時，需要獲得多個投射方向的投影信息。目前的方法是分時采集不同方向的信息或在空間分布多個CCD進行同時采集。第一種方式無法實現動態測量，第二種方式系統復雜且匹配標定困難。基于這樣的問題，本發明提出一種基于方向頻譜分離的全息層析圖像記錄裝置。該裝置中激光器發出的光分別從空間的三個方向通過物體，每個方向通過菲涅耳棱鏡放置方向的不同實現不同的載波，所形成三組全息圖像并被同一個C⑶攝像機所記錄。在數據處理時，通過傅立葉頻譜分離的方法分別獲得三個方向信息，并利用數字全息層析算法重現透明物體的三維結構。本發明裝置的特點是(1)裝置通過合理放置三路投射光路中的菲涅耳棱鏡，實現全息圖的不同載波方向，從而為三路投影信息的分離建立基礎；(2)三路投射光路的信息為同一個CCD同時接收，滿足了測量動態性的要求；(3)由于三路信息載波方向的不同， 采用傅立葉變換頻譜分離的方法實現了三路投射信息的分離，從而可以用數字全息層析算法重構物體的三維結構。該裝置動態性好，抗干擾能力強，并容易實現系統小型化，在生物、 醫學領域的實時檢測方面有重要的應用前景。
發明內容
本發明的目的在于針對已有技術存在的缺陷，提供一種基于方向頻譜分離的數字全息層析圖像記錄裝置，采用數字全息層析方法測量物體三維結構，實現具有動態性全息層析圖像記錄。為達到上述目的，本發明的構思是
(一)激光器經過分束器分分成三個光強相同的光束并經過擴束照射到被測物體； (二)經過物體的各光束光路在菲涅耳雙棱鏡作用下產生干涉圖樣；(三)利用CCD收集干涉圖樣；(四)利用不同的頻譜方向對不同方向的振幅和相位信息分別提取；(五)計算機處理信號并進行結構重建，獲得被測物體的層析圖像。根據上述發明構思，本發明采用如下的技術方案一種基于方向頻譜分離的全息層析圖像記錄裝置由一個激光器、一個分束器、三個由空間濾波器和負透鏡構成的光束擴束組件、三個菲涅耳雙棱鏡、三個遮光板、兩個平面反射鏡和一個CXD攝像機。具體實現過程的光路(見圖1)，激光器發出的光束經過分束器分成三束光，之后三個方向光路的每一光路的空間濾波器和一個負透鏡后擴展光束，然后共同投射到被測物體上，之后沿原方向通過一個所述菲涅耳雙棱鏡分波前后干涉，無效的光束被遮擋板遮擋；然后經過一個所述平面反射鏡的作用下，三個方向的光束共同照射到CCD攝像機，通過數據采集卡將數據傳輸
3至計算機，在所述計算機中經過分離頻譜提取各方向干涉信息后由層析算法重建被測圖像信息。所述三方向光路中三個光束擴束組件和三個菲涅耳雙棱鏡分別分布于空間的平面的一個正六邊形的六個邊上，三個菲涅耳雙棱鏡放置在該六邊形相鄰的三個邊上，三個空間濾波器放置在另外的三個相鄰邊上，相對的菲涅耳雙棱鏡和空間濾波器與之間的負透鏡構成其中一束光路的引導器件。其中各光束的光束擴束組件和菲涅耳雙棱鏡距離相同，三束光路之間夾角為v/X旁邊兩束光路中的菲涅耳雙棱鏡與中間光路的菲涅耳雙棱鏡之間夾角為v//，同時各路相同器件位置需放置在以0點為圓心的圓周上，0點為三束光路光軸的交點。上述的數字全息層析圖像記錄裝置中，所述的被測物體依據菲涅耳雙棱鏡的原理對放置位置有一定要求，物體應放置在負透鏡和菲涅耳雙棱鏡之間并且在三束光軸一側的重疊區，保證通過被測物體的波前在分束后仍然完整同時被三束光路記錄。上述的數字全息層析圖像記錄裝置中，所述的菲涅耳雙棱鏡的位置要求是，其位置的方向要求三個菲涅耳雙棱鏡在與傳播光光軸垂直平面上兩邊光路與中間光路的菲涅耳雙棱鏡彼此方向夾角為"4。上述的數字全息層析圖像記錄裝置中，所述的菲涅耳雙棱鏡的結構要求是，其頂角的大小要求在采集過程中引入適當的載波頻率，保證再現采集的全息圖中物波能從零級及共軛像中分離出來。上述的數字全息層析圖像記錄裝置中，所述的CXD攝像機需根據采用采集頻率要求來確定其采集所用的分辨率，同時所述的CCD攝像機連接裝有圖像采集卡的計算機。上述的數字全息層析圖像記錄裝置中，全息圖的載波頻率、頻譜傾斜依靠菲涅爾雙棱鏡控制，需要測試者對測量原理有一定的理解。本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的進步本發明使用一個激光器、三個光束擴束組件、三個菲涅耳雙棱鏡、一個CCD攝像機和一個計算機等構成。本發明是一種三方向同頻率光同軸式的數字全息圖記錄系統，三路信息載波方向的不同，采用傅立葉變換頻譜分離的方法實現了三路投射信息的分離，從而可以用數字全息層析算法重構物體的三維結構，該裝置動態性好，抗干擾能力強，并容易實現系統小型化。
圖1是系統結構圖。圖2是圖1中菲涅耳雙棱鏡的空間放置關系圖。圖3是圖1中單束光路分析圖。圖4是采集圖像處理流程圖。
具體實施例方式本發明的優先實施例詳述如下 實施例一
參見圖1，本基于方向頻譜分離的全息層析圖像記錄裝置，包括一個激光器(1)、一個分束器( 、三個空間濾波器( 、三個負透鏡(4)、三個菲涅耳雙棱鏡(6)、三個遮擋板(7)、 兩個平面反射鏡(8)和一個CCD攝像機(9)。所述三方向光路中三個光束擴束組件和三個菲涅耳雙棱鏡分別分布于空間的平面的一個正六邊形的六個邊上，三個菲涅耳雙棱鏡(6) 放置在該六邊形相鄰的三個邊上，三個空間濾波器(4)放置在另外的三個相鄰邊上，相對的菲涅耳雙棱鏡(6)和空間濾波器(3)與之間的負透鏡(4)構成其中一束光路的引導器件。其中各光束的光束擴束組件(3、4)和菲涅耳雙棱鏡(6)距離相同，三束光路之間夾角為v/J，旁邊兩束光路中的菲涅耳雙棱鏡(6)關于中間光路對稱且兩邊光路與中間光路的菲涅耳雙棱鏡(6)之間夾角為v/么同時各路相同器件位置需放置在以0點為圓心的圓周上，0點為三束光路光軸的交點；光束擴束組件由空間濾波器C3)和負透鏡(4)組成，可通過兩者的位置關系調節光束的張角；其核心部件菲涅耳雙棱鏡(6)實現了分波面、載頻和改變頻譜方向的功能。實施例二
本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下
所述的被測物體( 放置在負透鏡(4)和菲涅耳雙棱鏡(6)之間并且在三束光軸一側的重疊區，保證通過被測物體(5)的波前在分束后仍然完整同時被三束光路記錄。所述的菲涅耳雙棱鏡(6)在與傳播光光軸垂直平面上。所述的菲涅耳雙棱鏡(6)的頂角大小要求在采集過程中引入的載波頻率能保證再現采集的全息圖中物波能從零級及共軛像中分離出來。所述CCD攝像機(9)需根據采用采集頻率要求來確定其采集所用的分辨率，同時所述的CCD攝像機(9)連接裝有圖像采集卡的計算機(10)。工作原理如下
本方法的具體實施步驟為激光器(1)發出的光束經過分束器( 分成三束光，之后各個光束通過各自光路的空間濾波器C3)和負透鏡(4)后擴展光束，然后共同投射到被測物體(5)上，之后沿原方向通過菲涅耳雙棱鏡(6)分波前后干涉，無效的光束被遮擋板(7)遮蔽。經過平面反射鏡(8)的作用下照射到CXD攝像機(9)，通過數據采集卡將數據傳輸至計算機(10)后經過分離頻譜提取各方向干涉信息后層析算法。如圖1所示，經過分束器(2)分束的激光分別經過擴束并照射透明物體或者可透射物體(5)，后各束光路在菲涅耳雙棱鏡(6)作用下產生干涉圖樣，在平面鏡(9)作用下將三束光路匯集并CCD攝像機(9)采集。如圖1所示，所述的整個系統三方向光路中各光束的空間濾波器(3)、負透鏡
和菲涅耳雙棱鏡(6)距離比例相同，旁邊兩束光路關于中間光路對稱且之間夾角為π/3 -’ 同時各路相同器件空間濾波器(3)、負透鏡G)、菲涅耳雙棱鏡(6)位置需放置在以0點為圓心的圓周上，0點為三束光路光軸的交點；其中光束擴束組件中的空間濾波器C3)和負透鏡⑷之間的距離由被測物體(5)大小決定。如圖2所示，所述的三個菲涅耳雙棱鏡(6)的空間擺放位置不同，A圖中菲涅耳雙棱鏡(6)的棱錐與水平面垂直，B圖中菲涅耳雙棱鏡(6)的棱錐與水平面方向平行，C圖中菲涅耳雙棱鏡(6)的棱錐與水平面方向成ν/4角，因此三者形成的空間頻譜方向彼此不同。如圖3所示，激光器⑴發出的光束經過擴束器0)，在空間濾波器⑶濾波聚焦于點S，在負透鏡(4)作用下是光束以一定角度傳播，S，為經過負透鏡(4)后光束會聚點。對于一束光路，設空間濾波器的光束會聚點S與負透鏡(4)之間的距離為-Λ負透鏡⑷的焦距為/"，則根據光學成像理論，虛像點S’與負透鏡⑷之間的距離i>為
權利要求
1.一種基于方向頻譜分離的全息層析圖像記錄裝置包括一個激光器(1)、一個分束器 O)、三個由空間濾波器C3)和負透鏡(4)構成的光束擴束組件、三個菲涅耳雙棱鏡(6)、三個遮光板(7)、兩個平面反射鏡(8)和一個CCD攝像機(9)，具體實現過程的光路所述激光器(1)發出的光束經過所述分束器( 分成三束光，之后三個方向光路的光束分別通過一個空間濾波器C3)和一個負透鏡(4)后擴展光束，然后共同投射到被測物體( 上，之后沿原方向通過菲涅耳雙棱鏡(6)分波前后干涉，無效的光束被遮擋板(7)遮擋，然后經過一個所述平面反射鏡(8)的作用下，三方向光路的光束共同照射到CCD攝像機(9)，通過數據采集卡將數據傳輸至計算機(10)，在所述計算機(10)中經過分離頻譜提取各方向干涉信息后由層析算法重建被測圖像信息；所述三方向光路中三個光束擴束組件和三個菲涅耳雙棱鏡分別分布于空間的平面的一個正六邊形的六個邊上，三個空間濾波器(3)放置在該六邊形相鄰的三個邊上，三個菲涅耳雙棱鏡(6)放置在另外的三個相鄰邊上，相對的空間濾波器C3)和菲涅耳雙棱鏡(6)與之間安置的負透鏡(4)；其中各光束的光束擴束組件和菲涅耳雙棱鏡(6)距離相同，三束光路之間夾角為v/J，旁邊兩束光路中的菲涅耳雙棱鏡(6)與中間光路的菲涅耳雙棱鏡(6)之間夾角為v/么同時各路相同器件位置需放置在以0點為圓心的圓周上，0點為三束光路光軸的交點。
2.根據權利1所述的基于方向頻譜分離的全息層析圖像記錄裝置中，其特征在于所述的被測物體( 放置在負透鏡(4)和菲涅耳雙棱鏡(6)之間并且在三束光軸一側的重疊區，保證通過被測物體(5)的波前在分束后仍然完整同時被三束光路記錄。
3.根據權利1所述的基于方向頻譜分離的全息層析圖像記錄裝置中，其特征在于所述的菲涅耳雙棱鏡(6)在與傳播光光軸垂直平面上。
4.根據權利1所述的基于方向頻譜分離的全息層析圖像記錄裝置中，其特征在于所述的菲涅耳雙棱鏡(6)的頂角大小要求在采集過程中引入的載波頻率能保證再現采集的全息圖中物波能從零級及共軛像中分離出來。
5.根據權利1所述的基于方向頻譜分離的全息層析圖像記錄裝置中，其特征在于所述 CCD攝像機(9)需根據采用采集頻率要求來確定其采集所用的分辨率，同時所述的CCD攝像機(9)連接裝有圖像采集卡的計算機(10)。
全文摘要
本發明涉及一種基于方向頻譜分離的全息層析圖像記錄裝置。該裝置中，激光器發出的一束光經過分束鏡分束分別從三個方向通過物體，所形成的三組全息信號記錄在一幅圖像中，它由三個激光器、三個擴束器件、三個菲涅耳雙棱鏡以及一個CCD攝像機等部分組成。三束光其中一部分光經過被測物體，通過菲涅耳雙棱鏡后彼此干涉后形成的信息由CCD攝像機記錄，經過頻譜分離各方向的干涉信息后通過層析算法得出被測物體的輪廓和內部結構的動態信息。該裝置動態性好，抗干擾能力強，并容易實現系統小型化，在生物、醫學領域的實時檢測方面有重要的應用前景。
文檔編號G01B11/24GK102506755SQ201110360450
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月15日 優先權日2011年11月15日
發明者于瀛潔, 劉均琦, 周文靜, 唐智, 葛東寶 申請人:上海大學