專利名稱：在軸外全息照相中對(duì)物體波的準(zhǔn)確重構(gòu)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及為了實(shí)時(shí)3D測(cè)量使用數(shù)字全息顯微術(shù)的數(shù)字全息照相術(shù)的振幅和定量相位成像。
背景技術(shù)：
數(shù)字全息照相術(shù)是用于不僅記錄振幅圖像而且記錄相位圖像的與正常成像技術(shù)相對(duì)的有效工具。數(shù)字全息照相術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)顯然源自于僅用單個(gè)圖像對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)3D 測(cè)量。另外，即使樣本不在最佳焦點(diǎn)處或者光學(xué)系統(tǒng)包括光行差(aberration)時(shí)，數(shù)字全息照相術(shù)也允許重構(gòu)物體波(object wave)的振幅和相位。
基于這些優(yōu)點(diǎn)，最近，數(shù)字全息照相術(shù)已經(jīng)廣泛用在工業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域，尤其是應(yīng)該實(shí)時(shí)監(jiān)視活體細(xì)胞的振幅和相位圖像的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在制造工業(yè)產(chǎn)品時(shí)，數(shù)字全息照相術(shù)可以利用外形上以及斷層地對(duì)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)檢查而顯著提高生產(chǎn)量。
數(shù)字全息照相術(shù)的原理開始于基于兩步驟處理、記錄和重構(gòu)的傳統(tǒng)全息照相術(shù)。 在記錄處理中，來自物體的散射波與參考波相干涉，并且干涉圖案被記錄在感光介質(zhì)中，即其產(chǎn)生“全息圖”。在記錄處理之后，通過用相同的參考波照射全息圖而不是物體來實(shí)行物體波的重構(gòu)。
與此類似，數(shù)字全息照相術(shù)還具有與傳統(tǒng)全息照相術(shù)相同的過程，但是其使用攝像機(jī)或者光學(xué)傳感器作為記錄介質(zhì)。此外，數(shù)字全息圖允許數(shù)字(numerical)圖像重構(gòu)，其中虛擬地模擬物理重構(gòu)波，并且可以通過數(shù)字波傳播來恢復(fù)物體波。
根據(jù)光學(xué)配置，即參考波和測(cè)量波之間的對(duì)準(zhǔn)，數(shù)字全息照相術(shù)(DH)通?？梢员环诸悶檩S外DH和成直線(in-line) DH。為了避免與物體波能級(jí)(term)重疊的DC能級(jí)(零階衍射)和成對(duì)的圖像能級(jí)(物體波的共軛)，軸外DH使用在參考波和測(cè)量波之間具有傾斜角度的空間調(diào)制和空間濾波技術(shù)。沒有了成直線DH采取來消除那些噪聲影響的工作，軸外 DH允許從全息圖重構(gòu)樣本的振幅和相位圖像。
另一方面，成直線DH通常采取諸如相位偏移的其他技術(shù)來從全息圖僅提取物體波。固有地，成直線DH失去了在應(yīng)用中的諸如實(shí)時(shí)測(cè)量能力的主要力量，盡管成直線DH允許清晰地重構(gòu)圖像。近來，為了克服此限制，已經(jīng)提出基于空間相位偏移設(shè)備的平行光路長(zhǎng)度偏移DH用于實(shí)時(shí)測(cè)量。但是，此方法受到CCD相機(jī)或者光學(xué)傳感器中的可用像素?cái)?shù)量的限制。
在最廣泛用于工業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域中的軸外(off-axis) DH中，由參考鏡的傾斜引起的圖像的空間調(diào)制被引入數(shù)字全息圖中，如圖I所示，并且其用于在空間頻率域中提取物體波的濾波處理。圖I所示的配置包括光源I、如像激光光源、光束分離器3、位于光源I和光束分離器3之間的聚光透鏡2、參考鏡5、第一物鏡4、成像透鏡6、光學(xué)傳感器7、第二物鏡 8和樣本的保持架9。
光源I發(fā)射第一參考光束10,其穿過聚光透鏡2、光束分離器3、第一物鏡4、參考鏡5,在參考鏡5處其被發(fā)射,再次穿過第一物鏡4、光束分離器3,在光束分離器3處參考光束偏轉(zhuǎn)到成像透鏡6，并且其遇到光學(xué)傳感器7。
此外，光源I發(fā)射測(cè)量光束11，其穿過聚光透鏡2，被光束分離器3偏轉(zhuǎn)，穿過第二物鏡8，遇到樣本9，被樣本9反射，再次穿過第二物鏡8、光束分離器3、成像透鏡6，最終遇到傳感器7以與第一參考光束10 —起形成干涉圖案。
軸外配置的主要優(yōu)點(diǎn)是與諸如成直線數(shù)字全息照相術(shù)和相位偏移數(shù)字全息照相術(shù)的其他配置相反，利用單個(gè)全息圖獲得物體波。在通過軸外幾何學(xué)獲得包含干涉條紋的數(shù)字全息圖之后，可以通過在空間頻率域中的傅立葉變換獲得全息圖的二維光譜，其中干涉的不同能級(jí)對(duì)良好分離做出貢獻(xiàn)。被繪出為在圖5A的中心中的光譜的DC能級(jí)的光譜表示參考波和物體波(沒有干涉能級(jí))的強(qiáng)度的光譜。
干涉能級(jí)的空間頻率定位為關(guān)于圖像的中心對(duì)稱。其到中心的距離依賴于入射傾斜角，其必須足夠大以確保DC能級(jí)與那些干涉能級(jí)完全分離。然后可以在空間頻率域中過濾掉不想要的能級(jí)，并且可以僅提取并獲得物體波，盡管不管是否使用高分辨率相機(jī)，空間頻率都受到限制。在濾波之后，通過以平面波作為參考波對(duì)全息圖的數(shù)字重構(gòu)而獲得物體的振幅和相位圖像。
更具體地，現(xiàn)有技術(shù)公開了制備表示物體的圖像的數(shù)字全息圖的方法，該方法包括步驟通過光源產(chǎn)生相干測(cè)量光束和第一相干參考光束；通過測(cè)量光束照射物體并將被物體反射的測(cè)量光束引導(dǎo)到光學(xué)傳感器；將第一參考光束引導(dǎo)到在對(duì)于第一參考光束的光軸以不同于90°的角度以下延伸的第一鏡，并將被第一鏡反射的第一參考光束引導(dǎo)到光學(xué)傳感器，使得測(cè)量光束和第一參考光束一起在傳感器上產(chǎn)生干涉圖案；讀出光學(xué)傳感器并提供表示在光學(xué)傳感器上產(chǎn)生的干涉圖案的數(shù)字信號(hào)；處理該數(shù)字信號(hào)以獲得數(shù)字全息圖；使該數(shù)字全息圖經(jīng) 歷空間頻率域中的傅立葉變換以獲得包括DC能級(jí)、第一圖像能級(jí)和第一共軛圖像能級(jí)的二維光譜；并且使得到的光譜經(jīng)歷濾波以獲得表示物體的能級(jí)。
軸外DH中最重要的過程是消除其他能級(jí)、即DC能級(jí)(零階)和成對(duì)的圖像能級(jí)(共軛波)并從數(shù)字全息圖獲得高質(zhì)量物體波的空間濾波處理。
T. M. Kreis描述了從全息圖中抑制DC能級(jí)的簡(jiǎn)單方法(T. M. Kreis和 W. P. P. Jiiptner, ^Suppression of the dc term in digital holography”(“抑制數(shù)字全息圖中的dc能級(jí)”)，Opt. Eng. 36,2357-2360,1997年)。此方法在于從數(shù)字全息圖中減去平均強(qiáng)度，這允許從重構(gòu)的圖像中僅消除所謂的DC能級(jí)。其是從全息圖中減少DC能級(jí)的簡(jiǎn)單方式，但是在大多數(shù)情況下是不足夠的。例如，如果通常在全息圖平面中物體波強(qiáng)度不是恒定的，則用此方法不能消除物體波引起的DC能級(jí)。
E. Cuche提出以帶通濾波器的形式使用的已知為空間濾波的改進(jìn)的方法 (E. Cuche 等人，“Spatial filtering for zero-order and twin-1mage elimination in digital off-axis holography”(用于數(shù)字軸外全息圖中的零階和成對(duì)圖像消除的空間濾波)，Appl. Opt. 39(23)，4070-4075，2000 年)。
Cuche等人的美國(guó)專利號(hào)US6262818介紹了兩種方式的空間濾波方法；一種作為使用FFT在空間頻率域中的帶通濾波方法，另一種作為基于4-f系統(tǒng)的光學(xué)空間濾波方法。 這些方法依賴于DC能級(jí)和期望的能級(jí)被很好地分離使得可以通過濾波抑制DC能級(jí)的關(guān)鍵假設(shè)。但是，它們也受這兩方面限制；一個(gè)是某一比例的光譜可以是可用的，另一個(gè)是空間濾波通常需要人工介入來選擇期望的階。
在Kim等人的美國(guó)專利號(hào)US6809845中公開了使用另外的圖像實(shí)現(xiàn)有效率波的另一方法。在此方法中，除了系統(tǒng)中的全息圖之外，還獲得參考波強(qiáng)度和物體波強(qiáng)度，這些用于通過簡(jiǎn)單的減法去除全息圖的DC能級(jí)。
但是其需要諸如光束阻擋器(beam blocker)的另外的硬件，并且應(yīng)該記錄除了全息圖之外的兩個(gè)更多的圖像。在此情況下，假設(shè)環(huán)境條件和系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)該保持恒定。
最近，已經(jīng)引入了非線性重構(gòu)技術(shù)(N. Pavilion等人，“Suppression of the zero-order in off-axis digital holography through nonlinear filtering，，(通過非線性濾波對(duì)軸外數(shù)字全息圖中的零階的抑制)，Appl. Opt. 48(34), H186-H195, 2009年)。其使能實(shí)現(xiàn)在軸外DHM中的準(zhǔn)確無零階重構(gòu)，即使零階和物體波光譜重疊。非線性濾波技術(shù)在對(duì)數(shù)字全息圖的兩個(gè)實(shí)際假設(shè)下工作；首先，物體波的光譜應(yīng)該被限制為傅立葉域的象限，第二，物體波的強(qiáng)度應(yīng)該比參考波的小得多。
但是，小強(qiáng)度的物體波可能降低干涉條紋的可見性并甚至降低信噪比(SNR)，這可能導(dǎo)致其他錯(cuò)誤。這意味著此方法的有效性在實(shí)際應(yīng)用中是有限的。
另一方面，公開了通過采用在迭代過程中的波前重構(gòu)期間獲得的信息抑制零階能級(jí)(N. Pavilion 等人，“ Iterative method for zero-order suppression in off-axis digital holography” (“軸外數(shù)字全息圖中的零階抑制的迭代方法”),Opt. Express 18 (15)，15318-15331，2010年)。從而，使能夠?qū)崿F(xiàn)DC能級(jí)抑制而不用關(guān)于物體的任何現(xiàn)有知識(shí)。
但是，此技術(shù)花費(fèi)計(jì)算時(shí)間，直到達(dá)到可接受的錯(cuò)誤級(jí)作為其限定。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是提供允許物體波的重構(gòu)的方法和裝置，其中消除(？)通過全息圖的傅立葉變換獲得的二維光譜中的DC能級(jí)與第一圖像能級(jí)的重疊引起的現(xiàn)象。
此目標(biāo)通過涉及以上、進(jìn)一步包括以下步驟的種類的方法來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生被適配為避免與第一參考光束的干涉的第二相干參考光束；將第二參考光束引導(dǎo)到第一鏡，并將被該第一鏡反射的光束引導(dǎo)到光學(xué)傳感器，其中第二參考光束從光源到傳感器的路徑具有與第一參考光束的等效路徑的長(zhǎng)度不同的長(zhǎng)度；在空間頻率域中的傅立葉變換的二維光譜中產(chǎn)生第二圖像能級(jí)和第二圖像能級(jí)的共軛；以及由第二圖像能級(jí)的相應(yīng)部分替換與DC能級(jí)重疊的第一圖像能級(jí)的部分。
此方法避免了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，因?yàn)榕cDC能級(jí)的表示重疊的物體波的表示的部分被不與DC能級(jí)重疊的物體波的表示的相應(yīng)部分替換。
除了以上提及的方法之外，本發(fā)明還涉及用于制備表示物體的數(shù)字全息圖的裝置，該裝置包括光源，被適配為產(chǎn)生相干測(cè)量光束和第一相干參考光束；光學(xué)傳感器；第一鏡，在與其光軸的不同于η/2的角度下延伸；保持架，保持物體；讀和處理單元，連接到光學(xué)傳感器，用于讀出光學(xué)傳感器并提供表示在光學(xué)傳感器上投射的干涉圖案的數(shù)字信號(hào)；光導(dǎo)單元，被適配用于將測(cè)量光束從光源引導(dǎo)到在保持架中保持的物體；用于將被物體反射的測(cè)量光束引導(dǎo)到光學(xué)傳感器；用于將第一參考光束從光源引導(dǎo)到第一鏡；以及用于將被該第一鏡反射的第一參考光束引導(dǎo)到該光學(xué)傳感器， 使得在光學(xué)傳感器上產(chǎn)生干涉圖案，其中該讀和處理單元被適配為處理該數(shù)字信號(hào)以獲得數(shù)字全息圖；使該數(shù)字全息圖經(jīng)歷空間頻率域中的傅立葉變換以獲得包括DC能級(jí)、第一圖像能級(jí)和第一共軛圖像能級(jí)的二維光譜；以及使得到的光譜經(jīng)歷濾波以獲得表示物體的能級(jí)，其中該光源被適配為產(chǎn)生被適配為避免與第一參考光束的干涉的第二相干參考光束，其中該光導(dǎo)單元被適配為將第二參考光束引導(dǎo)到第一鏡，并將被該第一鏡反射的光束引導(dǎo)到光學(xué)傳感器，其中第二參考光束從光源到傳感器的路徑具有與第一參考光束的等效路徑的長(zhǎng)度不同的長(zhǎng)度，以及其中該讀和處理單元被適配為通過第二圖像能級(jí)的相應(yīng)部分來替換與DC能級(jí)重疊的第一圖像能級(jí)的部分。
第一優(yōu)選實(shí)施例提供了以上涉及的種類的方法，其中由第二圖像能級(jí)的相應(yīng)部分替換與DC能級(jí)重疊的第一圖像能級(jí)的部分通過以下步驟來實(shí)行使圖像的數(shù)字表示經(jīng)歷傅立葉變換進(jìn)入空間頻率域中；使得到的圖像的空間頻率光譜經(jīng)歷空間頻率濾波，使得兩個(gè)物體波的表示仍存在；使兩個(gè)物體波的表示經(jīng)歷逆傅立葉變換到空間頻率域中；使得物體波的表示經(jīng)歷應(yīng)用兩個(gè)參考光束；使得到的圖像的表示經(jīng)歷傅立葉變換；由第二圖像的相應(yīng)部分替換第一圖像的重疊的光譜部分；以及使第一圖像的光譜區(qū)域經(jīng)歷逆傅立葉變換。
盡管未排除用于替換能級(jí)的其他方法，但是上述優(yōu)選法方提供了進(jìn)行此替換的有效方式。
類似的考慮對(duì)以上涉及的種類的裝置也有價(jià)值，其中該讀出和處理單元被適配為通過以上所述的步驟來通過第二圖像能級(jí)的相應(yīng)部分替換與DC能級(jí)重疊的第一圖像能級(jí)的部分。
在主要權(quán)利要求中，如上所述，本發(fā)明要求第一和第二參考光束不相互干涉。存在產(chǎn)生這樣的光束的幾種可能性，但是根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，第一參考光束和第二參考光束相互正交地偏振(polarized)。正交偏振提供了一組光束，其中兩個(gè)參考光束不相互干涉，但是其中參考光束的任一個(gè)與測(cè)量光束的干涉是可能的。
盡管未排除其他實(shí)現(xiàn)方式，但是此實(shí)施例優(yōu)選通過如下方法實(shí)現(xiàn)其中第一和第二參考光束由相同的光源產(chǎn)生并且其中兩個(gè)參考光束經(jīng)歷相互正交的起偏振器。
在如下的裝置中獲得相同的優(yōu)點(diǎn)，其中該光導(dǎo)單元包括在第一參考光束的路徑中的第一起偏振器、在第二參考光束的路徑中的第二起偏振器，并且其中第一和第二起偏振器正交地起偏振。
為了允許在第二參考光束和測(cè)量光束之間產(chǎn)生的干涉圖案與第一參考光束和測(cè)量光束之間的干涉圖案不同，除了避免相互干涉的要求之外，第一和第二參考光束必須具有不同的特性
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)由與第二參考光束的軸垂直地延伸的第二鏡引導(dǎo)第二參考光束。此實(shí)施例還提供了包括與第二參考光束的軸垂直地延伸的第二鏡的裝置，該光導(dǎo)單元被適配為經(jīng)由該第二鏡引導(dǎo)第二參考光束。
盡管本發(fā)明提供了用于由不與DC能級(jí)重疊的第二圖像能級(jí)的相應(yīng)部分替換與DC 能級(jí)重疊的第一圖像能級(jí)的部分的良好解決方案，但是首先重疊的部分不許充分小以被替換。具體地，其應(yīng)該不大于光束的全部表示的一半。為了實(shí)現(xiàn)此，進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例提供了第一圖像能級(jí)的實(shí)際部分的模等于第一圖像能級(jí)的虛擬部分的模的特征。
根據(jù)有吸引力的結(jié)構(gòu)上的實(shí)現(xiàn)方式，該光導(dǎo)單元包括具有第一光軸和第二光軸的光束分離器，光源位于第一光軸上，第一光軸上的參考鏡在與光源側(cè)相對(duì)的一側(cè)處，光學(xué)傳感器位于第二光軸上，以及保持架被適配為將物體定位于第二光軸上與光纖傳感器側(cè)相對(duì)的一側(cè)。
之前的權(quán)利要求涉及全息圖的制備。為了享有本發(fā)明的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，本發(fā)明還提供了重構(gòu)表示物體的圖像的方法。
在此，優(yōu)選實(shí)施例提供了重構(gòu)由通過以上涉及的方法獲得的數(shù)字全息圖表示的物體的圖像的方法，其中數(shù)字全息圖經(jīng)歷作為參考波的平面波的數(shù)字表示，并且數(shù)字地執(zhí)行重構(gòu)。
另一實(shí)施例提供了這樣的方法，其中表示物體的圖像被數(shù)字地處理以獲得數(shù)字高度圖。
本發(fā)明還可以應(yīng)用在光學(xué)相干X射線斷層照相術(shù)中，根據(jù)相應(yīng)的方法，該測(cè)量光束被適配為至少部分地穿透物體并在物體中產(chǎn)生散射光束，以及其中散射光束與第一和第二測(cè)量光束組合以在光學(xué)傳感器上形成干涉圖案。
此方法允許收集來自物體的上層的信息。
此外本發(fā)明可以應(yīng)用于干涉測(cè)量。因而在空間方法中，測(cè)量光束以及第一和第二參考光束聚焦在物體上，并且在由第二圖像能級(jí)的相應(yīng)部分替換與DC能級(jí)重疊的第一圖像能級(jí)的部分期間，省略向圖像的表示應(yīng)用兩個(gè)參考波。
根據(jù)以下給出的詳細(xì)描述以及僅通過例示給出的附圖將變得更全面地理解本發(fā)明的以上和其他目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)，因此它們不將被認(rèn)為是限制本發(fā)明。


圖I是示出軸外數(shù)字全息照相術(shù)的現(xiàn)有技術(shù)光學(xué)配置的圖2是典型的軸外數(shù)字全息照相術(shù)的重構(gòu)過程的流程圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的軸外DH的光學(xué)配置的圖4是具有低相干光源的根據(jù)圖3的圖5A和5B是分別示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明的全息圖的空間頻率內(nèi)容的兩個(gè)圖6是根據(jù)圖2的流程圖，其中已經(jīng)應(yīng)用了兩個(gè)參考波；
圖7A和7B是電子電路圖像的2D強(qiáng)度圖像和3D高度圖8A是現(xiàn)有技術(shù)軸外DH的數(shù)字全息圖SB是圖8A中繪出的全息圖的空間光譜，其中矩形指示包括物體波的象限；
圖9是物體波的空間光譜，其中虛線圓圈指示物體波的空間頻率內(nèi)容；
圖IOA是重構(gòu)的2D強(qiáng)度圖像；
圖IOB是重構(gòu)的3D高度圖IlA是根據(jù)本發(fā)明的軸外DH的數(shù)字全息圖IlB是圖IlA中繪出的全息圖的空間光譜；
圖12是根據(jù)本發(fā)明提取的物體波的空間光譜；
圖13A是根據(jù)本發(fā)明的重構(gòu)的2D強(qiáng)度圖像；
圖13B是根據(jù)本發(fā)明的重構(gòu)的3D高度圖；以及
圖14是繪出將本發(fā)明的特征應(yīng)用于X射線斷層照相術(shù)的圖。
具體實(shí)施方式
圖1公開了軸外數(shù)字全息照相術(shù)的現(xiàn)有技術(shù)配置，其中從相干物體波(O)和相干參考波(R)之間的干涉獲得全息圖。然后，二維(2D)強(qiáng)度分布(IH)可以表達(dá)為
Ih(x, y) = (R+0) (R*+0*)= I R I 2+ I O I 2+R*0+R0* (I)
其中R*和Cf表示兩個(gè)波的復(fù)共軛。
在記錄全息圖之后,可以通過用重構(gòu)波(reconstruction wave)U照射全息圖來獲得重構(gòu)的波(reconstructed wave) ( Ψ )如下
ψ =Ih · U= I R I 2U+ I O I 2U+R*0U+R0*U (2)
等式(2)的前兩能級(jí)形成衍射的零階，有時(shí)稱為DC能級(jí)。第三和第四能級(jí)由干涉能級(jí)產(chǎn)生，并且它們產(chǎn)生物體的兩個(gè)共軛或成對(duì)的圖像。第三能級(jí)(R*0U)產(chǎn)生位于物體(物體平面)的初始位置處的虛擬圖像，第四能級(jí)(RCfU)產(chǎn)生位于全息圖的另一側(cè)(圖像平面中) 的實(shí)際圖像。
如果通過用參考波的復(fù)制本(U=R)照射全息圖來進(jìn)行重構(gòu)，則等式(2)的第三能級(jí)變?yōu)槲矬w波的復(fù)制本乘以參考強(qiáng)度(I R I 20)。相反，如果U=R%則第四能級(jí)是共軛物體波的復(fù)制本乘以參考強(qiáng)度(Ir I 2O*)ο
對(duì)于物體波的重構(gòu)。應(yīng)該從原始全息圖僅提取第三能級(jí)，如等式(2)所示。在軸外DH的情況下，可以通過傅立葉變換獲得空間頻率域中的全息圖的二維光譜，使得可以容易地進(jìn)行提取，因?yàn)橥ㄟ^空間調(diào)制，干涉的不同能級(jí)產(chǎn)生良好分離的效果。然后，可以用諸如帶通濾波或者非線性濾波的幾種技術(shù)過濾掉等式(2)的不希望的能級(jí)，并且可以僅提取并獲得第三能級(jí)。
圖2示出典型的軸外DH的重構(gòu)過程。
但是，如前所述，從全息圖提取的物體波仍然具有由DC能級(jí)和物體波能級(jí)之間的重疊區(qū)域引起的一些噪聲。甚至，非線性濾波方法可能受到其在實(shí)際應(yīng)用中的操作條件的限制。
在本發(fā)明中，給出了用于在軸外DH中提取物體波的新穎有效的空間濾波技術(shù)。其是基于在單個(gè)圖像中同時(shí)獲取兩個(gè)數(shù)字全息圖，它們可以通過獨(dú)特的空間調(diào)制而被分離。 換句話說，使用具有不同空間調(diào)制方向的兩個(gè)參考波(R1和R2)來記錄數(shù)字全息圖，這與典型地僅使用一個(gè)參考波的典型軸外DH相反。
從而，每個(gè)參考波可以產(chǎn)生每個(gè)與物體波的干涉。注意到，兩個(gè)參考波之間的干涉不應(yīng)該被包括在包含兩個(gè)全息圖的此圖像中。例如，實(shí)踐中這可以通過使用正交偏振的光或者使用低相干性源來實(shí)現(xiàn)，如圖3和圖4所示。
圖3公開了與圖1所示的配置基本一致的配置，但是其中第二光束分離器15位于第一物鏡4和參考鏡5之間。進(jìn)一步提供了第二參考鏡16，其光學(xué)地連接到第二光束分離器15。此配置允許不僅處理測(cè)量光束11和第一參考光束10，而且處理第二參考光束12。
在此，第二參考光束經(jīng)由第二光束分離器15被引導(dǎo)到第二鏡16，允許所有三個(gè)光束10、11和12遇到圖像傳感器7。這還允許產(chǎn)生兩個(gè)干涉圖案，即測(cè)量光束和第一參考光束之間的第一干涉圖案以及測(cè)量光束和第二參考光束之間的第二干涉圖案。為了禁止出現(xiàn)兩個(gè)參考光束10、12之間的相互干涉，優(yōu)選例如通過使用偏振光束分離器作為第二光束分離器15而使這兩個(gè)光束正交地偏振。
圖4繪出一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，其中使用其他特征來避免參考光束之間的相互干涉。在此實(shí)施例中，光源是低相干性光源21。來自此光源的低相干性光可以通過界定 (definition)限制干涉范圍。圖4中繪出的此實(shí)施例的結(jié)構(gòu)等同于先前實(shí)施例的結(jié)構(gòu),但是其中第二參考鏡16的位置已經(jīng)被調(diào)整以避免兩個(gè)參考光束之間的干涉以及一當(dāng)然一使用低相干性光源。
結(jié)果，此方法中包含兩個(gè)全息圖的圖像(I2h)可以表達(dá)為
I2H(x, y)= I R1 I 2+ I O I 2+ I R2 I 2+ I O I 2+R1*0+R10*+R2*0+R20* (3)
類似于等式(2)，等式(3)的前四能級(jí)意味空間頻率域中的零階衍射(或DC能級(jí))。 第五和第六能級(jí)是R1的干涉能級(jí)，其空間頻率關(guān)于空間頻率域中的圖像的中心對(duì)稱分布。 另一方面，第七和第八能級(jí)是R2的干涉能級(jí)，其空間頻率也對(duì)稱分布。在此情況下，由于Rl 和R2的不同空間調(diào)制，這四個(gè)干涉能級(jí)在空間頻率域中可以空間上分離。優(yōu)選在此方法中每個(gè)能級(jí)位于調(diào)整了參考鏡的傾斜角的域的每個(gè)象限中，并且在硬件中這不是什么專門的工作。
事實(shí)上，在典型的軸外DH中提取物體波的主要困難在是由空間頻率域中的DC能級(jí)和干涉能級(jí)(物體波及其共軛)之間的重疊區(qū)域引起的，如圖5A所示。
但是，在本發(fā)明中，第一全息圖中的DC能級(jí)和物體波之間的重疊區(qū)域可以用第二全息圖中的物體波的非重疊區(qū)域替換，因?yàn)閳D像包含其中記錄了相同物體波的兩個(gè)全息圖。例如，R；0的重疊區(qū)域(物體波(R1iO)頻率內(nèi)容的左下象限)可以用R/0的非重疊區(qū)域替換，如圖5B所示。這是基于以下事實(shí)參考波的空間調(diào)制頻率可以位于該域中的對(duì)角軸中，并且重疊區(qū)域的大部分被置于DC能級(jí)和物體波之間的物體波的空間頻率內(nèi)容的一個(gè)象限中。
實(shí)踐中，可以在將(與每個(gè)參考波相同的)每個(gè)重構(gòu)波加到每個(gè)帶通濾波后的物體波之后進(jìn)行此操作。換句話說，可以使用兩個(gè)參考波分別獲得兩個(gè)物體波。理論上它們應(yīng)該相同，但是由于重疊區(qū)域而稍微不同。根據(jù)這兩個(gè)物體波，然后，重疊區(qū)域中的一個(gè)物體波的空間頻率分量被用非重疊區(qū)域中的另一物體波的空間頻率分量替換。在大多數(shù)情況下， 此方法可以提供更好的振幅和相位信息，因?yàn)槌藚⒖疾ǖ男】臻g頻率調(diào)制或者具有高空間頻率分量的高度剛性(stif f )物體之外，重疊區(qū)域是物體波的空間頻率內(nèi)容的一個(gè)象限。
即使在最壞的情況下，此方法也可以比其他方法減少更多重疊錯(cuò)誤。從而，在軸外 DH中使用另一參考波使得可以給出另外的物體波的第二全息圖用第二全息圖中的空間頻率域中的非重疊區(qū)域來替換第一全息圖中的DC能級(jí)和物體波之間的重疊區(qū)域。
在使用此新的濾波方法獲得全息圖平面中的準(zhǔn)確物體波之后，在數(shù)字上基于分級(jí)衍射理論，該波從全息圖平面?zhèn)鞑セ氐轿矬w波平面。通過采用菲涅耳近似，可以從全息圖平面中的物體波(ΨΗ)計(jì)算重構(gòu)的物體波(Ψο)為
權(quán)利要求
1.一種制備表示物體的圖像的數(shù)字全息圖的方法，該方法包括以下步驟 產(chǎn)生相干測(cè)量光束和第一相干參考光束； 通過測(cè)量光束照射物體并將被物體反射的測(cè)量光束引導(dǎo)到光學(xué)傳感器； 將第一參考光束引導(dǎo)到在與第一參考光束的光軸的不同于90°的角度下延伸的第一鏡，并將被該第一鏡反射的第一參考光束引導(dǎo)到所述光學(xué)傳感器，使得測(cè)量光束和第一參考光束一起在傳感器上產(chǎn)生干涉圖案； 讀出光學(xué)傳感器并提供表示在光學(xué)傳感器上產(chǎn)生的干涉圖案的數(shù)字信號(hào)； 處理該數(shù)字信號(hào)以獲得數(shù)字全息圖； 使該數(shù)字全息圖經(jīng)歷空間頻率域中的傅立葉變換以獲得包括DC能級(jí)、第一圖像能級(jí)和第一共軛圖像能級(jí)的ニ維光譜； 使得到的光譜經(jīng)歷濾波以獲得表示物體的能級(jí)； 產(chǎn)生被適配為避免與第一參考光束的干渉的第二相干參考光束； 將第二參考光束引導(dǎo)到第一鏡，并將被該第一鏡反射的光束引導(dǎo)到光學(xué)傳感器，其中第二參考光束從光源到傳感器的路徑具有與第一參考光束的等效路徑的長(zhǎng)度不同的長(zhǎng)度； 在空間頻率域中的傅立葉變換的ニ維光譜中產(chǎn)生第二圖像能級(jí)和第二圖像能級(jí)的共軛；以及 由第二圖像能級(jí)的相應(yīng)部分替換第一圖像能級(jí)的由DC能級(jí)重疊的部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中由第二圖像能級(jí)的相應(yīng)部分替換第一圖像能級(jí)的與DC能級(jí)重疊的部分通過以下步驟來實(shí)行 使圖像的數(shù)字表示經(jīng)歷傅立葉變換到空間頻率域； 使得到的圖像的空間頻率光譜經(jīng)歷空間頻率濾波，使得兩個(gè)物體波的表示仍存在； 使兩個(gè)物體波的表示經(jīng)歷逆傅立葉變換到空間頻率域； 使得物體波的表示經(jīng)歷兩個(gè)參考光束的應(yīng)用； 使得到的圖像的表示經(jīng)歷傅立葉變換； 由第二圖像的相應(yīng)部分替換第一圖像的重疊的光譜部分；以及 使第一圖像的光譜區(qū)域經(jīng)歷逆傅立葉變換。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中第一參考光束和第二參考光束相互正交偏振。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中第一和第二參考光束由相同的光源產(chǎn)生并且它們經(jīng)歷相互正交的起偏振器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中第二參考光束經(jīng)由與第二參考光束的軸垂直地延伸的第二鏡引導(dǎo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中第一圖像能級(jí)的實(shí)際部分的模等于第一圖像能級(jí)的虛擬部分的模。
7.一種用于重構(gòu)由通過根據(jù)權(quán)利要求I的方法獲得的數(shù)字全息圖表示的物體的圖像的方法，其中該數(shù)字全息圖經(jīng)歷作為參考波的平面波的數(shù)字表示，并且數(shù)字地執(zhí)行所述重構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中表示物體的圖像被數(shù)字地處理以獲得數(shù)字高度圖。
9.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中該方法應(yīng)用在X射線斷層照相術(shù)中，該測(cè)量光束被適配為至少部分地穿透物體并在物體中產(chǎn)生散射光束，以及 散射光束與第一和第二測(cè)量光束兩者組合以在光學(xué)傳感器上形成干涉圖案。
10.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中測(cè)量光束以及第一和第二參考光束聚焦在物體上，并且在由第二圖像能級(jí)的相應(yīng)部分替換第一圖像能級(jí)的與DC能級(jí)重疊的部分期間，省略向圖像的表示應(yīng)用兩個(gè)參考波。
11.ー種用于制備表示物體的數(shù)字全息圖的裝置，該裝置包括 光源，被適配為產(chǎn)生相干測(cè)量光束和第一相干參考光束； 光學(xué)傳感器； 第一鏡，在與其光軸的不同于η/2的角度下延伸； 保持架，保持物體； 讀和處理單元，連接到光學(xué)傳感器，用于讀出光學(xué)傳感器并提供表示投射在光學(xué)傳感器上的干涉圖案的數(shù)字信號(hào)； 光導(dǎo)單元，被適配用干 將測(cè)量光束從光源引導(dǎo)到在保持架中保持的物體； 將被物體反射的測(cè)量光束引導(dǎo)到光學(xué)傳感器； 將第一參考光束從光源引導(dǎo)到第一鏡；以及 將被該第一鏡反射的第一參考光束引導(dǎo)到該光學(xué)傳感器，使得在光學(xué)傳感器上產(chǎn)生干涉圖案， 其中該讀和處理單元被適配為 處理該數(shù)字信號(hào)以獲得數(shù)字全息圖； 使該數(shù)字全息圖經(jīng)歷空間頻率域中的傅立葉變換以獲得包括DC能級(jí)、第一圖像能級(jí)和第一共軛圖像能級(jí)的ニ維光譜；以及 使得到的光譜經(jīng)歷濾波以獲得表示物體的能級(jí)， 其中該光源被適配為產(chǎn)生被適配為避免與第一參考光束的干渉的第二相干參考光束，該光導(dǎo)単元被適配為將第二參考光束引導(dǎo)到第一鏡，并將被該第一鏡反射的光束引導(dǎo)到光學(xué)傳感器，其中第二參考光束從光源到傳感器的路徑具有與第一參考光束的等效路徑的長(zhǎng)度不同的長(zhǎng)度，以及 該讀和處理單元被適配為通過第二圖像能級(jí)的相應(yīng)部分來替換第一圖像能級(jí)的與DC能級(jí)重疊的部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的裝置，其中該讀出和處理單元被適配為通過以下步驟來通過第ニ圖像能級(jí)的相應(yīng)部分替換第一圖像能級(jí)的與DC能級(jí)重疊的部分 使圖像的數(shù)字表示經(jīng)歷傅立葉變換到空間頻率域； 使得到的圖像的空間頻率光譜經(jīng)歷空間頻率濾波，使得兩個(gè)物體波的表示仍存在； 使得兩個(gè)物體波的表示經(jīng)歷空間頻率域中的逆傅立葉變換； 使得物體波的表示經(jīng)歷應(yīng)用參考光束； 使得到的圖像的表示經(jīng)歷傅立葉變換； 由第二圖像的相應(yīng)部分替換第一圖像的重疊的光譜部分；以及 使第一圖像的光譜區(qū)域經(jīng)歷逆傅立葉變換。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的裝置，其中該光導(dǎo)単元包括在第一參考光束的路徑中的第一起偏振器、在第二參考光束的路徑中的第二起偏振器，并且第一和第二起偏振器正交地起偏振。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的裝置，進(jìn)ー步包括與第二參考光束的軸垂直地延伸的第二鏡， 其中該光導(dǎo)単元被適配為經(jīng)由該第二鏡引導(dǎo)第二參考光束。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的裝置，其中該光導(dǎo)単元包括具有第一光軸和第二光軸的光束分離器， 光源位于第一光軸上， 第一光軸上的參考鏡在與光源側(cè)相對(duì)的ー側(cè)， 光學(xué)傳感器位于第二光軸上，以及 保持架被適配為將物體定位于第二光軸上與光纖傳感器側(cè)相對(duì)的ー側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制備表示物體的圖像的數(shù)字全息圖的方法和裝置，包括步驟產(chǎn)生第一參考光束；將反射的測(cè)量光束引導(dǎo)到光學(xué)傳感器；將第一參考光束引導(dǎo)到第一鏡，并將反射的光束引導(dǎo)到該光學(xué)傳感器，使得兩光束產(chǎn)生干涉；提供干涉圖案的數(shù)字信號(hào)；處理該信號(hào)獲得數(shù)字全息圖；使該數(shù)字全息圖經(jīng)歷空間頻率域中的傅立葉變換獲和第一共軛圖像能級(jí)的光譜；濾波獲得表示物體的能級(jí)；產(chǎn)生第二參考光束；將第二參考光束引導(dǎo)到第一鏡，并將反射的光束引導(dǎo)到光學(xué)傳感器；產(chǎn)生第二圖像能級(jí)和第二圖像能級(jí)的共軛；以及替換與DC能級(jí)重疊的第一圖像能級(jí)的部分。
文檔編號(hào)G03H1/08GK102981390SQ20121031175
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月2日
發(fā)明者K-N.趙 申請(qǐng)人:株式會(huì)社三豐