專利名稱：一種相移數(shù)字全息高速成像方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于全息攝影技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種相移數(shù)字全息高速成像方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
全息術(shù)自提出以來得到多方面的應(yīng)用，如三維成像，形貌測量等，但是傳統(tǒng)的光學(xué)全息術(shù)需要化學(xué)濕處理，過程復(fù)雜，且難以數(shù)據(jù)化，而數(shù)字全息術(shù)以數(shù)字相機(jī)來代替光敏記錄介質(zhì)，可直接得到數(shù)據(jù)，分析方便簡單，因此引起很多學(xué)者的興趣。但受到目前數(shù)字相機(jī)像元尺寸大，像素數(shù)少的限制，只能記錄小角度的離軸全息圖，無法記錄高空間頻率的信息。同軸全息術(shù)能充分利用相機(jī)的空間帶寬積，但是再現(xiàn)像中的零級，正負(fù)一級嚴(yán)重重疊，再現(xiàn)結(jié)果受到零級和共軛像的干擾，無法清晰成像。1997年Yamaguchi等人提出的相移技
術(shù)是消除零級和共軛像的有效方法，該方法的提出彌補(bǔ)了同軸和離軸數(shù)字全息的缺點和不足。但是該方法大多采用壓電陶瓷、旋轉(zhuǎn)波片等達(dá)到相移的結(jié)果，需要多次記錄不同相移的全息圖，因而無法應(yīng)用于高速記錄過程。為了用相移方法記錄高速過程，日本學(xué)者YasuhiiOAwatsuji等提出采用平行相移的方法，該方法可記錄高速過程，但是需要制作精確的掩膜，工藝復(fù)雜，且只能記錄表面較均勻的物體，對于起伏較大的物體，再現(xiàn)結(jié)果誤差大。另外，自成像方法包括使用特制衍射光學(xué)元件和光柵分?jǐn)?shù)泰伯效應(yīng)等來對參考光位相進(jìn)行編碼，可同時得到多個相移的參考光，然而二者的成像效果分別取決于衍射元件和制作的光柵的精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的第一個技術(shù)問題在于提供一種相移數(shù)字全息高速成像方法，旨在消除零級和共軛像的前提下，實現(xiàn)高速實時成像、準(zhǔn)確恢復(fù)原始圖像的效果。上述相移數(shù)字全息高速成像方法，包括下述步驟步驟A，利用光源照射目標(biāo)物后產(chǎn)生物光，所述物光攜帶物有信息步驟B，將零相移參考光和π相移參考光分別與所述物光進(jìn)行干涉，每次同時形成兩幅全息圖；步驟C，根據(jù)所述兩幅全息圖恢復(fù)目標(biāo)物的原始光場。本發(fā)明所要解決的第二個技術(shù)問題還在于提供一種相移數(shù)字全息高速成像系統(tǒng)，參考光產(chǎn)生組件，用于產(chǎn)生零相移參考光和31相移參考光；全息圖生成組件，用于將零相移參考光和π相移參考光分別與物光進(jìn)行干涉，形成兩幅全息圖；所述物光攜帶有物信息，由光源照射目標(biāo)物后產(chǎn)生；原始光場恢復(fù)組件，用于根據(jù)所述兩幅全息圖恢復(fù)目標(biāo)物的原始光場。進(jìn)一步地，所述相移數(shù)字全息高速成像系統(tǒng)還包括一激光器,用于產(chǎn)生連續(xù)激光；第一透鏡組，對所述激光進(jìn)行準(zhǔn)直處理；
半波片，改變經(jīng)所述第一透鏡組準(zhǔn)直處理過的激光的偏振角度，產(chǎn)生線偏振光；第一非偏振分束器，用于將所述半波片產(chǎn)生的線偏振光分成兩束，一束照射目標(biāo)物后形成物光，另一束輸出至所述參考光產(chǎn)生組件以產(chǎn)生零相移參考光和η相移參考光。進(jìn)一步地，所述參考光產(chǎn)生組件包括第一偏振分束器，用于將接收到的線偏振光分成兩束參考光束；零相移參考光產(chǎn)生組件，用于將所述兩束參考光束中的透射光作為零相移參考光輸出；兩個共焦透鏡，用于將所述反射光增加π相移，產(chǎn)生π相移參考光；若干反射鏡，分布于所述兩個共焦透鏡之前的光路、或之間的光路或之后的光路上，將所述η相移參考光輸出所述全息圖生成組件。 進(jìn)一步地，所述全息圖生成組件包括第二非偏振分束器，用于將物光、零相移參考光、π相移參考光進(jìn)行合束，使物光與零相移參考光、31相移參考光具有相同的傳輸方向；第二偏振分束器，用于將所述第二非偏振分束器合束后的輸出光進(jìn)行分束，使得零相移參考光和η相移參考光分別與所述相應(yīng)偏振態(tài)的物光進(jìn)行干涉，形成第一全息圖和第二全息圖。進(jìn)一步地，所述全息圖生成組件包括第三偏振分束器，用于對零相移參考光和π相移參考光進(jìn)行分束，并分別與相應(yīng)偏振態(tài)的物光進(jìn)行干涉，形成兩幅全息圖；第一偏振器件，位于所述第三偏振分束器的透射光的出光側(cè)，用于輸出第一全息圖；第二偏振器件，位于所述第三偏振分束器的反射光的出光側(cè)，用于輸出第二全息圖。進(jìn)一步地,所述原始光場恢復(fù)組件包括第一相機(jī)，用于接收所述第一全息圖；第二相機(jī)，用于接收所述第二全息圖；原始光場恢復(fù)系統(tǒng)，用于根據(jù)所述第一全息圖和第二全息圖表達(dá)為I1 (χ, y) = I O (x, y) 2+ R1 (x, y) 2+2 | O (x, y) | | R1 (x, y) | cos ( Φ + δ J (I)I2 (χ, y) = I O (χ, y) 2+ R2 (χ, y) 2+2 | O (χ, y) | | R2 (χ, y) | cos ( Φ + δ 2)其中，(χ, y)表示全息圖接收裝置所在的記錄平面的坐標(biāo)，0(χ, y)表示記錄面上的物光，Ri (x, y)和1 2(1，}0為光強(qiáng)度相同、位相不同的零相移參考光和π相移參考光，IR1I=R2, δ 2為相移量；然后上述公式(I)中S1=O, δ2=π，得到I1 (x, y) = I O (x, y) |2+1 R(x, y) 12+2 | O (χ, y) I I R(χ, y) | cos Φ ； (2)I2 (χ, y) = |0(x, y) 2+1 R (χ, y) 12_2 | O (χ, y) | | R (χ, y) | cos Φ將公式(2)中的兩式相加獲得目標(biāo)物的振幅，將兩式相減進(jìn)行希爾伯特變換得到目標(biāo)物的位相，將得到的復(fù)振幅反向菲涅爾衍射即可恢復(fù)目標(biāo)物的原始光場。進(jìn)一步地,所述參考光產(chǎn)生組件包括一斬光器，同時位于所述零相移參考光產(chǎn)生組件的出光側(cè)和所述π相移參考光產(chǎn)生組件的出光側(cè)，用于對所述零相移參考光和所述η相移參考光進(jìn)行調(diào)制，使所述零相移參考光和所述31相移參考光交替輸出；所述全息圖生成組件包括第三非偏振分束器，用于交替將物光與零相移參考光、物光與π相移參考光進(jìn)行合束，交替輸出第一全息圖和第二全息圖；所述原始光場恢復(fù)組件包括第三相機(jī)，用于交替接收第一全息圖和第二全息圖；原始光場恢復(fù)系統(tǒng)，用于將所述第一全息圖和第二全息圖表達(dá)為I1 (χ, y) = I O (χ, y) 2+ R1 (x, y) 2+2 | O (x, y) | | R1 (x, y) | cos ( Φ + δ J (I)
I2 (χ, y) = I O (χ, y) 2+ R2 (χ, y) 2+2 | O (χ, y) | | R2 (χ, y) | cos ( Φ + δ 2)其中，(χ, y)表示全息圖接收裝置所在的記錄平面的坐標(biāo)，0(χ, y)表示記錄面上的物光，Ri (x, y)和1 2(1，}0為光強(qiáng)度相同、位相不同的零相移參考光和π相移參考光，
R1I = IR2I, δ^Ρ δ2為相移量；然后上述公式(I)中δ1=0，I1 (x, y) = I O(x, y) |2+1 R(x, y) 12+2 | O(x, y) I I R(x, y) | cos Φ ； (2)I2 (x, y) = I O (χ, y) 2+1 R (χ, y) 12_2 | O (χ, y) | | R (χ, y) | cos Φ將公式(2)中的兩式相加獲得目標(biāo)物的振幅，將兩式相減進(jìn)行希爾伯特變換得到目標(biāo)物的位相，將得到的振幅和位相反向菲涅爾衍射即可恢復(fù)目標(biāo)物的原始光場。進(jìn)一步地，所述相移數(shù)字全息高速成像系統(tǒng)還包括一同步控制系統(tǒng)，用于控制所述物體觸發(fā)和所述原始光場恢復(fù)組件對全息圖記錄的同步。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過使其中一路參考光中相對于另一路參考光產(chǎn)生π相位，可一次性得到零相移和η相移的兩路參考光，避免了多次相移及多次相移產(chǎn)生的環(huán)境變化如振動等和調(diào)節(jié)誤差，并且根據(jù)這兩幅全息圖通過簡單的算法即可恢復(fù)原始物光場，有效消除零級和共軛像，為高速運動過程的實時記錄提供了一個切實可行的方法，該方法的成像頻率僅僅取決于數(shù)字相機(jī)的性能。


圖I是本發(fā)明第一實施例提供的相移數(shù)字全息高速成像系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)原理圖；圖2是本發(fā)明第二實施例提供的相移數(shù)字全息高速成像系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)原理圖；圖3是本發(fā)明第三實施例提供的相移數(shù)字全息高速成像系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明采用簡單易行的方法引入古依相移(Gouy phase shift), —次性同時得到零相移和π相移的兩幅全息圖，進(jìn)而實現(xiàn)對高速過程的實時記錄。該方法使用兩步相移同軸記錄方式，既充分利用了相機(jī)的空間帶寬積又能同時消除零級和共軛像，且根據(jù)古依相移的特點，采用簡單算法即可準(zhǔn)確恢復(fù)原始圖像。本發(fā)明提出的相移數(shù)字全息高速成像方法包括下述步驟
步驟A，利用光源照射目標(biāo)物后產(chǎn)生物光，所述物光攜帶物有信息。本發(fā)明中，物光由光源發(fā)出的光照射目標(biāo)物后產(chǎn)生，光線采用線偏振。步驟B，將零相移參考光和π相移參考光分別與所述物光進(jìn)行干涉，形成兩幅全息圖。兩束參考光分別與相應(yīng)偏振態(tài)的物光產(chǎn)生干涉形成兩幅全息圖，然后可采用兩個數(shù)字相機(jī)接收。步驟C，根據(jù)所述兩幅全息圖恢復(fù)目標(biāo)物的原始光場。具體可采用下述方法步驟Cl,將兩幅全息圖I1 (x,y)和I2 (x,y)表達(dá)為I1 (χ, y) = I O (x, y) 2+ R1 (x, y) 2+2 | O (x, y) | | R1 (x, y) | cos ( Φ + δ J (I)·
I2 (χ, y) = I O (χ, y) |2+1 R2 (χ, y) 12+2 | O (χ, y) I I R2 (χ, y) | cos ( Φ + δ 2)其中，(χ, y)表示全息圖接收裝置所在的記錄平面的坐標(biāo)，0(x，y)表示記錄面上的物光，R1 (x, y)和R2 (x, y)為光強(qiáng)度相同、位相不同的零相移參考光和η相移參考光，R1 = |R2I，\和δ2為相移量；步驟C2，定義步驟Cl的公式中δ 1=0，δ 2= Ji ,得到I1 (x, y) = I O (x, y) |2+1 R(x, y) 12+2 | O (χ, y) I I R(χ, y) | cos Φ ； (2)I2 (χ, y) = |0(x, y) 2+1 R (χ, y) 12_2 | O (χ, y) | | R (χ, y) | cos Φ步驟C3，將步驟C2中的兩式相加獲得目標(biāo)物的振幅，將兩式相減進(jìn)行希爾伯特變換得到目標(biāo)物的位相，完全消除了零級和共軛像的影響，將得到的復(fù)振幅即振幅和位相進(jìn)行反向菲涅爾衍射即可恢復(fù)目標(biāo)物的原始光場。相應(yīng)地，本發(fā)明提供的相移數(shù)字全息高速成像系統(tǒng)包括參考光產(chǎn)生組件、全息圖生成組件和原始光場恢復(fù)組件。其中，參考光產(chǎn)生組件用于產(chǎn)生零相移參考光和η相移參考光；全息圖生成組件用于將零相移參考光和η相移參考光分別與物光進(jìn)行干涉，形成兩幅全息圖，所述物光的產(chǎn)生如上文所述；原始光場恢復(fù)組件，用于根據(jù)所述兩幅全息圖恢復(fù)目標(biāo)物的原始光場。上述參考光產(chǎn)生組件所需的光源和用于產(chǎn)生物光的光源可共用一線偏振光源，此線偏振光源產(chǎn)生線偏振光后輸出兩路光線，一路作為照射目標(biāo)物產(chǎn)生物光，同時，上述參考光產(chǎn)生組件根據(jù)另一路線偏振光產(chǎn)生零相移參考光和η相移參考光。具體參照圖1，本發(fā)明第一實施例提供的成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，線偏振光光源包括一用于產(chǎn)生連續(xù)激光的激光器、第一透鏡組LI、半波片服、第一非偏振分束器BS1，第一透鏡組LI對激光器產(chǎn)生的激光進(jìn)行準(zhǔn)直處理，半波片HW改變經(jīng)第一透鏡組LI準(zhǔn)直處理過的激光的偏振角度，產(chǎn)生線偏振光，最后，第一非偏振分束器BSl將半波片HW產(chǎn)生的線偏振光分成兩束，一束照射目標(biāo)物O后形成物光，另一束輸出至所述參考光產(chǎn)生組件以產(chǎn)生零相移參考光和31相移參考光。進(jìn)一步地，參考光產(chǎn)生組件包括第一偏振分束器PBS1、零相移參考光產(chǎn)生組件和π相移參考光產(chǎn)生組件。第一偏振分束器PBSl將接收到的線偏振光分成兩束參考光束，零相移參考光產(chǎn)生組件用于將所述兩束參考光束中的透射光作為零相移參考光輸出，而31相移參考光產(chǎn)生組件則用于將所述兩束參考光束中的反射光作為31相移參考光。圖I中，零相移參考光產(chǎn)生組件包括等腰直角棱鏡P和反射鏡Μ，應(yīng)當(dāng)理解，具體還可采用其他可改變光路方向的光學(xué)器件和光學(xué)器件組實現(xiàn)。而圖I中η相移參考光產(chǎn)生組件包括兩個共焦透鏡L2和L3,用于將所述第二束光增加π相移，來產(chǎn)生π相移參考光。根據(jù)古依相移的概念，會聚光束經(jīng)過透鏡焦點位置時，相對于平面波將會增加H的附加相位。兩個共焦透鏡L2和L3，第一個透鏡L2是將平行光會聚，當(dāng)會聚光束經(jīng)過透鏡焦點的位置時就會相對于平行光增加η的附加相位。因為兩個透鏡共焦，所以通過這兩個透鏡后，出來的光還是平行光，除了增加一個η相移，其他都一樣。進(jìn)一步地，還可以在兩個共焦透鏡之前的光路、或之間的光路或之后的光路上設(shè)置若干反射鏡，以改變光路，使π相移參考光輸出所述全息圖生成組件，圖I中以在共焦透鏡L2和L3之間設(shè)置兩個反射鏡M為例示出。圖I中，全息圖生成組件包括第二非偏振分束器BS2和第二偏振分束器PBS2，第二非偏振分束器BS2用于將物光、零相移參考光、η相移參考光進(jìn)行合束,使物光與零相移參考光、π相移參考光具有相同的傳輸方向，然后，第二偏振分束器PBS2將所述第二非偏振分束器合束后的輸出光進(jìn)行分束，使得零相移參考光和η相移參考光分別與所述相應(yīng)偏振態(tài)的物光進(jìn)行干涉，形成第一全息圖和第二全息圖。圖I所示光路結(jié)構(gòu)的光學(xué)原理如下激光器作為光源產(chǎn)生連續(xù)激光，經(jīng)第一透鏡 組LI準(zhǔn)直后通過半波片HW，然后經(jīng)第一非偏振分束器BSl分成兩束，一束經(jīng)反射鏡M照射物體O,形成物光,另一束經(jīng)第一偏振分束器PBSl分成兩路偏振態(tài)相互垂直的參考光,透射光經(jīng)由等腰直角棱鏡P和反射鏡M反射直接透過偏振分束器PBS ;另一路反射光經(jīng)兩個共焦透鏡L2和L3后由反射鏡M和偏振分束器PBS反射，因此這兩束參考光位相相差π。這兩束光和物光分別經(jīng)過第二非偏振分束器BS2后，由第二偏振分束器PBS2分束。兩束參考光分別與相應(yīng)偏振態(tài)的物光產(chǎn)生干涉形成兩幅全息圖。如圖I所示，產(chǎn)生的兩幅全息圖可分別被第一相機(jī)DCl和第二相機(jī)DC2接收，第一相機(jī)DCl和第二相機(jī)DC2屬于原始光場恢復(fù)組件，同時原始光場恢復(fù)組件還內(nèi)置一原始光場恢復(fù)系統(tǒng)，此系統(tǒng)為一軟件系統(tǒng)，可對接收的全息圖進(jìn)行處理，恢復(fù)原始光場，處理過程如上文步驟Cl、C2、C3所述，不再贅述。實施例二如圖2所示，與圖I相比較，減少第二非偏振分束器BS2，直接進(jìn)入第三偏振分束器PBS3,用于對零相移參考光和π相移參考光進(jìn)行分束，并分別與相應(yīng)偏振態(tài)的物光進(jìn)行干涉，同時在兩個數(shù)字相機(jī)前分別加第一偏振器件Pl和第二偏振器件Ρ2，輸出兩幅全息圖，其中，第一偏振器件PI位于第三偏振分束器PBS3的透射光的出光側(cè),用于輸出第一全息圖；第二偏振器件Ρ2位于第三偏振分束器PBS3的反射光的出光側(cè),用于輸出第二全息圖。實施例一和實施例二都是采用兩個數(shù)字相機(jī)來記錄的方式，這種方法需要嚴(yán)格對準(zhǔn)兩路數(shù)字相機(jī)以確保兩幅全息圖的空間對應(yīng)，為實際操作增加了難度。為了解決這個問題，實施例三采用在兩路參考光中加一個斬光器(chopper)，如圖3所示，斬光器C同時位于所述零相移參考光產(chǎn)生組件的出光側(cè)和所述η相移參考光產(chǎn)生組件的出光側(cè)，用于對所述零相移參考光和所述η相移參考光進(jìn)行調(diào)制，使所述零相移參考光和所述η相移參考光交替輸出。斬光器C能將連續(xù)光調(diào)制成一定頻率的周期性斷續(xù)光，控制該斬光器C的轉(zhuǎn)動頻率使零相移和η相移的兩束參考光交替地通過，然后由第三非偏振分束器BS3交替將物光與零相移參考光、物光與π相移參考光進(jìn)行合束，交替輸出第一全息圖和第二全息圖，從而實現(xiàn)第三相機(jī)DC3時間上交叉輸出使用零相移和相移的參考光參與的全息記錄。該方法可使數(shù)字相機(jī)間隔性地采集零相移和η相移的兩幅全息圖，進(jìn)而進(jìn)行計算。該方法只用一個第三相機(jī)DC3進(jìn)行采集，兩幅全息圖是完全對應(yīng)的，避免了多個相機(jī)采集產(chǎn)生的位置誤差，還可有效地降低相機(jī)噪聲的影響。進(jìn)一步地，本相移數(shù)字全息高速成像系統(tǒng)還包括一同步控制系統(tǒng)，用于控制所述物體觸發(fā)和所述原始光場恢復(fù)組件對全息圖記錄的同步。將連續(xù)光用皮秒或飛秒脈沖光源代替，同步控制光源，物體和數(shù)字相機(jī)，借助泵浦-探針技術(shù)，本發(fā)明亦可用于皮秒或飛秒時間分辨的可重復(fù)過程的超快成像。本發(fā)明的有益效果如下I)采用兩個共焦透鏡引入古依相移，得到兩路位相相差π的參考光，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，不需要多次相移來記錄多幅全息圖；2)采用古依相移概念，可產(chǎn)生較準(zhǔn)確的π相移；3)根據(jù)π相移的兩幅全息圖，可通過簡單的再現(xiàn)算法恢復(fù)結(jié)果；4)系統(tǒng)采用同軸全息方法，可充分利用相機(jī)的空間帶寬積；5)由于一次可同時得到兩幅相移全息圖，獲得消零級和共軛像的再現(xiàn)結(jié)果，可用于記錄高速過程；6)高速成像，成像頻率僅取決于數(shù)字相機(jī)的速度。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種相移數(shù)字全息高速成像方法，其特征在于，包括下述步驟 步驟A，利用光源照射目標(biāo)物后產(chǎn)生物光，所述物光攜帶物有信息； 步驟B，將零相移參考光和π相移參考光分別與所述物光進(jìn)行干涉，每次同時形成兩幅全息圖； 步驟C，根據(jù)所述兩幅全息圖恢復(fù)目標(biāo)物的原始光場。
2.如權(quán)利要求I所述的相移數(shù)字全息高速成像方法，其特征在于，所述步驟C包括 步驟Cl,將兩幅全息圖I1 (x,y)和I2 (x,y)表達(dá)為 11(X，y) = I O (X，y) 2+ R1 (x, y) 2+2 | O (x, y) | | R1 (x, y) | cos ( Φ + δ J (I) 12(χ, y) = I O (χ, y) 2+ R2 (χ, y) 2+2 | O (χ, y) | R2 (χ, y) | cos ( Φ + δ 2)其中，(χ, y)表示全息圖接收裝置所在的記錄平面的坐標(biāo)，0(χ, y)表示記錄面上的物光，R1 (χ, y)和R2 (x, y)為光強(qiáng)度相同、位相不同的零相移參考光和η相移參考光，即光強(qiáng)度Ir1I = Ir2I, \和\為相移量； 步驟C2，定義步驟Cl的公式中δ1=0，δ2=π，得到I1(Xj) = Io(Xj) 2+|R(x, y) 2+2|0(x, y) |R(x, y) | cos Φ ； (2) I2 (x, y) = |0(x, y) 2+|R(x, y) 12_2 | 0(x, y) | | R(x, y) | cos Φ 步驟C3，將步驟C2中的兩式相加獲得目標(biāo)物的振幅，將兩式相減進(jìn)行希爾伯特變換得到目標(biāo)物的位相，將得到的振幅和位相進(jìn)行反向菲涅爾衍射即可恢復(fù)目標(biāo)物的原始光場。
3.一種相移數(shù)字全息高速成像系統(tǒng)，其特征在于，包括 參考光產(chǎn)生組件，用于產(chǎn)生零相移參考光和31相移參考光； 全息圖生成組件，用于將零相移參考光和η相移參考光分別與物光進(jìn)行干涉，形成兩幅全息圖；所述物光攜帶有物信息，由光源照射目標(biāo)物后產(chǎn)生； 原始光場恢復(fù)組件，用于根據(jù)所述兩幅全息圖恢復(fù)目標(biāo)物的原始光場。
4.如權(quán)利要求3所述的相移數(shù)字全息高速成像系統(tǒng)，其特征在于，所述相移數(shù)字全息高速成像系統(tǒng)還包括 一激光器，用于產(chǎn)生連續(xù)激光； 第一透鏡組，對所述激光進(jìn)行準(zhǔn)直處理； 半波片，改變經(jīng)所述第一透鏡組準(zhǔn)直處理過的激光的偏振角度，產(chǎn)生線偏振光； 第一非偏振分束器，用于將所述半波片產(chǎn)生的線偏振光分成兩束，一束照射目標(biāo)物后形成物光，另一束輸出至所述參考光產(chǎn)生組件以產(chǎn)生零相移參考光和31相移參考光。
5.如權(quán)利要求4所述的相移數(shù)字全息高速成像系統(tǒng)，其特征在于，所述參考光產(chǎn)生組件包括 第一偏振分束器，用于將接收到的線偏振光分成兩束參考光束； 零相移參考光產(chǎn)生組件，用于將所述兩束參考光束中的透射光作為零相移參考光輸出； 兩個共焦透鏡，用于將所述反射光增加η相移，產(chǎn)生η相移參考光； 若干反射鏡，分布于所述兩個共焦透鏡之前的光路、或之間的光路或之后的光路上，將所述η相移參考光輸出所述全息圖生成組件。
6.如權(quán)利要求5所述的相移數(shù)字全息高速成像系統(tǒng)，其特征在于，所述全息圖生成組件包括第二非偏振分束器，用于將物光、零相移參考光、H相移參考光進(jìn)行合束，使物光與零相移參考光、31相移參考光具有相同的傳輸方向； 第二偏振分束器，用于將所述第二非偏振分束器合束后的輸出光進(jìn)行分束，使得零相移參考光和H相移參考光分別與所述相應(yīng)偏振態(tài)的物光進(jìn)行干涉，形成第一全息圖和第二全息圖。
7.如權(quán)利要求5所述的相移數(shù)字全息高速成像系統(tǒng)，其特征在于，所述全息圖生成組件包括 第三偏振分束器，用于對零相移參考光和η相移參考光進(jìn)行分束，并分別與相應(yīng)偏振態(tài)的物光進(jìn)行干涉，形成兩幅全息圖； 第一偏振器件，位于所述第三偏振分束器的透射光的出光側(cè)，用于輸出第一全息圖； 第二偏振器件，位于所述第三偏振分束器的反射光的出光側(cè)，用于輸出第二全息圖。
8.如權(quán)利要求6或7所述的相移數(shù)字全息高速成像系統(tǒng)，其特征在于，所述原始光場恢復(fù)組件包括 第一相機(jī)，用于接收所述第一全息圖； 第二相機(jī)，用于接收所述第二全息圖； 原始光場恢復(fù)系統(tǒng)，用于根據(jù)所述第一全息圖和第二全息圖表達(dá)為 11(χ, y) = I O (χ, y) 2+ R1 (x, y) 2+2 | O (x, y) | | R1 (x, y) | cos ( Φ + δ J (I) 12(χ, y) = I O (χ, y) 2+ R2 (χ, y) 2+2 | O (χ, y) | | R2 (χ, y) | cos ( Φ + δ 2) 其中，(x，y)表示全息圖接收裝置所在的記錄平面的坐標(biāo)，0(x, y)表示記錄面上的物光，Ri(x, y)和1 2(1，}0為光強(qiáng)度相同、位相不同的零相移參考光和π相移參考光，R1I = IR2I, δ^Ρ δ2為相移量；然后上述公式(I)中δ1=0，I1(Xj) = Io(Xj) 2+|R(x, y) 2+2|0(x, y) |R(x, y) | cos Φ ； (2) I2 (x, y) = I O (χ, y) 2+|R (χ, y) 12_2 | O (χ, y) | | R (x, y) | cos Φ 將公式(2)中的兩式相加獲得目標(biāo)物的振幅，將兩式相減進(jìn)行希爾伯特變換得到目標(biāo)物的位相，將得到的復(fù)振幅反向菲涅爾衍射即可恢復(fù)目標(biāo)物的原始光場。
9.如權(quán)利要求5所述的相移數(shù)字全息高速成像系統(tǒng)，其特征在于，所述參考光產(chǎn)生組件包括 一斬光器，同時位于所述零相移參考光產(chǎn)生組件的出光側(cè)和所述31相移參考光產(chǎn)生組件的出光側(cè)，用于對所述零相移參考光和所述η相移參考光進(jìn)行調(diào)制，使所述零相移參考光和所述31相移參考光交替輸出； 所述全息圖生成組件包括 第三非偏振分束器，用于交替將物光與零相移參考光、物光與31相移參考光進(jìn)行合束，交替輸出第一全息圖和第二全息圖； 所述原始光場恢復(fù)組件包括 第三相機(jī)，用于交替接收第一全息圖和第二全息圖； 原始光場恢復(fù)系統(tǒng)，用于將所述第一全息圖和第二全息圖表達(dá)為 11(χ, y) = I O (χ, y) 2+ R1 (x, y) 2+2 | O (x, y) | | R1 (x, y) | cos ( Φ + δ J (I) 12(χ, y) = I O (χ, y) 2+ R2 (χ, y) 2+2 | O (χ, y) | | R2 (χ, y) | cos ( Φ + δ 2) 其中，(x，y)表示全息圖接收裝置所在的記錄平面的坐標(biāo)，0(x, y)表示記錄面上的物光，Ri(χ, y)和1 2(1，}0為光強(qiáng)度相同、位相不同的零相移參考光和π相移參考光，R1I = IR2I, δ^Ρ δ2為相移量；然后上述公式(I)中δ1=0，I1(Xj) = Io(Xj) 2+|R(x, y) 2+2|0(x, y) |R(x, y) | cos Φ ； (2) I2(x, y) = I O (χ, y) 2+|R (χ, y) 12_2 | O (χ, y) | | R (x, y) | cos Φ 將公式(2)中的兩式相加獲得目標(biāo)物的振幅，將兩式相減進(jìn)行希爾伯特變換得到目標(biāo)物的位相，將得到的振幅和位相反向菲涅爾衍射即可恢復(fù)目標(biāo)物的原始光場。
10.如權(quán)利要求3所述的相移數(shù)字全息高速成像系統(tǒng)，其特征在于，所述相移數(shù)字全息高速成像系統(tǒng)還包括 一同步控制系統(tǒng)，用于控制所述物體觸發(fā)和所述原始光場恢復(fù)組件對全息圖記錄的同止/J/ O
全文摘要
本發(fā)明適用于全息攝影技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種相移數(shù)字全息高速成像方法，包括下述步驟步驟A，利用光源照射目標(biāo)物后產(chǎn)生物光，所述物光攜帶物有信息；步驟B，將零相移參考光和π相移參考光分別與所述物光進(jìn)行干涉，每次同時形成兩幅全息圖；步驟C，根據(jù)所述兩幅全息圖恢復(fù)目標(biāo)物的原始光場。本發(fā)明通過使其中一路參考光中相對于另一路參考光產(chǎn)生π相位，可一次性得到零相移和π相移的兩路參考光，避免了多次相移及多次相移產(chǎn)生的環(huán)境變化如振動等和調(diào)節(jié)誤差，并且根據(jù)這兩幅全息圖通過簡單的算法即可恢復(fù)原始物光場，有效消除零級和共軛像，為高速運動過程的實時記錄提供了一個切實可行的方法。
文檔編號G03H1/22GK102944989SQ20121040605
公開日2013年2月27日 申請日期2012年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月23日
發(fā)明者陸小微, 徐世祥, 李景鎮(zhèn) 申請人:深圳大學(xué)