專(zhuān)利名稱(chēng)：消除單光束同軸數(shù)字全息直流項(xiàng)和共軛像的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于消除單光束同軸數(shù)字全息直流項(xiàng)和共軛像的分頻相移干涉方法，屬于激光數(shù)字全息與光學(xué)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自二十世紀(jì)九十年代中后期開(kāi)始，隨著面陣光電探測(cè)器(如C⑶等)、計(jì)算機(jī)及數(shù)字圖像處理技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字全息術(shù)及其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用研究受到研究者們的廣泛關(guān)注。數(shù)字全息術(shù)采用面陣光電探測(cè)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學(xué)全息中的全息干板來(lái)記錄全息圖，并把記錄的全息圖以數(shù)字圖像形式存入計(jì)算機(jī)，再根據(jù)光波衍射傳播原理數(shù)值再現(xiàn)得到物光波的復(fù)振幅分布。與傳統(tǒng)光學(xué)全息相比，數(shù)字全息不需要顯影、定影與漂白等化學(xué)處理過(guò)程，其記錄和再現(xiàn)更加簡(jiǎn)便快捷、更容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化與自動(dòng)化，并且可分別得到物光波的振幅分布和相位分布，因此更有助于進(jìn)行精確的定量測(cè)量與檢測(cè)。近年來(lái)，隨著面陣光電探測(cè)器性能(如分辨率等)的不斷提高，有關(guān)數(shù)字全息術(shù)在生物醫(yī)學(xué)顯微成像與檢測(cè)、光學(xué)干涉測(cè)量、三維物體顯示、光學(xué)圖像加密、顆粒場(chǎng)檢測(cè)及流體動(dòng)力學(xué)分析等方面的應(yīng)用研究得到了飛速發(fā)展，數(shù)字全息術(shù)已成為目前現(xiàn)代光學(xué)中發(fā)展十分迅速的一個(gè)分支。數(shù)字全息再現(xiàn)時(shí)，在再現(xiàn)光波場(chǎng)中除了所需要的再現(xiàn)像外還同時(shí)存在直流項(xiàng)和共軛像，直流項(xiàng)和共軛像的存在會(huì)影響再現(xiàn)像的質(zhì)量。如何降低或消除直流項(xiàng)和共軛像、從而提高再現(xiàn)像質(zhì)量，是數(shù)字全息領(lǐng)域的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。根據(jù)記錄光路結(jié)構(gòu)的不同，數(shù)字全息大致可分為離軸數(shù)字全息、雙光束同軸數(shù)字全息及單光束同軸數(shù)字全息三大類(lèi)。針對(duì)不同類(lèi)型的數(shù)字全息，為降低或消除直流項(xiàng)和共軛像所采取的方法也不同。在離軸數(shù)字全息中，物光波和參考光波以一定夾角入射到面陣光電探測(cè)器記錄面上，通過(guò)選取適當(dāng)?shù)膴A角，可以使直流項(xiàng)、共軛像及再現(xiàn)像的頻譜在頻譜面上分離。因此，一般采用傅里葉變換頻譜濾波方法消除直流項(xiàng)和共軛像。離軸數(shù)字全息的優(yōu)點(diǎn)是只需要記錄一幅全息圖，適合于對(duì)動(dòng)態(tài)物體進(jìn)行成像顯示或檢測(cè)，缺點(diǎn)是其空間分辨率和視場(chǎng)大小受目前面陣光電探測(cè)器的成像面小和像元尺寸較大的限制。在同軸數(shù)字全息中，物光波和參考光波以相同方向入射到面陣光電探測(cè)器的記錄面上。與離軸數(shù)字全息相比，在相同的面陣光電探測(cè)器空間分辨能力下，同軸數(shù)字全息可記錄更高空間頻率的物光波信息，從而具有更高的空間分辨率和更大的視場(chǎng)。同軸數(shù)字全息的缺點(diǎn)是再現(xiàn)光波中的直流項(xiàng)和共軛像與再現(xiàn)像在空間上交疊，不能采用傅里葉變換頻譜濾波方法消除直流項(xiàng)和共軛像。對(duì)于雙光束同軸數(shù)字全息，因其物光波和參考光波分別通過(guò)不同的光學(xué)器件和路徑，所以，可以比較方便地采用相移器件單獨(dú)改變參考光波的相位，實(shí)現(xiàn)相移干涉，利用記錄得到的多幅相移干涉圖并采用相應(yīng)的相移干涉波前恢復(fù)算法，就可以消除直流項(xiàng)和共軛像。單光束同軸數(shù)字全息的最大優(yōu)點(diǎn)是:直透參考光波和衍射物光波經(jīng)歷相同的路徑和光學(xué)器件，其光路簡(jiǎn)單、受環(huán)境振動(dòng)和空氣擾動(dòng)影響小，且對(duì)光源的相干性和記錄介質(zhì)(或器件)的空間分辨率要求較低。單光束同軸數(shù)字全息是一類(lèi)具有重要用途的全息技術(shù)，可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)顯微成像與檢測(cè)、光學(xué)干涉測(cè)量、顆粒場(chǎng)檢測(cè)及流體動(dòng)力學(xué)分析等方面。針對(duì)單光束同軸數(shù)字全息，為了盡量消除直流項(xiàng)和共軛像的影響，近年來(lái)文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了多種方法，如基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的方法及在不同距離處記錄多幅全息圖的方法等，這些方法盡管具有一定效果，但還不能完全消除直流項(xiàng)和共軛像的影響。與雙光束同軸數(shù)字全息不同，單光束同軸數(shù)字全息不需要另外引入?yún)⒖脊獠?，只需要一束照射待測(cè)物體的光波，物體透射光波場(chǎng)中的零頻成分(直透光波)和高頻成分(衍射光波)分別作為全息記錄中的參考光波和物光波。由于此時(shí)的直透參考光波和衍射物光波在空間上不能分離，所以雙光束同軸相移數(shù)字全息中通常采用的施加相移的方法不再適用于單光束同軸數(shù)字全息，無(wú)法用一般的相移干涉方法去除直流項(xiàng)和共軛像。目前為止，還沒(méi)有關(guān)于在單光束同軸數(shù)字全息采用相移干涉消除直流項(xiàng)和共軛像的文獻(xiàn)報(bào)道。在保留單光束同軸數(shù)字全息的優(yōu)點(diǎn)并充分利用面陣光電探測(cè)器的空間分辨能力的前提下，尋求更有效的消除直流項(xiàng)和共軛像的新方法，具有十分重要的意義及有很大的應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)單光束同軸全息直流項(xiàng)和共軛像的消除問(wèn)題，提供一種消除單光束同軸數(shù)字全息直流項(xiàng)和共軛像的方法，該方法可同時(shí)發(fā)揮單光束同軸數(shù)字全息和相移干涉的優(yōu)點(diǎn)，不僅可提高單光束同軸全息再現(xiàn)像的質(zhì)量和檢測(cè)精度，而且可拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明的消除單光束同軸數(shù)字全息直流項(xiàng)和共軛像的方法，是:根據(jù)阿貝二次成像理論和空間濾波原理，單光束同軸全息中的直透參考光波對(duì)應(yīng)于零頻空間頻率分量，衍射物光波對(duì)應(yīng)于高頻空間頻率分量，盡管二者在空間域中不能分離，但在空間頻率域中是空間分離的；采用光學(xué)4f系統(tǒng)，待測(cè)物體放置在4f系統(tǒng)的輸入面上并用沿光軸傳播的平面光波照射待測(cè)物體，空間頻譜面上的零頻空間頻率分量(位于光軸上)對(duì)應(yīng)于直透參考光波，高頻空間頻率分量(位于光軸之外)對(duì)應(yīng)于衍射物光波；在空間頻譜面上采用可分像元控制的純相位空間光調(diào)制器(Phase-only Spatial LightModulator, P-SLM)單獨(dú)對(duì)零頻空間頻率分量施加相移，實(shí)現(xiàn)直透參考光波和衍射物光波的相移干涉；然后采用相移干涉波前恢復(fù)算法再現(xiàn)原物光波，從而消除直流項(xiàng)和共軛像。所采用的可分像元控制的純相位空間光調(diào)制器，可以是透射式純相位空間光調(diào)制器，也可以是反射式純相位空間光調(diào)制器，包括:純相位液晶空間光調(diào)制器(Phase-onlyLiquid Crystal Spatial Light Modulator, P-LCSLM),基于數(shù)字微鏡器件(DigitalMicromirror Device, DMD)的純相位空間光調(diào)制器,及其它類(lèi)型可分像元控制的純相位空間光調(diào)制器。通過(guò)編程，可分別設(shè)置顯示在純相位空間光調(diào)制器每個(gè)像元上的灰度值，或分別控制純相位空間光調(diào)制器每個(gè)像元的驅(qū)動(dòng)信號(hào)大小，從而對(duì)不同的空間頻率成分實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制和相移控制。可根據(jù)空間光調(diào)制器的像元大小并通過(guò)改變被調(diào)制像元的數(shù)目，來(lái)對(duì)不同的空間頻率范圍實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制和相移控制。所采用的光學(xué)4f系統(tǒng)，根據(jù)所采用的純相位空間光調(diào)制器的具體工作方式不同，可以具有多種不同的光路結(jié)構(gòu)形式:(a)采用透射式純相位空間光調(diào)制器的雙傅里葉變換透鏡光路圖1，(b)采用反射式純相位空間光調(diào)制器的雙傅里葉變換透鏡光路圖2，(C)采用反射式純相位空間光調(diào)制器的單傅里葉變換透鏡光路圖3。雙傅里葉變換透鏡光路圖1和圖2可以通過(guò)靈活選取兩個(gè)傅里葉變換透鏡的焦距，改變物像放大率。單傅里葉變換透鏡光路圖3中的兩次傅里葉變換共用一個(gè)傅里葉變換透鏡，物像放大率為1，光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可進(jìn)一步減小機(jī)械振動(dòng)及空氣擾動(dòng)的影響。所采用的相移干涉波前恢復(fù)算法，可以是傳統(tǒng)的等步長(zhǎng)或定步長(zhǎng)相移干涉波前恢復(fù)算法，也可以是相移量未知的廣義相移干涉波前恢復(fù)算法。本發(fā)明的方法基于空間頻譜域不同頻率分量空間分離的特點(diǎn)，采用光學(xué)4f系統(tǒng)與純相位空間光調(diào)制器相結(jié)合，在保持單光束同軸數(shù)字全息光路簡(jiǎn)單、受環(huán)境振動(dòng)和空氣擾動(dòng)影響小、對(duì)光源相干性和記錄器件空間分辨率要求較低等特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，解決了單光束同軸數(shù)字全息因直透參考光波與衍射物光波空間重疊而無(wú)法實(shí)施相移的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了相移干涉，從而消除了再現(xiàn)光波場(chǎng)中直流項(xiàng)和共軛像的影響，提高了再現(xiàn)像的像質(zhì)。


圖1是采用透射式純相位空間光調(diào)制器的雙傅里葉變換透鏡光路示意圖。圖2是采用反射式純相位空間光調(diào)制器的雙傅里葉變換透鏡光路示意圖。圖3是采用反射式純相位空間光調(diào)制器的單傅里葉變換透鏡光路示意圖。其中:1、激光器，2、光強(qiáng)衰減器，3、擴(kuò)束準(zhǔn)直器，4、待測(cè)物體，5、光學(xué)4f系統(tǒng)的輸入面(物面)，6、第一個(gè)傅里葉變換透鏡，7、純相位型空間光調(diào)制器，8、光學(xué)4f系統(tǒng)的空間頻譜面，9、第二個(gè)傅里葉變換透鏡，10、光學(xué)4f系統(tǒng)的輸出面(像面)，11、面陣光電探測(cè)器(C⑶等)，12、全息圖記錄面(面陣光電探測(cè)器11的探測(cè)面)，13、計(jì)算機(jī)，14、偏振分束器(PBS)0圖4是采用本發(fā)明方法由實(shí)驗(yàn)得到的分辨率板(USAF-1951ReS0luti0n TestChart)的再現(xiàn)像。圖5是采用減去直透參考光波的方法得到的分辨率板(USAF-1951ReS0luti0nTest Chart)的再現(xiàn)像。圖6是由全息圖直接再現(xiàn)得到的分辨率板(USAF_1951Resolution Test Chart)的再現(xiàn)像。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明基于光學(xué)4f系統(tǒng)采用分頻相移干涉方法消除單光束同軸數(shù)字全息直流項(xiàng)和共軛像，可采用圖1、圖2和圖3所示的多種光路結(jié)構(gòu)形式，圖1是采用透射式的純相位空間光調(diào)制器7的雙傅里葉變換透鏡光路，圖2是采用反射式的純相位空間光調(diào)制器7的雙傅里葉變換透鏡光路，圖3是采用反射式的純相位空間光調(diào)制器7的單傅里葉變換透鏡光路。圖1和圖2的雙傅里葉變換透鏡光路可以通過(guò)靈活選取第一個(gè)傅里葉變換透鏡6和第二個(gè)傅里葉變換透鏡9的焦距，改變物像放大率。圖3的單傅里葉變換透鏡光路中兩次傅里葉變換共用一個(gè)傅里葉變換透鏡(第一個(gè)傅里葉變換透鏡6)，物像放大率為I，光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可進(jìn)一步減小機(jī)械振動(dòng)及空氣擾動(dòng)的影響。實(shí)際系統(tǒng)中入射平行光束的直徑和傅里葉變換透鏡(第一個(gè)傅里葉變換透鏡6和第二個(gè)傅里葉變換透鏡9)的孔徑均是有限大小，在頻譜面上實(shí)施相移的純相位空間光調(diào)制器7的像元也有一定大小?？梢砸罁?jù)上述參數(shù)計(jì)算出實(shí)施相移的區(qū)域大小及純相位空間光調(diào)制器7上所需控制的像元數(shù)目。通過(guò)編程選擇對(duì)零頻分量及其附近的極低頻分量實(shí)現(xiàn)單獨(dú)相移。實(shí)際系統(tǒng)中比較理想和可行的做法是對(duì)光學(xué)4f系統(tǒng)的空間頻譜面8上的艾里斑所在區(qū)域的空間頻率分量單獨(dú)實(shí)施相移。以下詳細(xì)敘述本發(fā)明方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程:激光器I作為光源，光強(qiáng)衰減器2用于調(diào)整進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的光強(qiáng)大小，擴(kuò)束準(zhǔn)直器3用于將從激光器I出射的細(xì)激光束擴(kuò)束準(zhǔn)直成平行光(平面光波)。第一個(gè)傅里葉變換透鏡6的后焦平面與第二個(gè)傅里葉變換透鏡9的前焦平面重合，二者組成光學(xué)4f系統(tǒng)。光學(xué)4f系統(tǒng)的輸入面(物面)5位于第一個(gè)傅里葉變換透鏡6的前焦平面，光學(xué)4f系統(tǒng)的空間頻譜面8位于第一個(gè)傅里葉變換透鏡6的后焦平面(也是第二個(gè)傅里葉變換透鏡9的前焦平面)，光學(xué)4f系統(tǒng)的輸出面(像面)10位于第二個(gè)傅里葉變換透鏡9的后焦平面。全息圖記錄面12 (面陣光電探測(cè)器11的探測(cè)面)位于光學(xué)4f系統(tǒng)的輸出面10之后，二者之間的距離應(yīng)符合菲涅耳數(shù)字全息記錄距離要求。待測(cè)物體4放置在光學(xué)4f系統(tǒng)的輸入面5上，純相位型空間光調(diào)制器7放置在光學(xué)4f系統(tǒng)的空間頻譜面8上，面陣光電探測(cè)器11位于全息圖記錄面12。面陣光電探測(cè)器11與計(jì)算機(jī)13相連接，計(jì)算機(jī)13用于控制面陣光電探測(cè)器11并完成數(shù)字全息圖存儲(chǔ)和處理。計(jì)算機(jī)13面與純相位空間光調(diào)制器7連接，用于控制純相位空間光調(diào)制器7實(shí)現(xiàn)對(duì)直透參考光波的相位調(diào)制和相移控制。從激光器I出射的激光束透過(guò)光強(qiáng)衰減器2經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直器3成為平行光(平面光波)，該平行光垂直照射位于光學(xué)4f系統(tǒng)輸入面5上的待測(cè)物體4。透過(guò)物體4的光波經(jīng)第一個(gè)傅里葉變換透鏡6作傅里葉變換，在光學(xué)4f系統(tǒng)的空間頻譜面8上得到待測(cè)物體4的空間頻譜；再經(jīng)第二個(gè)傅里葉變換透鏡9進(jìn)行傅里葉變換在光學(xué)4f系統(tǒng)的輸出面10得到待測(cè)物體的像；光波從光學(xué)4f系統(tǒng)的輸出面10到全息圖記錄面12的傳播為菲涅耳衍射，在全息圖記錄面12上得到物光波的菲涅耳衍射。激光器I出射激光波長(zhǎng)為λ。第一個(gè)傅里葉變換透鏡6和第二個(gè)傅里葉變換透鏡9的焦距分別用和f2表示。全息圖記錄面12與光學(xué)4f系統(tǒng)的輸出面10之間距離用d表不。光學(xué)4f系統(tǒng)的輸入面5、光學(xué)4f系統(tǒng)的空間頻譜面8、光學(xué)4f系統(tǒng)的輸出面10以及全息圖記錄面12四個(gè)平面上的空間坐標(biāo)分別用(X。，y。)、(xs，ys)、(xi, Yi)和(xd，yd)表示。設(shè)放置在輸入面5上的待測(cè)物體4的復(fù)振幅透過(guò)率函數(shù)為f0(x0，y。)，波長(zhǎng)為λ的單位振幅單色平面光波垂直照射到待測(cè)物體4，經(jīng)第一個(gè)傅里葉變換透鏡6進(jìn)行傅里葉變換在光學(xué)4f系統(tǒng)的空間頻譜面8上得到的空間頻譜(略去復(fù)常數(shù))為F(u，v)=FT{f0(x0, y。)}，F(xiàn)T{.}表示傅里葉變換。光學(xué)4f系統(tǒng)的空間頻譜面8上的空間頻率坐標(biāo)(U，V)與空間坐標(biāo)(xs, ys)的關(guān)系為xs = u λ A和ys = V λ fp由此可見(jiàn),零頻分量(u=0和v=0)位于光軸上即光學(xué)4f系統(tǒng)的空間頻譜面8的坐標(biāo)原點(diǎn)(Xs=O和ys=0);高頻分量偏離光軸，頻率越高偏離光軸越遠(yuǎn)，即物光波中的不同的空間頻率分量在光學(xué)4f系統(tǒng)的空間頻譜面8上所處的空間位置不同，是空間分離的。因此可以在光學(xué)4f系統(tǒng)的空間頻譜面8上對(duì)不同空間頻率分量分別進(jìn)行處理，如空間濾波等。若在光學(xué)4f系統(tǒng)的空間頻譜面8上對(duì)物體頻譜不進(jìn)行任何處理，經(jīng)第二個(gè)傅里葉變換透鏡9再次進(jìn)行傅里葉變換后，在光學(xué)4f系統(tǒng)的輸出面10上得到物體的倒立像A (Xi, Yi)，物像之間的垂軸放大率為fVA ;在全息圖記錄面12上將得到物體或像的菲涅耳衍射光場(chǎng)分布fd(xd，yd)。
物光波的零頻分量與高頻分量在頻譜面上是空間分離的，所以可以將其空間頻譜表示為F (U，V) =F (O, O) δ (u, v) +F (u ^ O, v ^ O) =F (O, O) δ (u, ν) +Fh (u, ν),(A)式中,F(O, O) δ (u, ν)是位于光軸上的零頻分量,Fh(u, v) =F(u ^ O, v ^ O)是位于光軸之外的高頻分量。對(duì)零頻分量施加相移，設(shè)施加的相移量為α ( α 一般為0-2 之間的常量)，相移后的頻譜可表示為F，(U，V) = F (O, O) δ (u, v) exp (ia) +Fh(u, ν).(B)經(jīng)第二個(gè)傅里葉變換透鏡9再次進(jìn)行傅里葉變換后，在光學(xué)4f系統(tǒng)的輸出面10上得到的光波場(chǎng)分布可表不為fi (Xi, Yi) = A0exp (i α ) +fh(Xi, yi),(C)上式中，右端第一項(xiàng)是沿光軸傳播的平面波，對(duì)應(yīng)于物光波場(chǎng)(或像光波場(chǎng))中的零頻分量；第二項(xiàng)對(duì)應(yīng)于物光波場(chǎng)(或像光波場(chǎng))中的高頻分量。光波從光學(xué)4f系統(tǒng)的輸出面10到全息圖記錄面12的傳播是菲涅耳衍射，略去復(fù)常數(shù)exp (ikd) (j λ d)，全息圖記錄面12上的光場(chǎng)分布fd(xd，yd)為fd(xd, yd) = A0exp(i a )+fFrT(xd, yd) = A0exp (i a ) +A (xd, yd) exp [i Φ (xd, yd)],(D)其中fFrT(xd，yd) = FrT {fh(Xi, Yi)! = A(xd, yd) exp [i Φ (xd, yd) ],FrT {.}表示菲涅耳衍射變換，A(xd，yd)和Φ (xd，yd) 分別是fM(xd，yd)的振幅分布和相位分布。⑶式右端的第一項(xiàng)和第二項(xiàng)分別作為單光束同軸全息中的直透參考光波和衍射物光波，二者干涉形成的干涉圖的強(qiáng)度分布為I (xd, yd ) = + A2 (xd, yd) + 2 AnAixd, Λ) cos [φ{(diào)χΛ, Jd ) - a].(E)采用適當(dāng)?shù)南嘁破?如純相位空間光調(diào)制器7)依次對(duì)零頻分量施加不同的相移量，貝1J可依次得到多幅相移干涉圖。由多幅相移干涉圖并米用相應(yīng)的相移干涉波前恢復(fù)算法，就可得到全息圖記錄面12上菲涅耳衍射光場(chǎng)的振幅分布A(xd，yd)和相位分布Φ (xd, yd)，從而得到全息圖記錄面12上的衍射物光波fM(xd, yd)，再由逆菲涅耳衍射就可得到光學(xué)4f系統(tǒng)的輸出面(像面)10上的光波場(chǎng)分布fh(Xi，Yi)，即fh(Xi, Yi) = Frr1 {fFrT (xd, yd)},(F)式中FrT—M.}表示逆菲涅耳衍射變換。由光學(xué)4f系統(tǒng)的輸出面(像面)10上的光波場(chǎng)分布fh(Xi，Yi)就可以得到再現(xiàn)像或進(jìn)行檢測(cè)測(cè)量。為了在光學(xué)4f系統(tǒng)的頻譜面上對(duì)零頻分量施加相移，需在頻譜面上放置可分像元控制的純相位型空間光調(diào)制器7。通過(guò)編程，分別設(shè)置顯示在純相位空間光調(diào)制器7每個(gè)像元上的灰度值，或分別控制純相位空間光調(diào)制器7每個(gè)像元的驅(qū)動(dòng)信號(hào)大小，從而對(duì)不同的空間頻率成分實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制和相移控制。也可根據(jù)純相位空間光調(diào)制器7的像元大小并通過(guò)改變被調(diào)制像元的數(shù)目，來(lái)對(duì)不同的空間頻率范圍實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制和相移控制。以下僅以圖2所示的采用反射式純相位空間光調(diào)制器的雙傅里葉變換透鏡光路為例，做具體說(shuō)明。圖2給出的采用反射式純相位空間光調(diào)制器的雙傅里葉變換透鏡光路由以下器件組成:激光器1、光強(qiáng)衰減器2、擴(kuò)束準(zhǔn)直器3、待測(cè)物體4、光學(xué)4f系統(tǒng)的輸入面5、第一個(gè)傅里葉變換透鏡6、反射式純相位型空間光調(diào)制器7、光學(xué)4f系統(tǒng)的空間頻譜面8、第二個(gè)傅里葉變換透鏡9、光學(xué)4f系統(tǒng)的輸出面10、面陣光電探測(cè)器11、全息圖記錄面(面陣光電探測(cè)器11的探測(cè)面)12、計(jì)算機(jī)13和偏振分束器14。從激光器I出射的激光束透過(guò)光強(qiáng)衰減器2經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直器3成為平行光(平面光波)，該平行光垂直照射位于光學(xué)4f系統(tǒng)輸入面5上的待測(cè)物體4。透過(guò)物體4的光波包含直透參考光波和衍射物光波，經(jīng)第一個(gè)傅里葉變換透鏡6在光學(xué)4f系統(tǒng)的空間頻譜面8上得到相應(yīng)的的空間頻譜?？臻g頻譜由純相位空間光調(diào)制器7反射，經(jīng)偏振分束器14到達(dá)第二個(gè)傅里葉變換透鏡9，再經(jīng)第二個(gè)傅里葉變換透鏡9進(jìn)行傅里葉變換在光學(xué)4f系統(tǒng)的輸出面10上得到待測(cè)物體的像。光學(xué)4f系統(tǒng)的輸出面10上的光波經(jīng)菲涅耳衍射傳播到到全息圖記錄面12上，用位于全息圖記錄面12上的面陣光電探測(cè)器11記錄由直透參考光波和衍射物光波干涉所形成全息圖，計(jì)算機(jī)13面與陣光電探測(cè)器11連接，用于全息圖保存和處理。計(jì)算機(jī)13面與純相位空間光調(diào)制器7連接，用于控制純相位空間光調(diào)制器7實(shí)現(xiàn)對(duì)直透參考光波的相位調(diào)制和相移控制。根據(jù)所用器件與光路結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算出直透參考光波的空間頻譜在光學(xué)4f系統(tǒng)的空間頻譜面8上所對(duì)應(yīng)的位置和區(qū)域大小，從而確定純相位空間光調(diào)制器7中需要進(jìn)行相位調(diào)制的像元位置和數(shù)目。根據(jù)所采用的相移干涉波前恢復(fù)算法選取合適的相移量，依照純相位型空間光調(diào)制器7的相位調(diào)制特性曲線選擇控制信號(hào)的大小，用計(jì)算機(jī)13通過(guò)編程控制純相位空間光調(diào)制器7實(shí)現(xiàn)對(duì)直透參考光波的相位調(diào)制和相移控制，從而實(shí)現(xiàn)相移干涉。由面陣光電探測(cè)器11記錄相移干涉圖(全息圖)并保存在計(jì)算機(jī)13中，用計(jì)算機(jī)13根據(jù)所采用的相移干涉波前恢復(fù)算法對(duì)相移干涉圖進(jìn)行處理，達(dá)到消除直流項(xiàng)和共軛像、再現(xiàn)待測(cè)物體4的物光波的目的。以下采用圖2給出的光路作為光學(xué)實(shí)驗(yàn)光路對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:第一個(gè)傅里葉變換透鏡6和第二個(gè)傅里葉變換透鏡9的焦距均為300mm，激光器I 采用 He-Ne 激光器(λ =632.8nm),待測(cè)物體 4 是分辨率板(USAF_1951Resolution TestChart),純相位空間光調(diào)制器7采用德國(guó)H0L0EYE公司的Pluto-VIS純相位型液晶空間光調(diào)制器，面陣光電探測(cè)器11采用像元大小為4.4 μ m、共有1600 X 1200個(gè)像元的CXD相機(jī)。采用三步相移干涉及相應(yīng)的相移干涉波前恢復(fù)算法，每步相移量為η/2。圖4是采用本發(fā)明方法由實(shí)驗(yàn)得到的分辨率板(USAF-1951Resolution Test Chart)的再現(xiàn)像，圖5是采用減去直透參考光波的方法得到的分辨率板的再現(xiàn)像，圖6是由全息圖直接再現(xiàn)得到的分辨率板的再現(xiàn)像。通過(guò)比較可清楚地看出，采用本發(fā)明方法得到的再現(xiàn)像明顯優(yōu)于其它兩種方法得到的再現(xiàn)像。這從實(shí)驗(yàn)上證明了本發(fā)明方法的可行性與正確性。本發(fā)明的方法具有以下特點(diǎn):1.在單光束同軸數(shù)字全息中實(shí)現(xiàn)了相移干涉，消除了直流項(xiàng)和共軛像。2.在保留單光束同軸數(shù)字全息所具有的光路簡(jiǎn)單、受環(huán)境振動(dòng)和空氣擾動(dòng)影響小、以及對(duì)光源相干性要求低等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，可提高再現(xiàn)像的質(zhì)量和檢測(cè)精度。3.可拓展單光束同軸數(shù)字全息技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，如光學(xué)系統(tǒng)引起的波前畸變檢測(cè)、光學(xué)元件面形檢測(cè)、微光機(jī)電器件檢測(cè)及生物醫(yī)學(xué)成像與檢測(cè)等。4.適用于多種相移干涉算法。5.適用于多種不同類(lèi)型的光路結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種消除單光束同軸數(shù)字全息直流項(xiàng)和共軛像的方法，其特征是: 根據(jù)阿貝二次成像理論和空間濾波原理，單光束同軸全息中的直透參考光波對(duì)應(yīng)于零頻空間頻率分量，衍射物光波對(duì)應(yīng)于高頻空間頻率分量，盡管二者在空間域中不能分離，但在空間頻率域中是空間分離的；采用光學(xué)4f系統(tǒng)，待測(cè)物體放置在4f系統(tǒng)的輸入面上并用沿光軸傳播的平面光波照射待測(cè)物體，空間頻譜面上的零頻空間頻率分量對(duì)應(yīng)于直透參考光波，高頻空間頻率分量對(duì)應(yīng)于衍射物光波；在空間頻譜面上采用可分像元控制的純相位空間光調(diào)制器單獨(dú)對(duì)零頻空間頻率分量施加相移，實(shí)現(xiàn)直透參考光波和衍射物光波的相移干涉；然后采用相移干涉波前恢復(fù)算法再現(xiàn)原物光波，從而消除直流項(xiàng)和共軛像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除單光束同軸數(shù)字全息直流項(xiàng)和共軛像的方法，其特征是:所述可分像元控制的純相位空間光調(diào)制器，是透射式純相位空間光調(diào)制器，或者是反射式純相位空間光調(diào)制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除單光束同軸數(shù)字全息直流項(xiàng)和共軛像的方法，其特征是:所述光學(xué)4f系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)形式是采用透射式純相位空間光調(diào)制器的雙傅里葉變換透鏡光路，或者是采用反射式純相位空間光調(diào)制器的雙傅里葉變換透鏡光路，或者是采用反射式純相位空間光調(diào)制器的單傅里葉變換透鏡光路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除單光束同軸數(shù)字全息直流項(xiàng)和共軛像的方法，其特征是:所述相移干涉波前恢復(fù)算法是等步長(zhǎng)或定步長(zhǎng)相移干涉波前恢復(fù)算法，或者是相移量未知的廣義相移干涉波前恢復(fù)算法。
全文摘要
一種消除單光束同軸數(shù)字全息直流項(xiàng)和共軛像的方法，采用光學(xué)4f系統(tǒng)，待測(cè)物體放置在4f系統(tǒng)的輸入面上并用沿光軸傳播的平面光波照射待測(cè)物體，空間頻譜面上的零頻空間頻率分量對(duì)應(yīng)于直透參考光波，高頻空間頻率分量對(duì)應(yīng)于衍射物光波；在空間頻譜面上采用可分像元控制的純相位空間光調(diào)制器單獨(dú)對(duì)零頻空間頻率分量施加相移，實(shí)現(xiàn)直透參考光波和衍射物光波的相移干涉；然后采用相移干涉波前恢復(fù)算法再現(xiàn)原物光波，從而消除直流項(xiàng)和共軛像。該方法解決了單光束同軸數(shù)字全息因直透參考光波與衍射物光波空間重疊而無(wú)法實(shí)施相移的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了相移干涉，從而消除了再現(xiàn)光波場(chǎng)中直流項(xiàng)和共軛像的影響，提高了再現(xiàn)像的像質(zhì)。
文檔編號(hào)G03H1/16GK103149827SQ20131006409
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月28日
發(fā)明者王玉榮, 杜延龍, 李 杰, 劉迪, 孟祥鋒, 楊修倫, 王青圃 申請(qǐng)人:山東大學(xué)