本發(fā)明涉及數(shù)字全息成像領(lǐng)域，特別是涉及一種復(fù)合數(shù)字全息成像方法及裝置。

背景技術(shù)：

數(shù)字全息技術(shù)是利用數(shù)字圖像傳感器，如電荷耦合器件(charge-coupleddevice)或互補金屬氧化物半導(dǎo)體(complementarymetaloxidesemiconductor)器件，記錄物光與參考光形成的全息圖，再將全息圖輸入計算機，通過程序模擬光的衍射傳播過程得到物體的再現(xiàn)像。數(shù)字全息技術(shù)可同時得到物體的強度像和相位像。數(shù)字全息技術(shù)分同軸數(shù)字全息和離軸數(shù)字全息兩種。同軸數(shù)字全息可以充分利用圖像傳感器的空間帶寬積，具有視場大、理論分辨率高的特點，但同軸數(shù)字全息再現(xiàn)像中存在共軛像的干擾，已有的消除共軛像的方法有相移法、相位恢復(fù)法及盲源分離法等。其中相移法需要多次曝光記錄多幅全息圖；相位恢復(fù)法和盲源分離法只適合于透明背景上的稀疏物體的成像。離軸數(shù)字全息可以將物體的再現(xiàn)像與共軛像分離，但要求待測物體與圖像傳感器之間的距離較大，在不加光學(xué)放大透鏡的情況下，系統(tǒng)的數(shù)值孔徑較小，導(dǎo)致成像分辨率較低，若加入光學(xué)放大透鏡，則會導(dǎo)致成像視場較小。

同軸數(shù)字全息記錄光路比較簡單，一般先將激光進行擴束準(zhǔn)直成平行光，透過待測物體后照射到數(shù)碼相機的圖像傳感器上形成同軸數(shù)字全息圖，一般采用單色(黑白)數(shù)碼相機記錄同軸數(shù)字全息圖。現(xiàn)有的采用相位恢復(fù)算法消除共軛像的同軸數(shù)字全息成像方案的實現(xiàn)過程如下：

(1)利用同軸數(shù)字全息圖，根據(jù)公式：生成圖像傳感器平面(recordingplane)內(nèi)物光波的復(fù)振幅，其中，o1表示復(fù)振幅，iin表示同軸數(shù)字全息圖的強度，j表示虛數(shù)符號，的初始值設(shè)為一常數(shù)，通常取0或1。

(2)利用角譜傳播法將圖像傳感器平面內(nèi)物光波的復(fù)振幅o1反向傳播到待測物體平面(objectplane)內(nèi)，得到待測物體平面(objectplane)內(nèi)的復(fù)振幅分布o(jì)2；

(3)查找o2的振幅大于1的像素點，將其振幅更新為1；

(4)利用角譜傳播法將更新后的待測物體平面(objectplane)內(nèi)的復(fù)振幅o2正向傳播至圖像傳感器平面(recordingplane)內(nèi)，并用替換它的振幅，得到新的圖像傳感器平面(recordingplane)內(nèi)物光波的復(fù)振幅o3；

(5)重復(fù)(2)～(4)步進行迭代運算，直到收斂。輸出待測物體平面(objectplane)內(nèi)的物光波的復(fù)振幅分布o(jì)2，得到待測物體的再現(xiàn)像。

現(xiàn)有技術(shù)主要存在以下缺點：

1、在已有的同軸數(shù)字全息相位恢復(fù)算法中，圖像傳感器平面內(nèi)的物光波復(fù)振幅的相位初始值被設(shè)為一個常數(shù)，在待測物體平面內(nèi)只將物光波復(fù)振幅的強度作為約束條件。因此，已有的相位恢復(fù)算法要求待測物體為處于均勻透明背景上的稀疏物體，或要求待測物體引起的相位起伏小于π/2的條件下才能起到較好的消除共軛像的作用。

2、在已有的同軸數(shù)字全息相移法需要多次曝光記錄多幅全息圖，不適合用于對動態(tài)待測物體成像。

3、離軸數(shù)字全息要求待測物體與圖像傳感器之間的距離較大，在不加光學(xué)放大透鏡的情況下，系統(tǒng)的數(shù)值孔徑較小，導(dǎo)致成像分辨率較低，若加入光學(xué)放大透鏡，則會導(dǎo)致成像視場較小。

因此，如何提供一種適用于復(fù)雜形狀的待測物體、或待測物體處于強相位畸變條件下的大視場、高分辨率的數(shù)字全息成像方法及裝置，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種復(fù)合數(shù)字全息成像方法，適用于復(fù)雜形狀的待測物體，且待測物體處于強相位畸變條件下時，具有視場大和分辨率高的特點。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種復(fù)合數(shù)字全息成像方法，所述方法包括：

獲取待測對象的離軸數(shù)字全息圖和同軸數(shù)字全息圖，其中，所述離軸數(shù)字全息圖和所述同軸數(shù)字全息圖為同時記錄獲得的圖像；

根據(jù)所述離軸數(shù)字全息圖確定圖像傳感器平面內(nèi)的物光波的第一相位的分布和待測物體平面內(nèi)的所述物光波的第二相位的分布；

根據(jù)所述同軸數(shù)字全息圖的強度和所述第一相位，確定所述圖像傳感器平面內(nèi)的所述物光波的第一復(fù)振幅；

將所述第一復(fù)振幅反向傳播到所述待測物體平面內(nèi)，得到所述待測物體平面內(nèi)的所述物光波的第二復(fù)振幅，將所述第二復(fù)振幅中大于1的振幅對應(yīng)的像素點的振幅更新為1，并根據(jù)所述第二相位的分布中對應(yīng)像素點的相位更新所述大于1的振幅對應(yīng)的像素點的相位；

將所述第二復(fù)振幅正向傳播至所述圖像傳感器平面內(nèi)，得到所述圖像傳感器平面內(nèi)的所述物光波的第三復(fù)振幅，并根據(jù)所述同軸數(shù)字全息圖的強度更新所述第三復(fù)振幅中的振幅；

判斷所述第三復(fù)振幅與所述第一復(fù)振幅的差值是否小于設(shè)定閾值，

若是，根據(jù)所述第二復(fù)振幅確定所述待測對象的數(shù)字全息再現(xiàn)象；

若否，將所述第三復(fù)振幅反向傳播到所述待測物體平面內(nèi)，得到所述待測物體平面內(nèi)的所述物光波的第二復(fù)振幅。

可選的，根據(jù)公式：確定所述圖像傳感器平面內(nèi)的所述物光波的第一復(fù)振幅，其中，o'表示所述第一復(fù)振幅，iin表示所述同軸數(shù)字全息圖的強度，表示所述物光波的第二相位，j表示虛數(shù)符號。

可選的，所述根據(jù)所述第二相位的分布中對應(yīng)像素點的相位更新所述大于1的振幅對應(yīng)的像素點的相位具體包括：

將所述大于1的振幅對應(yīng)的像素點的相位對應(yīng)更新為所述第二相位的分布中對應(yīng)像素點的相位。

可選的，利用角譜傳播法將所述第一復(fù)振幅反向傳播到所述待測物體平面內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明提供的具體實施例，本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

本發(fā)明利用離軸數(shù)字全息圖重建得到的圖像傳感器平面(recordingplane)內(nèi)物光波的低精度相位分布作為同軸數(shù)字全息圖相位恢復(fù)迭代重建的初始相位，在待測物體平面內(nèi)加入了從離軸數(shù)字全息圖重建得到的物光波的低精度相位分布作為同軸數(shù)字全息圖相位恢復(fù)迭代重建的約束條件。因此，本發(fā)明提供的方法在復(fù)雜形狀的待測物體，或待測物體處于強相位畸變條件下也可以很好地消除其共軛像。而且，由于離軸數(shù)字全息圖和同軸數(shù)字全息圖是同時記錄的，因此，本發(fā)明提供的方法適合用于對動態(tài)待測物體成像。

本發(fā)明只需要從離軸數(shù)字全息圖中重建出低精度相位信息，待測物體到圖像傳感器之間的距離不必受已有離軸數(shù)字全息記錄距離的條件限制，本發(fā)明中待測物體到圖像傳感器之間的距離可以較小，其對圖像傳感器的空間帶寬積的利用率與同軸數(shù)字全息相同，且可消除共軛像的影響。因此，本發(fā)明提供的方法具有較高的分辨率和具有較大的視場。

本發(fā)明的目的還在于提供一種復(fù)合數(shù)字全息成像裝置，適用于復(fù)雜形狀的待測物體，且待測物體處于強相位畸變條件下時，具有視場大和分辨率高的特點。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種復(fù)合數(shù)字全息成像裝置，所述裝置包括：第一激光器、第二激光器、第一準(zhǔn)直器、第二準(zhǔn)直器、第一反射鏡、第二反射鏡、第一分束器、第二分束器、第三分束器、彩色相機和計算機，其中，待測對象設(shè)置在所述第二分束器和所述第三分束器之間，

所述第一準(zhǔn)直器，用于將所述第一激光器發(fā)出的激光準(zhǔn)直為第一平行光束；

所述第一分束器，用于將所述第一平行光束分為離軸物光束和離軸參考光束；

所述第一反射鏡，用于將所述離軸參考光束反射到所述第三分束器上；

所述第二準(zhǔn)直器，用于將所述第二激光器發(fā)出的激光準(zhǔn)直為第二平行光束；

所述第二反射鏡，用于將所述第二平行光束反射到所述第二分束器上，形成同軸物光束；

所述第二分束器，用于將所述離軸物光束及所述同軸物光束傳播到所述第三分束器上；

所述第三分束器，用于將所述離軸參考光束與所述離軸物光束合波干涉，形成離軸光束，并用于將所述離軸光束和所述同軸物光束照射到所述彩色相機上；

所述彩色相機，用于根據(jù)接收到的離軸光束生成離軸數(shù)字全息圖，并用于根據(jù)接收到的所述同軸物光束形成同軸數(shù)字全息圖；

所述計算機，與所述彩色相機連接，用于獲取待測對象的離軸數(shù)字全息圖和同軸數(shù)字全息圖，其中，所述離軸數(shù)字全息圖和所述同軸數(shù)字全息圖為同時記錄獲得的圖像；

根據(jù)所述離軸數(shù)字全息圖確定圖像傳感器平面內(nèi)的物光波的第一相位的分布和待測物體平面內(nèi)的所述物光波的第二相位的分布；

根據(jù)所述同軸數(shù)字全息圖的強度和所述第一相位，確定所述圖像傳感器平面內(nèi)的所述物光波的第一復(fù)振幅；

將所述第一復(fù)振幅反向傳播到所述待測物體平面內(nèi)，得到所述待測物體平面內(nèi)的所述物光波的第二復(fù)振幅，將所述第二復(fù)振幅中大于1的振幅對應(yīng)的像素點的振幅更新為1，并根據(jù)所述第二相位的分布中對應(yīng)像素點的相位更新所述大于1的振幅對應(yīng)的像素點的相位；

將所述第二復(fù)振幅正向傳播至所述圖像傳感器平面內(nèi)，得到所述圖像傳感器平面內(nèi)的所述物光波的第三復(fù)振幅，并根據(jù)所述同軸數(shù)字全息圖的強度更新所述第三復(fù)振幅中的振幅；

判斷所述第三復(fù)振幅與所述第一復(fù)振幅的差值是否小于設(shè)定閾值，

若是，根據(jù)所述第二復(fù)振幅確定所述待測對象的數(shù)字全息再現(xiàn)象；

若否，將所述第三復(fù)振幅反向傳播到所述待測物體平面內(nèi)，得到所述待測物體平面內(nèi)的所述物光波的第二復(fù)振幅。

可選的，所述第一準(zhǔn)直器和所述第二準(zhǔn)直器為準(zhǔn)直透鏡。

可選的，所述第一分束器、所述第二分束器和所述第三分束器為分光棱鏡。

根據(jù)本發(fā)明提供的具體實施例，本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

本發(fā)明利用兩種不同波長的激光光源分別形成離軸數(shù)字全息圖和同軸數(shù)字全息圖，利用彩色相機通過單次曝光即可同時記錄離軸數(shù)字全息圖和同軸數(shù)字全息圖，因此，本發(fā)明提供的復(fù)合數(shù)字全息成像裝置適用于對動態(tài)待測物體成像。

計算機利用離軸數(shù)字全息圖重建得到的圖像傳感器平面(recordingplane)內(nèi)物光波的低精度相位分布作為同軸數(shù)字全息圖相位恢復(fù)迭代重建的初始相位，在待測物體平面內(nèi)加入了從離軸數(shù)字全息圖重建得到的物光波的低精度相位分布作為同軸數(shù)字全息圖相位恢復(fù)迭代重建的約束條件。因此，本發(fā)明提供的復(fù)合數(shù)字全息成像裝置在復(fù)雜形狀的待測物體，或待測物體處于強相位畸變條件下也可以很好地消除其共軛像。

本發(fā)明只需要從離軸數(shù)字全息圖中重建出低精度相位信息，待測物體到圖像傳感器之間的距離不必受已有離軸數(shù)字全息記錄距離的條件限制，本發(fā)明中待測物體到圖像傳感器之間的距離可以較小，其對圖像傳感器的空間帶寬積的利用率與同軸數(shù)字全息相同，且可消除共軛像的影響。因此，本發(fā)明提供的復(fù)合數(shù)字全息成像裝置具有較高的分辨率和具有較大的視場。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例1復(fù)合數(shù)字全息成像方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例2復(fù)合數(shù)字全息成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明的目的是提供一種復(fù)合數(shù)字全息成像方法，適用于復(fù)雜形狀的待測物體，且待測物體處于強相位畸變條件下時，具有視場大和分辨率高的特點。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明。

如圖1所示，復(fù)合數(shù)字全息成像方法包括：

步驟101：獲取待測對象的離軸數(shù)字全息圖和同軸數(shù)字全息圖，其中，離軸數(shù)字全息圖和同軸數(shù)字全息圖為同時記錄獲得的圖像；

步驟102：根據(jù)離軸數(shù)字全息圖確定圖像傳感器平面內(nèi)的物光波的第一相位的分布和待測物體平面內(nèi)的物光波的第二相位的分布；

步驟103：根據(jù)同軸數(shù)字全息圖的強度和第一相位，確定圖像傳感器平面內(nèi)的物光波的第一復(fù)振幅；具體地，根據(jù)公式：確定圖像傳感器平面內(nèi)的物光波的第一復(fù)振幅，其中，o'表示第一復(fù)振幅，iin表示同軸數(shù)字全息圖的強度，表示物光波的第二相位，j表示虛數(shù)符號。

步驟104：利用角譜傳播法將所述第一復(fù)振幅反向傳播到所述待測物體平面內(nèi)，得到所述待測物體平面內(nèi)的所述物光波的第二復(fù)振幅，將所述第二復(fù)振幅中大于1的振幅對應(yīng)的像素點的振幅更新為1，并根據(jù)所述第二相位的分布中對應(yīng)像素點的相位更新所述大于1的振幅對應(yīng)的像素點的相位。具體地，根據(jù)第二相位的分布中對應(yīng)像素點的相位更新大于1的振幅對應(yīng)的像素點的相位具體包括：將大于1的振幅對應(yīng)的像素點的相位對應(yīng)更新為第二相位的分布中對應(yīng)像素點的相位。

步驟105：利用角譜傳播法將所述第二復(fù)振幅正向傳播至所述圖像傳感器平面內(nèi)，得到所述圖像傳感器平面內(nèi)的所述物光波的第三復(fù)振幅，并根據(jù)所述同軸數(shù)字全息圖的強度更新所述第三復(fù)振幅中的振幅；

步驟106：判斷所述第三復(fù)振幅與所述第一復(fù)振幅的差值是否小于設(shè)定閾值；若否，執(zhí)行步驟104。

步驟107：若是，根據(jù)第二復(fù)振幅確定待測對象的數(shù)字全息再現(xiàn)象。

本實施例利用從離軸數(shù)字全息圖重建得到的圖像傳感器平面(recordingplane)內(nèi)物光波的低精度相位分布作為同軸數(shù)字全息圖相位恢復(fù)迭代重建的初始相位分布。利用從離軸數(shù)字全息圖重建得到的待測物體(object)平面內(nèi)的物光波的低精度相位分布作為同軸數(shù)字全息圖相位恢復(fù)迭代重建的約束條件。因此，本發(fā)明提供的復(fù)合數(shù)字全息成像方法在復(fù)雜形狀的待測物體，或待測物體處于強相位畸變條件下也可以很好地消除其共軛像，適用于對復(fù)雜形狀的待測物體或者處于強相位畸變背景中的待測物體進行成像，具有視場大和分辨率高的特點。

實施例2：

如圖2所示，復(fù)合數(shù)字全息成像裝置包括：第一激光器201、第二激光器202、第一準(zhǔn)直器203、第二準(zhǔn)直器204、第一反射鏡205、第二反射鏡206、第一分束器207、第二分束器208、第三分束器209、彩色相機210、計算機211、第一光纖212和第二光纖213，其中，待測對象200設(shè)置在第二分束器208和第三分束器209之間，第一光纖212用于連接第一激光器201和第一準(zhǔn)直器203，第二光纖213用于連接第二激光器202和第二準(zhǔn)直器204，

第一準(zhǔn)直器203，用于將第一激光器201發(fā)出的激光準(zhǔn)直為第一平行光束；

第一分束器207，用于將第一平行光束分為離軸物光束和離軸參考光束；

第一反射鏡205，用于將離軸參考光束反射到第三分束器209上；

第二準(zhǔn)直器204，用于將第二激光器202發(fā)出的激光準(zhǔn)直為第二平行光束；

第二反射鏡206，用于將第二平行光束反射到第二分束器208上，形成同軸物光束；

第二分束器208，用于將離軸物光束及同軸物光束傳播到第三分束器209上；

第三分束器209，用于將離軸參考光束與離軸物光束合波干涉，形成離軸光束，并用于將離軸光束和同軸物光束照射到所述彩色相機210上；

彩色相機210，用于根據(jù)接收到的離軸光束生成離軸數(shù)字全息圖，并用于根據(jù)接收到的同軸物光束形成同軸數(shù)字全息圖；

計算機211，與彩色相機210連接，用于：

獲取待測對象200的離軸數(shù)字全息圖和同軸數(shù)字全息圖；

根據(jù)離軸數(shù)字全息圖確定圖像傳感器平面內(nèi)的物光波的第一相位的分布和待測物體平面內(nèi)的物光波的第二相位的分布；

根據(jù)同軸數(shù)字全息圖的強度和第一相位，確定圖像傳感器平面內(nèi)的物光波的第一復(fù)振幅；

將第一復(fù)振幅反向傳播到待測物體平面內(nèi)，得到待測物體平面內(nèi)的物光波的第二復(fù)振幅，將第二復(fù)振幅中大于1的振幅對應(yīng)的像素點的振幅更新為1，并根據(jù)第二相位的分布中對應(yīng)像素點的相位更新大于1的振幅對應(yīng)的像素點的相位；

將第二復(fù)振幅正向傳播至圖像傳感器平面內(nèi)，得到圖像傳感器平面內(nèi)的物光波的第三復(fù)振幅，并根據(jù)同軸數(shù)字全息圖的強度更新第三復(fù)振幅中的振幅；

判斷第三復(fù)振幅與第一復(fù)振幅的差值是否小于設(shè)定閾值，

若是，根據(jù)第二復(fù)振幅確定待測對象的數(shù)字全息再現(xiàn)象；

若否，將第三復(fù)振幅反向傳播到待測物體平面內(nèi)，得到待測物體平面內(nèi)的物光波的第二復(fù)振幅。

本實施例中，第一準(zhǔn)直器203和第二準(zhǔn)直器204為準(zhǔn)直透鏡；第一分束器207、第二分束器208和第三分束器209為分光棱鏡。

復(fù)合數(shù)字全息成像裝置的工作過程如下：

第一激光器201、第二激光器202發(fā)出兩種不同顏色的激光，可根據(jù)實際需要具體設(shè)置為紅、綠、藍(lán)三種顏色中的任意兩種。第一激光器201發(fā)出的光經(jīng)過第一光纖212傳輸后，經(jīng)第一準(zhǔn)直器203后變成平行光，再由第一分束器207分成兩束，其中一束作為參考光束，另一束作為物光束。參考光束經(jīng)第一反射鏡205反射，再經(jīng)第三分束器209反射到彩色相機210的圖像傳感器上。物光束經(jīng)過第二分束器208反射后透過待測物體200，再透過第三分束器209照射到彩色相機210的圖像傳感器上，與參考光束相互干涉形成離軸數(shù)字全息圖。第二激光器202發(fā)出的光經(jīng)過第二光纖213傳輸后，經(jīng)第二準(zhǔn)直器204后變成平行光，經(jīng)第二反射鏡206反射后透過第二分束器208，再透過待測物體200和第三分束器209照射到彩色相機210的圖像傳感器上，形成同軸數(shù)字全息圖。彩色相機210用于同時拍攝分別為不同顏色的離軸數(shù)字全息圖和同軸數(shù)字全息圖。將彩色相機210拍攝記錄的離軸數(shù)字全息圖和同軸數(shù)字全息圖輸入計算機211進行再現(xiàn)，計算機211根據(jù)復(fù)合數(shù)字全息成像方法，重建出待測物體200的圖像，從而得到待測對象200的數(shù)字全息再現(xiàn)象。

本實施例利用兩種不同波長的激光光源分別形成離軸數(shù)字全息圖和同軸數(shù)字全息圖，利用彩色相機通過單次曝光即可同時記錄離軸數(shù)字全息圖和同軸數(shù)字全息圖，因此，本發(fā)明提供的復(fù)合數(shù)字全息成像裝置適用于對動態(tài)待測物體成像。而且，本發(fā)明提供的復(fù)合數(shù)字全息成像裝置，適用于對復(fù)雜形狀的待測物體或者處于強相位畸變背景中的待測物體進行成像，具有視場大和分辨率高的特點。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。