本發(fā)明屬于彩色數(shù)字全息成像領域，特別涉及一種載頻復用彩色數(shù)字全息成像裝置與方法。

背景技術：

彩色數(shù)字全息成像技術是一種能夠記錄和再現(xiàn)原物體的色彩并具有三維立體感圖像的一種全息技術。由于彩色全息圖比單色全息圖能更真實的反映物體的原始信息,在全息測量和顯示方面具有更加廣闊的應用前景，因而受到廣泛關注。

專利cn101452253b“一種彩色數(shù)字全息像的獲取方法”利用黑白型面陣ccd和多記錄波長無透鏡傅里葉變換全息圖記錄光路，實現(xiàn)三基色數(shù)字全息成像，但是該方法仍需分別記錄各波長全息圖，且需要復雜算法進行再現(xiàn)成像，實時性差。

專利cn106569402a“一種多波長數(shù)字全息圖的色彩分離與數(shù)字處理方法”先利用bayer型彩色相機分別采集物體在三色激光照射下的單波長數(shù)字全息圖，通過數(shù)值處理獲取三色間的串擾系數(shù)矩陣；再采集三色激光同時照射的多波長數(shù)字全息圖，并利用串擾系數(shù)矩陣消除由于bayer濾色片對不同波長光的非完全選擇性而造成的三通道間的串擾，實現(xiàn)了單張數(shù)字全息圖一次性記錄多個波長的信息，但是該方法不僅成本高，分辨力低，而且操作復雜，針對不同物體需重復校正。

專利cn105717774a“一種彩色數(shù)字全息像的實時記錄裝置及方法”在物光束照明角度一致的條件下，分別調節(jié)參考光束的照射角度，通過一次曝光獲取含有各波長不同載頻的全息圖，實現(xiàn)動態(tài)彩色物體的實時全息記錄，但是該裝置各波長光束經過空間不同位置，不僅造成結構龐大復雜，而且調整困難。

法國songqinghe等(songq,wuy,tankamp,etal.researchontherecordinghologramwithfoveonindigitalcolorholography[c]//photonicsasia.internationalsocietyforopticsandphotonics,2010)利用彩色相機記錄全息圖，可使各波長光束共用一個光路，極大地簡化了系統(tǒng)結構，并降低了系統(tǒng)操作復雜度，但是因為采用彩色相機，不僅成本高，而且需要復雜的算法抑制各波長之間的串擾。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述技術的不足之處，將波分復用技術和頻譜角分復用技術相結合，提供一種結構簡單緊湊、調整方便的載頻復用彩色數(shù)字全息成像裝置，同時提供一種載頻復用彩色數(shù)字全息成像方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

載頻復用彩色數(shù)字全息成像裝置，包括第一光源至第三光源，第一合色棱鏡、第一非偏振分光棱鏡、第一準直擴束系統(tǒng)、第一反射鏡、待測物體、第二反射鏡、第二準直擴束系統(tǒng)、第二非偏振分光棱鏡、第二合色棱鏡、第一平面反射鏡至第三平面反射鏡、第三非偏振分光棱鏡、圖像傳感器和計算機，其中第一光源至第三光源發(fā)出的激光分別為紅光、綠光和藍光，波長分別為λa、λb和λc，第一光源至第三光源分別發(fā)射的光束經過第一合色棱鏡匯合成一束光，經第一非偏振分光棱鏡后分成兩束；一束依次經過第一準直擴束系統(tǒng)和第一反射鏡照射在待測物體上，經待測物體反射后射向第三非偏振分光棱鏡；另一束依次經過第二反射鏡、第二準直擴束系統(tǒng)、第二非偏振分光棱鏡和第二合色棱鏡后分成三基色光束，分別照射在第一平面反射鏡至第三平面反射鏡上并被反射，再次經過第二合色棱鏡后合成一束射向第二非偏振分光棱鏡，經其反射后射向第三非偏振分光棱鏡；匯合于第三非偏振分光棱鏡的光束被圖像傳感器光接收面接收，圖像傳感器的圖像信號輸出端連接計算機。

第一平面反射鏡至第三平面反射鏡分別位于第二合色棱鏡的出光軸上。

第一平面反射鏡至第三平面反射鏡中，第一平面反射鏡調整物光在水平方向與光軸成θa角，第二平面反射鏡調整物光在垂直方向與光軸成θb角，第三平面反射鏡調整物光在垂直方向與光軸成θc角；或第一平面反射鏡調整物光在垂直方向與光軸成θa角，第二平面反射鏡調整物光在水平方向與光軸成θb角，第三平面反射鏡調整物光在水平方向與光軸成θc角。

載頻復用彩色數(shù)字全息成像方法包括如下步驟：

(1)調整整個光學系統(tǒng)，打開第一光源至第三光源，射出波長分別為λa、λb和λc的激光，經過第一合色棱鏡匯合成一束光，經第一非偏振分光棱鏡后分成兩束；一束作為物光，依次經過第一準直擴束系統(tǒng)和第一反射鏡照射在待測物體上，經待測物體反射后射向第三非偏振分光棱鏡；另一束作為參考光，依次經過第二反射鏡、第二準直擴束系統(tǒng)、第二非偏振分光棱鏡和第二合色棱鏡后分成三基色光束，分別照射在第一平面反射鏡至第三平面反射鏡上并被反射，再次經過第二合色棱鏡后合成一束射向第二非偏振分光棱鏡，經其反射后射向第三非偏振分光棱鏡；匯合于第三非偏振分光棱鏡的物光和參考光，在圖像傳感器光接收面產生干涉，調整第一平面反射鏡至第三平面反射鏡形成三載頻復用的全息圖i(x,y)，并用圖像傳感器采集全息圖上傳到計算機中；

(2)計算待測物體8的復振幅ci(x,y)：

ci(x,y)＝ift{c[ft[i(x,y)]×fi]}

其中，fi表示濾波器，分別選擇λa、λb和λc入射光對應的實像頻譜，i＝a、b、c；ft表示傅里葉變換，ift表示逆傅里葉變換，c表示頻譜置中操作；

(3)計算各個波長聚焦后的復振幅：

ci(x,y)＝as(ci(x,y),d)

其中，as()表示角譜衍射變換，d表示的是準焦距離；

(4)計算各個波長聚焦后的振幅和相位:

ai(x,y)＝abs(ci(x,y))；pi(x,y)＝angle(ci(x,y))；

其中，abs()表示取振幅操作，angle()表示取相位操作；

(5)將所得的各個波長聚焦后的振幅和相位合成彩色的振幅和相位圖：

a(x,y,1)＝aa(x,y)；a(x,y,2)＝ab(x,y)；a(x,y,3)＝ac(x,y)；

p(x,y,1)＝pa(x,y)；p(x,y,2)＝pb(x,y)；p(x,y,3)＝pc(x,y)。

載頻復用彩色數(shù)字全息成像方法有以下特點和有益效果：

1.利用波分復用技術和頻譜角分復用技術，只需利用黑白圖像傳感器通過一次曝光采集一幅三基色載頻角分復用的全息圖，并通過頻域分離完成彩色成像，方法簡單易行，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術的創(chuàng)新點之一；

2.通過合色棱鏡分離三基色，只需利用三平面反射鏡偏轉不同方向即可在全息圖中引入三基色角分載頻，不僅三基色光束共用一個光路，全息圖對比度相同，而且只需通過簡單算法完成三基色全息圖分離，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術的創(chuàng)新點之二。

載頻復用彩色數(shù)字全息成像裝置有如下顯著特點：

1.本發(fā)明裝置三基色光束共用一個光路，結構簡單緊湊，體積小，調整方便；

2.本發(fā)明裝置采用黑白圖像傳感器，且無需特殊光學元件，成本低。

附圖說明

圖1為載頻復用彩色數(shù)字全息成像裝置示意圖；

圖2(a)-圖2(c)為一副彩色圖像的r、g、b三通道分量；

圖2(d)為該結構仿真的三色全息圖；

圖2(e)為該結構仿真的三色全息圖的頻譜圖；

圖2(f)-圖2(h)為恢復出的r、g、b三通道分量。

具體實施方式

圖1所示的為載頻復用彩色數(shù)字全息成像裝置，包括第一光源至第三光源1、2、3，第一合色棱鏡4、第一非偏振分光棱鏡5、第一準直擴束系統(tǒng)6、第一反射鏡7、待測物體8、第二反射鏡9、第二準直擴束系統(tǒng)10、第二非偏振分光棱鏡11、第二合色棱鏡12、第一平面反射鏡至第三平面反射鏡13、14與15、第三非偏振分光棱鏡16、圖像傳感器17和計算機18，其中第一光源至第三光源1、2、3發(fā)出的激光分別為紅光、綠光和藍光，波長分別為λa、λb和λc，按照光的路徑描述，第一光源至第三光源1、2、3分別發(fā)射的光束經過第一合色棱鏡4匯合成一束光，經第一非偏振分光棱鏡5后分成兩束；一束依次經過第一準直擴束系統(tǒng)6和第一反射鏡7照射在待測物體8上，經其反射后射向第三非偏振分光棱鏡16；另一束依次經過第二反射鏡9、第二準直擴束系統(tǒng)10、第二非偏振分光棱鏡11和第二合色棱鏡12后分成三基色光束，分別照射在第一平面反射鏡至第三平面反射鏡13、14與15上并被反射，再次經過第二合色棱鏡12后合成一束射向第二非偏振分光棱鏡11，經其反射后射向第三非偏振分光棱鏡16；匯合于第三非偏振分光棱鏡16的光束被圖像傳感器17光接收面接收，圖像傳感器17的圖像信號輸出端連接計算機18。

第一平面反射鏡至第三平面反射鏡13、14與15分別位于第二合色棱鏡的出光軸上。

第一平面反射鏡至第三平面反射鏡13、14與15中，第一平面反射鏡13調整物光在水平方向與光軸成θa角，第二平面反射鏡14調整物光在垂直方向與光軸成θb角，第三平面反射鏡15調整物光在垂直方向與光軸成θc角，或第一平面反射鏡調整物光在垂直方向與光軸成θa角，第二平面反射鏡調整物光在水平方向與光軸成θb角，第三平面反射鏡調整物光在水平方向與光軸成θc角。

一種載頻復用彩色數(shù)字全息成像方法，包括如下步驟：

(1)調整整個光學系統(tǒng)，第一光源至第三光源1、2、3，射出波長分別為λa、λb和λc的激光，經過第一合色棱鏡4匯合成一束光，經第一非偏振分光棱鏡5后分成兩束；一束作為物光，依次經過第一準直擴束系統(tǒng)6和第一反射鏡7照射在待測物體8上，經其反射后射向第三非偏振分光棱鏡16；另一束作為參考光，依次經過第二反射鏡9、第二準直擴束系統(tǒng)10、第二非偏振分光棱鏡11和第二合色棱鏡12后分成三基色光束，分別照射在第一平面反射鏡至第三平面反射鏡13、14與15上并被反射，再次經過第二合色棱鏡12后合成一束射向第二非偏振分光棱鏡11，經其反射后射向第三非偏振分光棱鏡16；匯合于第三非偏振分光棱鏡16的物光和參考光，在圖像傳感器17光接收面產生干涉，調整第一平面反射鏡至第三平面反射鏡13、14與15形成三載頻復用的全息圖，并用圖像傳感器17采集全息圖上傳到計算機18中；

(2)計算待測物體的復振幅ci(x,y)：

ci(x,y)＝ift{c[ft[i(x,y)]×fi]}

其中，fi表示濾波器，分別選擇λa、λb和λc入射光對應的實像頻譜，i＝a、b、c；ft表示傅里葉變換，ift表示逆傅里葉變換，c表示頻譜置中操作；

(3)計算各個波長聚焦后的復振幅：

ci(x,y)＝as(ci(x,y),d)

其中，as()表示角譜衍射變換，d表示的是準焦距離；

(4)計算各個波長聚焦后的振幅和相位:

ai(x,y)＝abs(ci(x,y))；pi(x,y)＝angle(ci(x,y))；

其中，abs()表示取振幅操作，angle()表示取相位操作；

(5)將所得的各個波長聚焦后的振幅和相位合成彩色的振幅和相位圖：

a(x,y,1)＝aa(x,y)；a(x,y,2)＝ab(x,y)；a(x,y,3)＝ac(x,y)；

p(x,y,1)＝pa(x,y)；p(x,y,2)＝pb(x,y)；p(x,y,3)＝pc(x,y)。

下面結合圖1對本發(fā)明的實施實例作詳細說明。

本發(fā)明的裝置包括：三光源1、2和3，第一合色棱鏡4，第一非偏振分光棱鏡5，第一準直擴束系統(tǒng)6，第一反射鏡7，待測物體8，第二反射鏡9，第二準直擴束系統(tǒng)10，第二非偏振分光棱鏡11，第二合色棱鏡12，三平面反射鏡13、14和15，第三非偏振分光棱鏡16，圖像傳感器17，計算機18，其中三光源1、2和3的波長分別為632.8nm、533nm和457nm；三平面反射鏡中第一角平面反射鏡13調整物光在水平方向與光軸成0°角，第二平面反射鏡14調整物光在垂直方向與光軸成60°角，第三平面反射鏡15調整物光在垂直方向與光軸成-60°角。該裝置光的運行路徑為：三光源1、2和3分別發(fā)射的光束經過第一合色棱鏡4匯合成一束光，經第一非偏振分光棱鏡5后分成兩束；一束作為物光，依次經過第一準直擴束系統(tǒng)6和第一反射鏡7照射在待測物體8上，經其反射后射向第三非偏振分光棱鏡16；另一束作為參考光，依次經過第二反射鏡9、第二準直擴束系統(tǒng)10、第二非偏振分光棱鏡11和第二合色棱鏡12后分成三基色光束，分別照射在三平面反射鏡13、14和15上并被反射，再次經過第二合色棱鏡12后合成一束射向第二非偏振分光棱鏡11，經其反射后射向第三非偏振分光棱鏡16；匯合于第三非偏振分光棱鏡16的物光和參考光，在圖像傳感器17光接收面產生干涉，并用圖像傳感器17采集全息圖i(x,y)上傳到計算機18中。

(2)計算待測物體的復振幅ci(x,y)：

ci(x,y)＝ift{c[ft[i(x,y)]×fi]}

其中，fi表示濾波器，分別選擇λa、λb和λc入射光對應的實像頻譜，i＝a、b、c；ft表示傅里葉變換，ift表示逆傅里葉變換，c表示頻譜置中操作；

(3)計算各個波長聚焦后的復振幅：

ci(x,y)＝as(ci(x,y),d)

其中，as()表示角譜衍射變換，d表示的是準焦距離；

(4)計算各個波長聚焦后的振幅和相位:

ai(x,y)＝abs(ci(x,y))；pi(x,y)＝angle(ci(x,y))；

其中，abs()表示取振幅操作，angle()表示取相位操作；

(5)將所得的各個波長聚焦后的振幅和相位合成彩色的振幅和相位圖：

a(x,y,1)＝aa(x,y)；a(x,y,2)＝ab(x,y)；a(x,y,3)＝ac(x,y)；

p(x,y,1)＝pa(x,y)；p(x,y,2)＝pb(x,y)；p(x,y,3)＝pc(x,y)。

本發(fā)明裝置三基色光束共用一個光路，結構簡單緊湊，體積小，調整方便；同時因為采用黑白圖像傳感器，且無需特殊光學元件，成本低。