一種無機(jī)械運(yùn)動(dòng)掃描的光學(xué)掃描全息技術(shù)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)全息成像領(lǐng)域，具體說是一種光學(xué)掃描全息成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)掃描全息術(shù)是由美國的Poon教授等人提出的一種非常規(guī)的數(shù)字全息技術(shù) (T·-C·Poon，"Scanning holography and two-dimensional image processing by acousto-optic two-pupil synthesis/'J.Opt.Soc.Am.A 2,621_627，1985)。與傳統(tǒng)的物 光參考光干涉記錄全息信息的方式不同，這項(xiàng)技術(shù)是在雙光瞳光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用主 動(dòng)光學(xué)外差掃描來獲取三維物體的全息數(shù)據(jù)信息(包括振幅和相位）。其工作過程是，僅通 過一次二維的平面掃描，用單像素探測器就可以把物體沿縱向分布的各層強(qiáng)度信息記錄到 復(fù)數(shù)全息圖中，即直接以數(shù)字形式記錄物體沿橫向和縱向的三維信息。這種技術(shù)有效避免 了傳統(tǒng)全息術(shù)存在的零級斑、孿生像等問題，還能夠一次采集被測物全部數(shù)據(jù)，然后根據(jù)需 要進(jìn)行局部數(shù)據(jù)重建，因而在數(shù)據(jù)采集速度方面具有很大優(yōu)勢。尤其適用于因受探測器件 限制，無法采用面陣成像器件以及信號檢測與信息重建分離的場合，比如在生物醫(yī)學(xué)成像、 遙感空間探測等領(lǐng)域可以有很大的應(yīng)用潛力，具有減小探測系統(tǒng)體積、降低系統(tǒng)成本等優(yōu) 點(diǎn)。
[0003] 圖1為Poon等人所提出的傳統(tǒng)光學(xué)掃描全息成像系統(tǒng)原理圖，通過將兩路光波疊 加形成的衍射圖樣(時(shí)變菲涅爾波帶板)來掃描三維物體。理論分析表明，該掃描記錄過程 可等效為掃描光場與被掃描物體光透過率函數(shù)的卷積運(yùn)算過程，系統(tǒng)的輸出是復(fù)數(shù)全息圖 的形式。在該系統(tǒng)中，其二維平面掃描往往采用的是機(jī)械掃描的方式，系統(tǒng)重建圖像的橫向 分辨效果在很大程度上受到掃描精度的限制。而如果采用高精密的機(jī)械掃描裝置，則無疑 會(huì)增加系統(tǒng)成本。此外，機(jī)械掃描過程主要是依靠控制步進(jìn)電機(jī)的啟停運(yùn)動(dòng)，所帶來的難以 避免的微小抖動(dòng)都會(huì)使全息圖的記錄出現(xiàn)偏差，進(jìn)而影響物體圖像的重建效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了消除機(jī)械掃描裝置對物體全息信息記錄的不利影響，本發(fā)明提出了一種無機(jī) 械運(yùn)動(dòng)掃描的光學(xué)掃描全息技術(shù)。
[0005] 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖和傳統(tǒng)光學(xué)掃描全息系統(tǒng)的類似，都是建立在以馬赫-曾德 爾干涉儀為基本架構(gòu)的雙光瞳光學(xué)系統(tǒng)基礎(chǔ)上。它們的不同之處，主要是本發(fā)明中采用數(shù) 字微鏡器件(DMD)取代了二維機(jī)械掃描裝置;另外，本發(fā)明所記錄的直接數(shù)據(jù)并不是被測物 體的復(fù)數(shù)全息圖，還需要應(yīng)用壓縮感知理論，從所記錄的直接數(shù)據(jù)中重構(gòu)恢復(fù)出物體的復(fù) 數(shù)全息圖。而從物體的復(fù)數(shù)全息圖重建出物體本身圖像，則本發(fā)明與傳統(tǒng)光學(xué)掃描全息方 法完全相同。
[0006] 本發(fā)明所述的無機(jī)械運(yùn)動(dòng)掃描的光學(xué)掃描全息技術(shù)包括以下步驟： (1)將待測三維物體置于DMD后側(cè)距離z的位置處，改變DMD的配置矩陣以調(diào)制投射在被 測物體的光場，記錄每次DMD調(diào)制光場從被測物體出射后的總光強(qiáng)所相應(yīng)的數(shù)據(jù)； (2) 利用壓縮感知算法，從記錄的數(shù)據(jù)中推算得到被測物體復(fù)數(shù)全息圖（或稱編碼階段 全息圖）Hc(x，y，Zi); (3) 將一點(diǎn)元物體(針孔)置于DMD后側(cè)距離Zd的位置處，改變DMD的配置矩陣以調(diào)制投 射在點(diǎn)元物體的光場，記錄每次DMD調(diào)制光場從點(diǎn)元物體出射后的總光強(qiáng)所相應(yīng)的數(shù)據(jù)； (4) 利用壓縮感知算法，從記錄的數(shù)據(jù)中推算得到點(diǎn)元物體復(fù)數(shù)全息圖（或稱解碼階段 全息圖）Hd(x，y，zd); (5) 通過將編碼階段和解碼階段所記錄的復(fù)數(shù)全息圖&(^7,21)和出(1，7, 2(1)在計(jì)算 機(jī)上做卷積運(yùn)算，可以得到重建截面圖像信息?
[0007]其中，上述步驟(1)的具體實(shí)現(xiàn)過程如下： (la) 激光器輸出頻率為ω的光束，通過分光鏡后分成兩路，其中一路經(jīng)過聲光移頻器 后頻率移為ω + Ω，使得兩路光波呈現(xiàn)頻率差Ω ;另一路光波經(jīng)過DMD并被其調(diào)制，然后在合 束鏡處與前述一路光波合束，再投射到三維物體上。 (lb) 從三維物體出射的光場被收集到光電探測器上，得到光學(xué)外差響應(yīng)電流i(t);不 斷隨機(jī)地改變DMD的配置矩陣，從而將投射在三維物體上的光場隨機(jī)調(diào)制;對每次改變，探 測器都輸出相應(yīng)的光學(xué)外差電流i(t)。 (1 c)輸出的電流i (t)包含了直流成分和頻率為Ω的交流成分，經(jīng)過中心頻率為Ω的帶 通濾波器(BPF)，濾除直流成分及高頻干擾成分后，得到外差交流信號h(t):
(1； (2) Re[.]表示取實(shí)部，D代表光瞳大小，γ (x，y;z)代表物體的透射率分布，表示卷積，m (X，y)表示從DMD出射的被調(diào)制光場，h (X，y; z)貝lj為傳輸距離為z的脈沖響應(yīng)函數(shù)，I ζω,,Ι和φ p 分別代表k的振幅的相位。 (ld) ifl(t)分成兩路并輸入鎖相放大器，分別與相互正交的兩路單頻信號c〇s(Qt)和 sin( Ω t)混頻，再通過低通濾波器（LPF)提取出同相分量A =|k|c〇s(各）和正交分量 i = (奏），也即為⑵式的實(shí)部和虛部。 (le) 將這相互正交的兩路分量信號和is分別進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息 記錄在計(jì)算機(jī)中，完成對應(yīng)于某個(gè)m(x，y)的一次測量;然后隨機(jī)改變DMD配置矩陣的取值， 相應(yīng)得到另一種被調(diào)制光場m(x，y)的分布，進(jìn)而再次得到另一組i#Pi s的數(shù)字信息并記錄； 如此重復(fù)改變和記錄Μ次。 (lf) 上述過程也可離散化表示為
?) 其中Ν是單維坐標(biāo)上的抽樣點(diǎn)數(shù)，Xi，yj為坐標(biāo)χ，y的離散化，1 (Xi，yj; ζ)則是經(jīng)過物體 后光場菲涅爾衍射分布的離散化表示，即： l(x,y；z)=| γ (x,y,z) |2*h(xi,yj,z) (4) 把二維矩陣mUi, y j)和1 (xi, yj; ζ)分別向量化就可得到一個(gè)N2維的行向量m和一個(gè)N2維 的列向量1，那么（3)式就可以寫成： ?Ω=πι1 (5) 式(5)可以看為壓縮感知記錄過程的一個(gè)測量值，如果不斷改變DMD配置矩陣Μ次，就得 到Μ個(gè)測量值mi，m2,…·π?Μ，它們構(gòu)成一個(gè)MX 1維的列向量，結(jié)果可表不為：
(6) 其中《Xl表示的MX 1列向量，?表示用mi，m2, . . .π?這些向量組成的MXN2的矩陣； 因此通過步驟(1)，記錄存貯在計(jì)算機(jī)中的是Μ組外差交流信號h(t)相應(yīng)的數(shù)字量，它們包 含了 iQ(t)的振幅與相位信息。
[0008] 所述步驟(2)的具體實(shí)現(xiàn)如下： (2a)被測物體的復(fù)數(shù)全息圖!1。(^7,21)實(shí)際上就是(5)式中的1，它是一個(gè)長度為的爐 的離散信號，而按步驟（1)得到的記錄結(jié)果長度是M。由于通常信號1都滿足稀疏性或者可壓 縮性，由壓縮感知理論可知，即便在M〈N2的情況下，信號1仍可從測量值if1中重建出來。 (2b)信號1可用的N2X1的基上的向量組表示，為了簡單起見，假設(shè)基為正交基， 則 1可用在Ν2 X N2維空間的一組基ψ_ =丨機(jī)，吟.}線性組合表示為：
式中s是Ν2Χ1的矩陣，Ψ是Ν2ΧΝ2的矩陣。顯然，1和s是同一個(gè)信號的等價(jià)表示，其中1 是在時(shí)域或空域上的表示形式，s則是在Ψ域上的表示形式，當(dāng)信號可以僅被Κ個(gè)基向量線 性表不時(shí)，則稱信號1為Κ-稀疏。 (2c)使用的最小化h范數(shù)方法從隨機(jī)測量結(jié)果〗^：1中恢復(fù)信號1，由壓縮感知理論可 知，僅需M2 0[K · log(N2/K)]次隨機(jī)測量就可以精確重建K稀疏向量或者是穩(wěn)定的近似重 建可壓縮的向量。Μ越大，恢復(fù)重構(gòu)的信號1效果越好，但資源開銷相應(yīng)增大，在實(shí)際中Μ可取 0.1~0.5Ν2，即采樣率(Μ/Ν 2)在10%~50%。最小化h范數(shù)算法滿足線性方程約束，可以通 過編程實(shí)現(xiàn)，例如常用的基追蹤算法，或者是其它一些基于貪婪、統(tǒng)計(jì)或者是變分思想的重 建算法，滿足：
(8)
[0009] 所述步驟(3)的具體實(shí)現(xiàn)與步驟（1)基本相同，只是將被測物體換成一個(gè)點(diǎn)元物體 (針孔）。而所述步驟(4)的具體實(shí)現(xiàn)與步驟(2)基本相同，區(qū)別在于此時(shí)由壓縮感知算法重 構(gòu)的是點(diǎn)元物體的復(fù)數(shù)全息圖。
[0010] 所述步驟(5)的具體實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)光學(xué)掃描全息方法完全相同，通過將所記錄的編 碼階段和解碼階段全息圖Hc(x，y， Zl)和Hd(x，y，Zd)在計(jì)算機(jī)上做卷積運(yùn)算，可以得到重建 截面圖像信息死," :
(9) 式中的"F"和"F1"分別表示傅里葉及逆傅里葉運(yùn)算符，k〇為波數(shù)，kx和ky為空間頻率， Zi 為三維物體中某層截面圖像的位置，聚焦層（滿足21 = 2(1的截面層）圖像輸出為
[0011] 在實(shí)際應(yīng)用中，為了盡量滿足實(shí)時(shí)性的要求，可以事先得到所有Zd可能取值處對 應(yīng)的解碼階段復(fù)數(shù)全息圖。即通過不斷改變點(diǎn)元物體的擺放位置，重復(fù)上述步驟(3)和(4)， 來記錄不同軸向位置處的解碼復(fù)數(shù)全息圖，并保存到計(jì)算機(jī)中，以供步驟(5)中調(diào)用。
[0012] 與傳統(tǒng)的光學(xué)掃描全息技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果： (1) 用數(shù)字微鏡器件(DMD)取代了二