CN101976031A - 一种数字微镜再现全息像的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种数字微镜再现全息像的优化方法。先通过CMOS记录光敏元件，采集的四幅全息图，将CMOS记录的四幅全息图，分别缩小到原来像素的四分之一，然后，将四幅缩小后的全息图拼接成与DMD有相同像素的合成孔径全息图，通过DMD得到高质量的全息再现像。合成孔径全息图时，为了提高占空比，对全息图作二值化处理。本发明利用无透镜傅立叶变换全息图再现像的成像面就是汇聚透镜焦平面的性质，解决通常全息成像面不固定的问题；利用其零级衍射被透镜汇聚在焦面的中心附近，所占区域大大缩小的性质，减小零级衍射对再现像质量影响；它通过合成孔径全息的性质提高占空比，提高DMD微镜利用率，达到仅用单束照明光就能提高DMD全息再现像质量的目。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用数字微镜和数字全息图实时地再现全息像的优化方法。
背景技术
自从1987年美国德州仪器公司研究开发出数字微镜(Digital Micro-mirror Device，DMD)后，由于具有比其它空间光调制器更高的分辨率、更宽的响应范围和更快的响应速度、信噪比，光能利用率高、工作温度范围大、偏振无关等特点，因此DMD很快就被应用于全息***，但目前用DMD再现全息像时再现像质量还比较差，影响DMD再现全息像质量的因素比较多，主要有：
1)作为数字全息记录元件的CCD或CMOS，其分辨率一般要高于DMD(即CCD或CMOS的像素总数要大于DMD的镜元总数)，用DMD再现全息像时要压缩像素，牺牲所获数字全息图的分辨率，导致再现像质量下降；
2)CCD或CMOS的有效光敏尺寸小于DMD的总尺寸(一般情况下COMS的有效光敏尺寸大概只有DMD总尺寸的几分之一)，如果在DMD上保持全息图与实际尺寸相同，要浪费DMD的大部分镜元，占空比急剧下降，导致再现像质量恶化。反之，如果要充分利用DMD，就要将全息图尺寸放大，导致再现像缩小而不利于观察；
3)DMD每个时刻只能显示一张黑、白二值图，使用位分离技术产生使观察者眼睛能感觉的灰度等级，即不同时刻再现的全息像是不同灰度的二值化全息图，经衍射后得到再现像，它们在一帧内光强视觉叠加(而不是光场叠加)，由于不同灰度的全息图占空比相差很大，导致再现像质量下降；
4)任意一个时刻输入到DMD各微镜元上的灰度值都是非负的，所以0级衍射像(特别是其中的直透部分)要占去大部分输入光强，并在再现像中占据大片的区域，使再现像光强降低，且在视觉上很不舒服；
5)由于现在送到DMD再现的全息图一般是菲涅尔全息图，DMD到能看到，导致用DMD再现全息像时不容易设计DMD后面的投射***。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前用DMD再现全息像时再现像质量差，特别是零级衍射在再现像中占据大片区域，使再现像光强降低，以及获得清晰再现像时DMD到观察面之间的距离，受记录数字全息图时物体到记录元件的距离、参考光类型，以及记录、再现波长比值的影响的问题，提供一种能很好地减小零级衍射对再现像的影响，准确控制再现像的位置，并提高再现像的质量的数字微镜再现全息像的优化方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
1)利用无透镜傅立叶变换数字全息图的性质：无透镜傅立叶变换全息图再现像的成像面就是汇聚透镜的焦平面，与再现、记录波长，以及它们的比值无关，解决通常全息成像面不固定给显示带来的麻烦；在成像面上，其零级衍射被透镜会聚在焦面的中心附近，所占区域大大缩小，可以减小零级衍射对DMD全息再现像的影响；
2)通过合成孔径全息的性质：合成孔径全息图可以提高占空比，提高DMD微镜利用率，克服通常全息再现像被缩小的问题，在全息图所在面内平移无透镜傅立叶变换全息图，不会改变全息再现像的位置，可以仅用单束照明光就达到提高DMD全息再现像质量的目的。
基于以上两点，将无透镜傅立叶变换数字全息与合成孔径方法相结合，以提高DMD全息再现像质量的方法。
具体做法是：先通过CMOS记录光敏元件，采集的四幅全息图，将CMOS记录的四幅全息图，分别缩小到原来像素的四分之一，然后，将四幅缩小后的全息图拼接成与DMD有相同像素的合成孔径全息图，通过DMD得到高质量的全息再现像。
合成孔径全息图时，为了提高占空比，对全息图作二值化处理。
本发明的有益效果是：利用无透镜傅立叶变换全息图再现像的成像的性质，以及合成孔径全息的性质，减小零级衍射对再现像的影响，准确控制再现像的清晰成像位置，可以提高全息图的占空比，同时能保持DMD全息再现像的清晰成像位置不变，且再现像不被缩小，还能将零级衍射光限制在很小的区域内，减少零级衍射对再现全息像的影响，使DMD全息再现像的质量提高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是记录全息图的光路图。
图2是记录的无透镜傅立叶变换全息图中的一幅。
图3是合成孔径全息图的构成和再现原理示意图。
图4是用DMD和无透镜傅立叶变换全息图再现全息像的光路图。
图5是DMD再现的菲涅尔合成孔径全息像。
图6是无透镜傅立叶变换全息图处理结果及用DMD进行再现得到的全息像。其中，图6(A)是经放大的无透镜傅里叶变换全息图(未做合成孔径处理)，图6(B)是该全息图用DMD再现得到的全息像；图6(C)是未放大的无透镜傅里叶变换全息图(未做合成孔径处理)，图6(D)是该全息图用DMD再现得到的全息像；图6(E)是用未放大的无透镜傅里叶变换全息图，做合成孔径处理后得到的全息图，图6(F)是该全息图经DMD再现得到的全息像。
图中，1.分束镜，2.显微物镜，3.针孔滤波器，4.准直透镜，5.全反镜，6.透明物体(塑胶板)，7.全反镜，8.显微物镜，9.针孔滤波器，10.分束镜，11.计算机，12.CMOS，13.汇聚透镜，14、15、16和17缩小后的全息图(子全息图)，18.数字微镜(DMD)，19.毛玻璃，20.反射光束。
具体实施方式
图1所示是无透镜傅立叶变换数字全息图的记录光路。激光束通过分束镜1分为两束，其中一束经显微物镜2汇聚并通过针孔滤波器3后，经准直透镜4变为平行光，照射到透明物体6上，透射光通过分束镜10作为物光到达CMOS 12上；另一束经反射镜7和显微物镜8汇聚并通过针孔滤波器9后，照射到分束镜10上，作为参考光到达CMOS 12上。孔滤波器9沿光轴到分束镜10的距离，与透明物体6沿光轴到分束镜10的距离相等，从而参、物光在CMOS 12上干涉得到无透镜傅立叶变换全息图，CMOS 12将其转换为电信号，并传输到计算机11中保存为物透镜傅里叶变换数字全息图。
图2所示是记录的无透镜傅立叶变换数字全息图，它为合成孔径全息图的形成提供了素材。
图3所示是合成孔径全息图的构成和再现原理示意图。平行激光束照射由四幅尺寸相同的无透镜傅立叶变换子全息图14、15、16和17组成的合成孔径全息图，透射光通过汇聚透镜13在位于其焦平面的毛玻璃19上成像。合成孔径全息图时，为了提高占空比，对全息图作二值化处理。由于合成孔径全息图的再现像可以缩小再现像中散斑的尺寸，同时信噪比、分辨率均有提高，所以得到的再现像效果好于单幅子全息图。
图4所示是用DMD和无透镜傅立叶变换全息图再现全息像的光路图。激光束经全反镜5进入显微物镜2，汇聚并通过针孔滤波器3和准直透镜4照射到数字微镜18上，反射光束20被从计算机11输出的合成孔径无透镜傅里叶变换数字全息图调制，经汇聚透镜13在位于其焦平面处的毛玻璃19上成清晰再现像。
图5所示是用DMD再现菲涅尔合成孔径全息图得到的全息再现像，目的是与本发明方法的结果作比较。该全息图的合成方法同前。可以看到，四个再现像不重合，而且零级衍射光扩散在了很大的区域，从反面证明了本发明方法在DMD再现全息像过程中的优越性。
图6所示是无透镜傅立叶变换全息图处理结果及用DMD进行再现得到的全息像。
比较图6(B)、图6(D)和图6(F)可以看到，放大全息图的尺寸可以充分利用DMD的所有镜元，占空比高，因而再现的全息像质量好，但再现像却被缩小了；保持全息图的尺寸不变，只能利用DMD的部分镜元，占空比低，因而再现全息像的质量很差，但保证了再现像没有被缩小；合成孔径方法利用了DMD的所有镜元，占空比提高，因而再现的全息像质量也明显提高，且再现像没有被缩小。即用合成孔径的方法可以提高全息再现像的质量。另外，由于使用无透镜傅立叶变换全息图来再现全息像，零级衍射光都被限制在了很小的区域内，这也有利于全息像的再现。
Claims (2)
1.一种数字微镜再现全息像的优化方法，其特征是：先通过CMOS记录光敏元件，采集的四幅全息图，将CMOS记录的四幅全息图，分别缩小到原来像素的四分之一，然后，将四幅缩小后的全息图拼接成与DMD有相同像素的合成孔径全息图，通过DMD得到高质量的全息再现像。
2.根据权利要求1所述的数字微镜再现全息像的优化方法，其特征在于合成孔径全息图时，为了提高占空比，对全息图作二值化处理。
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