CN103941568B - 多维自动超分辨率数字全息成像装置及方法 - Google Patents

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多维自动超分辨率数字全息成像装置及方法，属于光学衍射成像和数字全息技术领域。首先搭建多维自动的超分辨数字全息成像装置，利用计算机调制空间光调制器中的光栅方向，从0°到180°，每次0.5°，得到360幅数字全息图；然后将360幅数字全息图通过Matlab软件进行傅里叶变换，得到再现像，且每幅再现像都有六个分离的子再现像；最后利用具有亚像素精度的频域配准方法对每一幅再现像中六个子再现像进行准确定位，采用小波变换提取360幅再现像中的子再现像的不同频率信息进行加权融合，获得多维超分辨率的再现像。本发明可以自动获取多幅不同方向衍射级次的全息图，在多维方向上提高数字全息成像分辨率，可用于对分辨率要求较高的生物医学、微纳检测等领域。

Description

多维自动超分辨率数字全息成像装置及方法
技术领域
本发明公开了一种多维自动的超分辨率数字全息成像装置及方法，该装置和方法属于光学衍射成像和数字全息技术领域。
背景技术
数字全息成像***的分辨率受到有效光阑的限制，主要体现在CCD等图像传感器的感光芯片尺寸较小，使得其分辨率受限于光的衍射导致的物理光学制约。同时，由于CCD的像元大小在制作技术上受到一定的限制，数字全息只能获取空间频率为几百线对每毫米的数字全息图，造成物光波高频信息的丢失，严重影响了数字全息成像***的分辨率。最简单有效的方法是缩短物体到CCD的距离，但这是以牺牲成像***的视场为代价的，在提高分辨率的情况下往往无法满足实际检测视场的需求。近年来，研究人员逐渐将超分辨率技术引入到数字全息成像中，该方法结合信息光学成像理论从光路的数值孔径出发提高成像分辨率，更易于满足实际应用的需求。主要有三种超分辨率数字全息方法，第一种是空间复用方法，采用CCD扫描方法获取衍射光不同位置的信息，然后将不同位置的全息图进行合成再现。第二种是多光束照明方法，该方法通过改变照明光波的入射方向依次记录一系列数字全息图，将它们按一定方式合成再现。第三种是光栅方法，利用光栅将原本落在CCD之外的高频光谱收集起来。空间复用和多光束照明方法需要移动CCD或者改变照明方向，均需机械操作。而基于光栅的超分辨率成像目前采用的均为实体光栅，只能提高一个或者两个方向上的分辨率，无法实现多方向的超分辨率成像。
发明内容
为了可以在多个方向提高数字全息成像***的分辨率，本发明提供了一套多维自动超分辨率数字全息成像装置和方法。
多维自动的超分辨数字全息成像装置，由激光器、光纤耦合器、光纤分束器、光纤准直器、待测样品、空间光调制器、合束棱镜、图像传感器和计算机组成，所述激光器出射端依次装配了所述光纤耦合器和光纤分束器，激光器出射的激光光束垂直于光纤耦合器和光纤分束器，经光纤分束器激光光束被分为两束光，其中一束作为参考光波经过光纤直接垂直入射在所述合束棱镜上，另外一束作为物光波经光纤垂直入射到所述光纤准直器，光纤准直器出射的物光波垂直入射到所述待测样品，待测样品前方依次放置所述空间光调制器、合束棱镜和图像传感器，其中空间光调制器和图像传感器与所述计算机连接，并且，所述空间光调制器为振幅型透射式空间光调制器，其中的光栅角度可调，并且光束尺寸大于待测样品的待测区域。
采用上述多维自动超分辨率数字全息成像装置可获得超分辨数字全息成像，该成像方法包括如下步骤：
(1)记录多幅超分辨率数字全息图：利用计算机调制空间光调制器，空间光调制器中的光栅的方向从0°到180°进行调节，每次调节0.5°，计算机控制图像传感器连续记录360幅数字全息图；
(2)获取数值再现像：将得到的360幅数字全息图存入计算机中，通过Matlab软件进行编程，分别对360幅数字全息图进行傅里叶变换，得到再现像，每幅再现像都有6个分离的子再现像；
(3)获得超分辨率数值再现像：利用具有亚像素精度的频域配准方法对每一幅再现像中的六个子再现像进行准确定位，采用小波变换提取360幅再现像中的子再现像的不同频率信息，对得到的不同频率信息进行加权融合，获得多维超分辨率的再现像。
所述激光器采用中心波长为532nm的固体激光器，功率为300mW。
所述空间光调制器采用分辨率为1920×1080像素，像元大小为8.5μm×8.5μm的振幅型透射式空间光调制器。
所述图像传感器采用CCD为4016×2672像素，像元尺寸为9μm×9μm的CCD相机。
本发明的有益效果：多维自动超分辨率数字全息成像装置及方法，通过对空间光调制器自动加载不同角度的光栅，收集多方向的物光波高频信息，实现多维超分辨率成像，该成像方法无需机械移动光学元件和手工操作，即可实现多维自动的超分辨率数字全息成像，可用于对分辨率要求较高的生物医学、微纳检测等应用领域。
附图说明
图1为多维自动的超分辨数字全息成像装置光路图。
1、激光器，2、光纤耦合器，3、光纤分束器，4、光纤准直器，5、待测样品，6、空间光调制器，7、合束棱镜，8图像传感器，9、计算机。
具体实施方式
多维自动的超分辨率数字全息成像装置，由激光器1、光纤耦合器2、光纤分束器3、光纤准直器4、待测样品5、空间光调制器6、合束棱镜7、图像传感器8和计算机9组成，如图1所示。多维自动的超分辨数字全息成像装置中的激光器1为固体激光器，采用的中心波长为532nm，功率为300mW。空间光调制器6采用分辨率为1920×1080像素，像元大小为8.5μm×8.5μm的振幅型透射式空间光调制器。图像传感器8采用分辨率为4016×2672像素，像元尺寸为9μm×9μm的CCD相机。
激光器1出射端依次装配了光纤耦合器2和光纤分束器3，激光器1出射的激光光束垂直于光纤耦合器2和光纤分束器3，经光纤分束器3的激光光束被分为参考光和物光两束光波，其中的参考光波经过光纤直接垂直入射在合束棱镜7上，物光波经光纤垂直入射到光纤准直器4，光纤准直器4出射的物光波垂直入射到待测样品5，待测样品5前方依次放置空间光调制器6，合束棱镜7和图像传感器8。空间光调制器6和图像传感器8与计算机9相连接，利用计算机9将不同角度的光栅加载在空间光调制器6上。
利用计算机来进行图像传感器8和空间光调制器6的时序控制，通过Labview软件实现空间光调制器6的光栅信息的加载，每加载一幅光栅信息后，计算机9控制图像传感器8记录数字全息图，空间光调制器6的光栅改变方向的间隔为0.5°，从0°到180°依次循环记录360幅数字全息图。每一幅数字全息图具有三个级次的衍射再现像，连续获得360幅数字全息图，并将360幅数字全息图的再现像进行叠加。
利用多维自动的超分辨数字全息成像装置，通过下述步骤可获得超分辨数字全息成像图：
1）通过多维自动的超分辨数字全息成像装置，将经过光纤分束器3的参考光波和经过空间光调制器6的物光波在合束棱镜7上进行干涉，得到的数字全息图被图像传感器8所采集。其中，利用计算机9调制空间光调制器6，得到不同角度的光栅，光栅的方向从0°到180°进行调节，每调节0.5°，图像传感器8拍摄一幅数字全息图，得到360幅数字全息图，分别为H1，H2，···，Hi，···，HN，（其中i=0，1，2，···，N，N=360）。
2）获取数值再现像：将得到的360幅数字全息图存入计算机9中，通过Matlab软件进行编程，分别对360幅数字全息图进行傅里叶变换得到360幅再现像，每幅再现像都有6个分离的子再现像，分别是Oit其中（t=1，2，···，6）。
3）获得超分辨率数值再现像：利用具有亚像素精度的频域配准方法对每一幅再现像中的6个子再现像Oit进行准确定位，采用小波变换提取360幅再现像中的子再现像的不同频率信息，对得到的不同频率信息进行加权融合，获得多维超分辨率的再现像。

Claims (5)

1.多维自动超分辨率数字全息成像装置，由激光器(1)、光纤耦合器(2)、光纤分束器(3)、光纤准直器(4)、待测样品(5)、空间光调制器(6)、合束棱镜(7)、图像传感器(8)和计算机(9)组成，其特征在于：所述激光器(1)出射端依次装配了所述光纤耦合器(2)和光纤分束器(3)，激光器(1)出射的激光光束垂直于光纤耦合器(2)和光纤分束器(3)，经光纤分束器(3)激光光束被分为两束光，其中一束作为参考光波经过光纤直接垂直入射在所述合束棱镜(7)上，另外一束作为物光波经光纤垂直入射到所述光纤准直器(4)，光纤准直器(4)出射的物光波垂直入射到所述待测样品(5)，待测样品(5)前方依次放置所述空间光调制器(6)、合束棱镜(7)和图像传感器(8)，其中空间光调制器(6)和图像传感器(8)与所述计算机(9)连接，并且，所述空间光调制器(6)为振幅型透射式空间光调制器，其中的光栅角度可调，并且光纤准直器(4)出射的物光波光束尺寸大于待测样品(5)的待测区域。
2.如权利要求1所述的多维自动超分辨率数字全息成像装置，其特征在于：所述激光器(1)采用中心波长为532nm的固体激光器，功率为300mW。
3.如权利要求1所述的多维自动的超分辨率数字全息成像装置，其特征在于：所述空间光调制器(6)采用分辨率为1920×1080像素，像元大小为8.5μm×8.5μm的振幅型透射式空间光调制器。
4.如权利要求1所述的多维自动超分辨率数字全息成像装置，其特征在于：所述图像传感器(8)采用CCD为4016×2672像素，像元尺寸为9μm×9μm的CCD相机。
5.采用如权利要求1所述的多维自动超分辨率数字全息成像装置获得超分辨率数字全息成像方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)记录多幅超分辨率数字全息图：利用计算机(9)调制空间光调制器(6)，空间光调制器(6)中的光栅的方向从0°到180°进行调节，每次调节0.5°，计算机(9)控制图像传感器(8)连续记录360幅数字全息图；
(2)获取数值再现像：将得到的360幅数字全息图存入计算机中，通过Matlab软件进行编程，分别对360幅数字全息图进行傅里叶变换，得到再现像，每幅再现像都有6个分离的子再现像；
(3)获得超分辨率数值再现像：利用具有亚像素精度的频域配准方法对每一幅再现像中的六个子再现像进行准确定位，采用小波变换提取360幅再现像中的子再现像的不同频率信息，对得到的不同频率信息进行加权融合，获得多维超分辨率的再现像。
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