CN104777737B - 一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置及方法。本装置包括白光光源、第一立方分束器、待测物体、可调滤波器、偏振片、准直透镜、第二立方分束器、空间光调制器、高分辨率单色CCD、一维精密位移台和计算机。第一立方分束器将来自光源的光反射至3D待测物体，物体反射的光再经第一立方分束器进入可调滤波器、偏振片和准直透镜；经准直透镜准直后的单色光经第二立方分束器后进入空间光调制器，经空间光调制器衍射分束后变成两束自相干的光；再次经第二立方分束器后由高分辨率单色CCD采集干涉图像。可调滤波器、空间光调制器、高分辨率单色CCD和一维精密位移台通过软硬件连接，实现时序控制。该装置及方法能实现物体的3D光谱成像。
Description
技术领域
本发明属于光学衍射成像和非相干数字全息技术领域，具体公开了一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置及方法。
背景技术
全息成像是带有真实维度的成像技术，是真正意义上的3D成像技术。传统全息术受制于对光源相干性及防震等条件的严苛要求而无法得到更广泛的应用。随着高分辨率CCD（或CMOS）的出现，结合不同的分光方式，各种非相干数字全息技术应运而生。最为典型的是2007年J. Rosen提出的菲涅耳非相干相关数字全息术（Fresnel IncoherentCorrelation Digital Holography，FINCH），它采用纯相位空间光调制器（SLM）将来自于3D物体表面上每一点发出的光分成两束自相干的光，这两束光相互干涉并与其它物点的自干涉图形非相干叠加后被CCD记录生成全息图，在计算机中对全息图处理后得到物体的3D再现像。FINCH***中为了获得部分时间相干光束需引入一个窄带滤光片，因此，严格意义上来说FINCH***是准单色***，只能得到物体的单色3D像，无法得到物体的光谱信息。而传统光谱成像技术是2D成像技术与光谱技术的有机结合，能同时获得物体的光谱信息和2D像，对实现物体的3D成像无能为力。
发明内容
本发明提出一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置及方法，同时获得物体的三维空间信息和光谱信息，解决上述现有技术中存在的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置，其特征在于：包括白光光源、第一立方分束器、3D待测物体、可调滤波器、偏振片、准直透镜、第二立方分束器、反射式空间光调制器、高分辨率单色CCD、一维精密位移台以及计算机， 其中，所述高分辨率单色CCD被固定在所述一维精密位移台上；所述计算机通过数据线与所述可调滤波器、所述反射式空间光调制器、所述高分辨率单色CCD以及所述一维精密位移台连接，并且控制所述可调滤波器、所述反射式空间光调制器、所述高分辨率单色CCD以及所述一维精密位移台；
其中，所述白光光源发出的光照在所述第一立方分束器上，经所述第一立方分束器反射后照射到所述3D待测物体上，经所述3D待测物体的表面反射的光再次经过所述第一立方分束器后，进入所述可调滤波器，经所述可调滤波器后成为准单色光，然后再通过偏振片后变为单色线偏振光，该单色线偏振光经准直透镜准直后变成准直的单色偏振光，再依次通过所述第二立方分束器和所述反射式空间光调制器，所述反射式空间光调制器将入射的准直的单色偏振光进行波面变换并分成两束自相干的光，并且所述计算机控制所述高分辨率单色CCD记录由所述两自相干的光生成的干涉条纹。
所述白光光源为连续谱白光光源，以及所述白光光源（1）固定在平台上。
所述偏振片的偏振方向与所述反射式空间光调制器的偏振方向一致。
所述可调滤波器的波长的调整范围为：420nm~720nm，带宽为20nm；所述反射式空间光调制器分辨率为1920×1080，光谱范围为：420nm~700nm。
所述高分辨率单色CCD有效像素为：1344×1024，像素尺寸6.45μm×6.45μm，波长响应范围：300nm~1000nm。
所述计算机控制所述可调滤波器改变成像波长，控制所述一维精密平移台调节所述反射式空间光调制器和所述高分辨率单色CCD之间的距离，记录不同波长处的干涉条纹。
一种使用权利要求1所述的一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置进行三维成像的方法，包括以下步骤：
（1）打开计算机，利用计算机制作波长λmax处相位常数分别为0，和的三个相位掩膜板；然后将相位掩模加载在反射式空间光调制器上，相位掩模采取双透镜模式，双透镜的焦距分别为和，加载方式为随机；
（2）调节空间光调制器和高分辨率单色CCD之间的初始距离为；
（3）打开白光光源、可调滤波器、反射式空间光调制器、高分辨率单色CCD；
（4）通过计算机控制可调滤波器的初始输出波长λmax，反射式空间光调制器上分别加载步骤1中制作的三个相位掩膜板，高分辨率单色CCD依次拍摄对应三个相位掩模板的三张全息图，将三张全息图进行线性处理，消除孪生像和0级像后，得到波长λmax处的复全息；
（5）通过计算机控制可调滤波器输出下一波长，调节高分辨率单色CCD与反射式空间光调制器之间的距离，所述距离=，重复步骤4后面的步骤，得到成像波长范围内每一波长处的复全息；
（6）根据公式，
其中再现距离，，，，为准直透镜焦距，为待测物体与准直透镜间的距离，为准直透镜与反射式空间光调制器之间的距离，在计算机中编程获得同一物平面的光谱像，改变获得3D待测物体其他平面处的光谱像。
所述计算机控制所述可调滤波器输出的波长的范围为：420nm~720nm，带宽为20nm；所述反射式空间光调制器分辨率为1920×1080，光谱范围为：420nm~700nm。
所述高分辨率单色CCD有效像素为：1344×1024，像素尺寸6.45μm×6.45μm，波长响应范围：300nm~1000nm。
所述λmax为成像光谱的最大波长。
本发明的有益效果：本发明不但可以实现非相干彩色全息的记录和再现，还可以获得3D待测物体的高分辨光谱像，在遥感探测、军事防伪、艺术品鉴赏及材料分析等方面可得到广泛的应用。
附图说明
图1为本发明装置结构图。
图2为本发明方法的三个相位掩膜板的示意图，
其中，（a）为相位常数为0时的相位掩膜板的示意图；（b）为相位常数为时的相位掩膜板的示意图；（c）为相位常数为时的相位掩膜板的示意图。
图3为本发明装置实现的分辨率板的光谱像，
其中，（a）为可调滤波器输出波长为480nm的分辨率板的光谱像；（b）为可调滤波器输出波长为520nm的分辨率板的光谱像；（c）为可调滤波器输出波长为560nm的分辨率板的光谱像；（d）为可调滤波器输出波长为600nm的分辨率板的光谱像；（e）为可调滤波器输出波长为640nm的分辨率板的光谱像；（f）为可调滤波器输出波长为680nm的分辨率板的光谱像；（g）为可调滤波器输出波长为720nm的分辨率板的光谱像。
图4为本发明装置实现的两个非荧光骰子成像，
其中，（a）、（b）为再现焦平面分别为前、后两个骰子前端面时的再现像。
具体实施方式
下面通过附图1~ 4对本发明作进一步详细说明。
本发明的结构示意图和光路图如图1所示，本发明的一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置包括放置的待测物体3、第一立方分束器2、可调滤波器4、偏振片5、准直透镜6、第二立方分束器7、反射式空间光调制器8、高分辨率单色CCD 9、一维精密平移台10，还包括经第二立方分束器2反射到待测物体3上的白光光源1，通过数据线与高分辨率单色CCD 9、一维精密平移台10、反射式空间光调制器8和可调滤波器4相连的计算机11。计算机11控制可调滤波器4、反射式空间光调制器8、高分辨率单色CCD 9以及所述一维精密位移台10。白光光源1的光经第一立方分束器2反射后照射的物体3上，物体3反射的光进入由计算机11控制的光谱成像***中。白光光源1为连续谱白光光源，是一种非相干全息光源，在本发明的一些实施方式中，为方便设备运行，将白光光源1固定在平台上避免发生震动。白光光源1发出的光的传播路径为：白光光源1发出的光经第一立方分束器2反射后照射到待成像物体3上，物体3反射的光再经过第一立方分束器2进入可调滤波器4、经所述可调滤波器4后成为准单色光，然后再通过偏振片5后变为单色线偏振光，该单色线偏振光经准直透镜6准直后变成准直的单色偏振光，再经第二立方分束器7后进入反射式空间光调制器8，反射式空间光调制器8上加载的由计算机制作的相位掩模将入射光束进行波面变换并分为两束自相干的光，同时计算机11控制高分辨率单色CCD 9记录干涉条纹；计算机11通过软件控制可调滤波器4改变成像波长，控制一维精密平移台10调节反射式空间光调制器8和高分辨率单色CCD 9之间的距离，记录不同波长处的干涉条纹。偏振片5的偏振方向与入射式空间光调制器8的偏振方向一致。
计算机11控制可调滤波器4输出的波长具有一定的范围，本发明中波长的调整范围为：420nm~720nm，带宽为20nm；而反射式空间光调制器8的分辨率为1920×1080，光谱范围为：420nm~700nm，透射率为30%~60%。如图3所示，为可调滤波器4输出波长不同的情况下，分辨率板的光谱像，（a）为可调滤波器输出波长为480nm的分辨率板的光谱像；（b）为可调滤波器输出波长为520nm的分辨率板的光谱像；（c）为可调滤波器输出波长为560nm的分辨率板的光谱像；（d）为可调滤波器输出波长为600nm的分辨率板的光谱像；（e）为可调滤波器输出波长为640nm的分辨率板的光谱像；（f）为可调滤波器输出波长为680nm的分辨率板的光谱像；（g）为可调滤波器输出波长为720nm的分辨率板的光谱像。
本发明中使用的高分辨率单色CCD 9被固定在一维精密平移台10上，它的有效像素为：1344×1024，像素尺寸为6.45μm×6.45μm，波长响应范围：300nm~1000nm。
利用上述的设备，本发明还提供一种非相干数字全息技术的三维光谱成像方法，包括以下步骤：
1，打开计算机11，利用计算机制作波长λmax处如图2中（a）、（b）、（c）所示的相位常数分别为0，和的三个相位掩膜板；然后将上述相位掩模随机的加载在反射式空间光调制器8上，相位掩模采取双透镜模式，双透镜的焦距分别为和；
2，调节空间光调制器8和高分辨率单色CCD 9之间的初始距离：=；
3，打开白光光源1、可调滤波器4、空间光调制器8、高分辨率单色CCD 9；
4，通过计算机11控制可调滤波器4的初始输出波长λmax，同时通过计算机控制在反射式空间光调制器8上分别加载步骤1中制作的三个相位掩膜板，高分辨率单色CCD依次拍摄对应三个掩模板的三张全息图，将三张全息图进行线性处理，消除孪生像和0级像后，得到波长λmax处的复全息；
5，通过计算机11控制可调滤波器4输出下一波长，调节高分辨率单色CCD9与反射式空间光调制器8之间的距离，距离=，再次通过计算机控制在反射式空间光调制器8上分别加载步骤1中的三个相位掩膜板，高分辨率单色CCD相机一次拍摄对应的三个相位掩膜板的全息图，并进行线性行合成，得到输出波长处的复全息。使用计算机控制可调滤波器4的波长在420nm到700nm之间连续变化，重复上述得到复全息图的过程，得到成像波长范围内每一波长处的复全息；
6，根据公式，在计算机11中通过编程获得同一物平面（）的光谱像，改变获得3D待测物体其他平面处的光谱像；其中再现距离，，，，为准直透镜焦距，为待测物体3与准直透镜6间的距离，为准直透镜6与空间光调制器8之间的距离。如图4所示，为使用本发明的装置实现的非荧光骰子成像。
本发明在传统光谱成像的基础上，引入FINCH技术，可同时获取物体的3D空间信息和光谱信息。SLM上依次加载固定波长（λmax）但相位常数不同的三个相位掩摸，改变可调滤波器的输出波长，在每个波长处记录对应三个相位掩摸的三张全息图，对全息图进行线性处理得到光谱复全息图，将光谱复全息图数值再现后获得物体的3D光谱像。本发明不但可以实现非相干彩色全息的记录和再现，还可以获得3D物体的高分辨光谱像，在遥感探测、军事防伪、艺术品鉴赏及材料分析等方面可得到广泛的应用。
Claims (8)
1.一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置，其特征在于：包括白光光源(1)、第一立方分束器(2)、3D待测物体(3)、可调滤波器(4)、偏振片(5)、准直透镜(6)、第二立方分束器(7)、反射式空间光调制器(8)、高分辨率单色CCD(9)、一维精密位移台(10)以及计算机(11)，其中，所述高分辨率单色CCD(9)被固定在所述一维精密位移台(10)上；所述计算机(11)通过数据线与所述可调滤波器(4)、所述反射式空间光调制器(8)、所述高分辨率单色CCD(9)以及所述一维精密位移台(10)连接，并且控制所述可调滤波器(4)、所述反射式空间光调制器(8)、所述高分辨率单色CCD(9)以及所述一维精密位移台(10)；
其中，所述白光光源(1)发出的光照在所述第一立方分束器(2)上，经所述第一立方分束器(2)反射后照射到所述3D待测物体(3)上，经所述3D待测物体(3)表面反射的光再次经过所述第一立方分束器(2)后，进入所述可调滤波器(4)，经所述可调滤波器(4)后成为准单色光，然后再通过偏振片(5)后变为单色线偏振光，该单色线偏振光经准直透镜(6)准直后变成准直的单色偏振光，再依次通过所述第二立方分束器(7)和所述反射式空间光调制器(8)，所述反射式空间光调制器(8)将入射的准直的单色偏振光进行波面变换并分成两束自相干的光，所述计算机控制所述高分辨率单色CCD(9)记录由所述两束自相干的光生成的干涉条纹；
所述计算机(11)通过控制可调滤波器(4)改变成像波长，控制一维精密位移台(10)调节反射式空间光调制器(8)和高分辨率单色CCD之间的距离，记录不同波长处的干涉条纹。
2.根据权利要求1所述的一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置，其特征在于：所述白光光源(1)为连续谱白光光源，以及所述白光光源(1)固定在平台上。
3.根据权利要求1所述的一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置，其特征在于：所述偏振片(5)的偏振方向与所述反射式空间光调制器(8)的偏振方向一致。
4.根据权利要求1所述的一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置，其特征在于：所述可调滤波器(4)的波长的调整范围为：420nm～720nm，带宽为20nm；所述反射式空间光调制器(8)分辨率为1920×1080，光谱范围为：420nm～700nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置，其特征在于：所述高分辨率单色CCD(9)有效像素为：1344×1024，像素尺寸6.45μm×6.45μm，波长响应范围：300nm～1000nm。
6.一种使用权利要求1所述的一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置进行三维成像的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)打开计算机(11)，利用计算机制作波长λmax处相位常数分别为0，和的三个相位掩膜板，所述λmax为成像光谱的最大波长；然后将相位掩模加载在反射式空间光调制器(8)上，相位掩模采取双透镜模式，双透镜的焦距分别为fd1和fd2，加载方式为随机；
(2)调节空间光调制器(8)和高分辨率单色CCD(9)之间的初始距离zh为
(3)打开白光光源(1)、可调滤波器(4)、反射式空间光调制器(8)、高分辨率单色CCD(9)；
(4)通过计算机(11)控制可调滤波器(4)的初始输出波长λmax，反射式空间光调制器(8)上分别加载步骤1中制作的三个相位掩膜板，高分辨率单色CCD(9)依次拍摄对应三个相位掩模板的三张全息图，将三张全息图进行线性处理，消除孪生像和0级像后，得到波长λmax处的复全息；
(5)通过计算机(11)控制可调滤波器(4)输出下一波长λ，调节高分辨率单色CCD(9)与反射式空间光调制器(8)之间的距离zh，所述距离重复步骤4后面的步骤，得到成像波长范围内每一波长处的复全息HF(λ,x,y)；
(6)根据公式
其中再现距离 f0为准直透镜焦距，zs为待测物体(3)与准直透镜(6)间的距离，d为准直透镜(6)与反射式空间光调制器(8)之间的距离，在计算机(11)中编程获得同一物平面zs的光谱像，改变zs获得3D物体其他平面处的光谱像；
(7)所述计算机(11)通过控制可调滤波器(4)改变成像波长，控制一维精密位移台(10)调节反射式空间光调制器(8)和高分辨率单色CCD之间的距离，记录不同波长处的干涉条纹。
7.根据权利要求6所述的三维光谱成像的方法，其特征在于：所述计算机(11)控制所述可调滤波器(4)输出的波长λ的范围为：420nm～720nm，带宽为20nm；所述反射式空间光调制器(8)分辨率为1920×1080，光谱范围为：420nm～700nm。
8.根据权利要求6所述的三维光谱成像的方法，其特征在于：所述高分辨率单色CCD(9)有效像素为：1344×1024，像素尺寸6.45μm×6.45μm，波长响应范围：300nm～1000nm。
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