CN105446111B - 一种应用于数字全息重构过程的对焦方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于数字全息重构过程的对焦方法。该方法是在数字全息计算处理得到物光场后，物光场反向轴向传播，对两相邻截面光场强度(或振幅)的同一对焦区域矩阵元素作差，然后对所得到的矩阵的元素平方，再对平方后的矩阵所有元素求和得到一个函数值，依次对相邻等间距的轴向截面图像作上述处理即可以得到一组函数值，找到这组函数值的最小值，其对应的距离处即为对焦面的位置。该方法可应用于数字全息仪器装置的重构过程中的对焦，具有计算简单，适应范围广，对焦准确，不需要额外增加硬件装置等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种对焦方法，尤其涉及一种应用于数字全息重构过程的对焦方法。
背景技术
数字全息术是基于光学全息术的基本原理，采用数字图像传感器(如：CCD和CMOS)代替传统需要化学显影的光学全息板来记录全息图，将记录的强度信息转变为数字信号存入计算机，再利用计算机模拟参考光对全息图进行衍射重构成像，从而实现数字重构的一种新的全息术(详见参考专利：江竹青,王喆,陈依菲,等.数字全息成像在线重构显示***及方法:,CN103186090A[P].2013.)，现在已有基于数字全息的数字全息显微镜和数字全息测量仪器设备。在数字重构的过程中需要根据实际物体与数字图像传感器之间的距离，通过模拟光学衍射来实现对物体的再现重构，此时即实现了对焦。如果偏离了这个距离，重构出来的像就会离焦变模糊。
典型的对焦方法有四大类：基于光场强度熵的方法，基于光场强度方差的方法，基于光场强度梯度的方法和基于光场强度空间频率的方法(详见参考专利：蒋宏.空间频率对比法作为成像光学***的自动对焦判据,CN1303025A[P].2001参考文献：Wang H,Qin A,Zhao B.Autofocus method for amplitude and pure phase objects reconstructionin digital holography[C]//International Conference on Optical Instrumentationand Technology.International Society for Optics and Photonics,2009:75131Z-75131Z-5.)。它们最初为相机成像***对焦设计产生的，也可以应用于数字全息重构过程的对焦，这些典型的方法存在对不同类型物体的适应能力相对较弱和计算量相对较大等方面的不足，不太适合移动设备或者实时对焦处理等对计算要求严格的情况。另外还有多波长的数字全息对焦方法(详见参考文献：Gao P,Yao B,Rupp R,et al.Autofocusing basedon wavelength dependence of diffraction in two-wavelength digital holographicmicroscopy[J].Optics letters,2012,37(7):1172-1174.)，利用不同波长在衍射时会存在差异，但在对焦面上多种波长差异最小的原理来判断是否对焦，这种方法需要多种不同波长的激光，相比于普通的单波长数字全息术，会增加额外的硬件设备(如几台不同波长的激光器)，增加设备成本和实际操作难度。
发明内容
本发明是针对现有技术的不足，提出一种应用于数字全息重构过程的对焦方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种应用于数字全息重构过程的对焦方法，该方法包括以下步骤：
步骤(1)采用数字全息方法得到全息图后，处理全息图得到物光场矩阵U0；
步骤(2)用肉眼或者用常见长度测量工具粗略测量后估算出一个对焦距离区间[z1,zk]，确保对焦距离在该区间内,此处对焦距离为成像对象与数字图像传感器的距离。设置区间采样数为k，计算出采样间隔距离每隔距离delta选取一个距离，得到z2＝z1+delta，z3＝z1+2delta，z4＝z1+3delta，…，zk＝z1+(k-1)*delta；
步骤(3)对反向传播距离z1，z2，z3，…，zk依次采用光学衍射算法得到光场矩阵U1，U2，U3，…，Uk；
步骤(4)在每个光场矩阵Ux中选相同位置需要对焦的目标区域，得到新矩阵ROIx，即对焦窗口，矩阵ROIx大小为m*n，其中，x＝1,2,…,k；
步骤(5)通过矩阵ROIx计算实数R(zx)，公式如下；
其中，ROIx(i，j)为矩阵ROIx第i行、第j列的元素，
或者通过公式如下：
其中，ROIx(i，j)为矩阵ROIx第i行、第j列的元素；
步骤(6)计算数列y(z1),y(z2),…，y(zk-1)，公式如下：
y(zx)＝|R(zx)-R(zx+1)|2,(x＝1,2,...,k-1),
步骤(7)对数列y(z1),y(z2),…，y(zk-1)，直接遍历数列y的所有项或者采用对焦评价函数搜索算法找出数列y的最小值y(zf)，最小值y(zf)所对应的z即为对焦面与数字图像传感器的距离zf，距离数字图像传感器zf处且垂直光传播方向的平面即为对焦面。
本发明的明显效益在于：通过光学衍射算法在数字全息重构过程中重构出不同距离的光场，对相邻的光场的振幅或者强度作差平方求和，找出最小值的方法，实现了在数字全息仪器装备的重构过程中的准确、快速对焦，从而让数字全息仪器获取精确的物***置和清晰的图像，并且同时没有增加任何的硬件设备。
附图说明
图1是具体实施例中的离轴数字全息的装置结构示意图。1为平行激光光束，2为平面反射镜，3为分束镜，4为平面反射镜，5为用来成像的对象物体，6为分束镜，7为数字图像传感器(在具体实施方式中为CCD)，,8为计算机，9为数字图像传感器到实际物体的距离，也是对焦距离zf。
图2是本发明一种应用于数字全息重构过程的对焦方法的流程图
图3是具体实施例中采用说明书发明内容里步骤(5)公式(1)后本发明得到的关于y与z的函数曲线图
图4是具体实施例中采用说明书发明内容里步骤(5)公式(2)后本发明得到的关于y与z的函数曲线图
图5是具体实施例对采集到的全息图衍射重构出来的，在对焦面出的物体强度图
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的数字全息重构过程的对焦方法的典型实施例。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为离轴数字全息的装置结构图。平面波激光束1由一个单波长的激光光源提供，经过分束镜3，分为两束激光，一束经过反射镜2反射后射透过物体5，再通过分束镜6出射到CCD上；另一束激光通过分束镜4以小倾斜角通过分束镜6入射到CCD上，两束激光在CCD上发生干涉，CCD记录下干涉图(即全息图)，CCD分辨率为2750*2200，并把数字化后的干涉图输入计算机。计算机经过傅里叶变换滤波处理滤除0级直流项和-1级的孪生共轭项后得到物光光场矩阵U0，大小为2200*2750个元素。
用直尺粗略测量后估算出聚焦区间[181mm,187mm]。设置区间采样数为201，故采样间隔delta＝0.03mm，可以得到z1＝181mm，z2＝z1+delta＝181.03mm，z3＝z1+2delta＝181.06mm，z4＝z1+3delta＝181.09mm，…，z201＝z1+(201-1)*delta＝187.00mm。
对反向传播距离z1，z2，z3，…，z201依次采用光学衍射算法的典型算法角谱传播算法反向衍射得到光场矩阵U1，U2，U3，…，U201；
在每个光场矩阵Ux中选相同位置需要对焦的目标区域，得到新矩阵ROIx，即对焦窗口，矩阵ROIx大小为64*64，其中，x＝1,2,…,k；
通过矩阵ROIx计算实数R(zx)，公式如下；
其中，ROIx(i，j)为矩阵ROIx第i行、第j列的元素，
或者通过公式如下：
其中，ROIx(i，j)为矩阵ROIx第i行、第j列的元素；
通过公式计算得到数列y(z1),y(z2),…，y(z200)，公式如下：
y(zx)＝|R(zx)-R(zx+1)|2,(x＝1,2,...,200),
对实数数列y(z1),y(z2),…，y(z200)，采用对焦评价函数搜索算法里的典型算法Fibonacci搜索法找出数列y的最小值y(z0)，最小值y(z0)所对应的z即为对焦面与CCD的距离zf＝184.1mm，从而确定距离数字图像传感器zf＝184.1mm处且垂直光传播方向的平面即为对焦面。
关于y与z的函数曲线图如图3和图4所示，其中图3为采用说明书发明内容步骤(4)公式(1)得到的结果，图4为采用说明书发明内容步骤(4)公式(2)得到的结果，在所测得的对焦面处重构的强度图如图5所示。
表1为本方法和其他四种主流方法(基于光场强度熵的方法，基于光场强度方差的方法，基于光场强度梯度的方法和基于光场强度傅里叶频谱权重的方法)在分别选取100个、1000个等间隔点和64*64像素、512*512像素、2048*2048像素对焦窗口条大小件下对焦耗时对比，可以看出本发明在同等条件下，耗时要明显小于其他四种主流方法。
表1
尽管特定参考实施例详细的描述了本发明，但在此描述的本发明实施例的意图不是详尽或者局限于所公开的具体形式。相反，所选用的用于说明问题的实施例是为了使本技术领域内的技术人员实施本发明而选择的。在不脱离本发明的权利要求所描述和限定的本发明的实质范围的情况下，存在变型例或修改例。
Claims (2)
1.一种应用于数字全息重构过程的对焦方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤(1)采用数字全息方法得到全息图后，处理全息图得到物光场矩阵U0；
步骤(2)用肉眼或者用常见长度测量工具粗略测量后估算出一个对焦距离区间[z1,zk]，确保对焦距离在该区间内,此处对焦距离为成像对象与数字图像传感器的距离，设置区间采样数为k，计算出采样间隔距离每隔采样间隔距离delta选取一个反向传播距离，依次得到z2＝z1+delta，z3＝z1+2delta，z4＝z1+3delta，…，zk＝z1+(k-1)*delta；
步骤(3)对反向传播距离z1，z2，z3，…，zk依次采用光学衍射算法反向衍射得到光场矩阵U1，U2，U3，…，Uk；
步骤(4)在每个光场矩阵Ux中选相同位置需要对焦的目标区域，得到新矩阵ROIx，即对焦窗口，矩阵ROIx大小为m*n，其中，x＝1,2,…,k；
步骤(5)通过矩阵ROIx计算实数R(zx)，公式如下；
<mrow>
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<mrow>
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<mo>|</mo>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
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<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>,</mo>
</mrow>
其中，ROIx(i，j)为矩阵ROIx第i行、第j列的元素，
或者通过公式如下：
<mrow>
<mi>R</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
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</msub>
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</mrow>
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<mi>ROI</mi>
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</msub>
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<mo>,</mo>
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<msup>
<mo>|</mo>
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<mo>,</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
<mo>,</mo>
<mn>2</mn>
<mo>,</mo>
<mo>...</mo>
<mo>,</mo>
<mi>k</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>,</mo>
</mrow>
其中，ROIx(i，j)为矩阵ROIx第i行、第j列的元素；
步骤(6)计算数列y(z1),y(z2),…，y(zk-1)，公式如下：
y(zx)＝|R(zx)-R(zx+1)|2,(x＝1,2,...,k-1),
步骤(7)对数列y(z1),y(z2),…，y(zk-1)进行处理找到对焦面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(7)找到对焦面，具体如下：
直接遍历数列y的所有项或者采用对焦评价函数搜索算法找出数列y的最小值y(zf)，最小值y(zf)所对应的zf即为数字图像传感器到成像对象的距离，距离数字图像传感器zf处且垂直光传播方向的平面，即为对焦面。
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