CN106054570B - 强度传输方程实现单幅数字全息图较大相位重建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用强度传输方程实现单幅数字全息图较大相位重建方法。该方法包括如下步骤：搭建单光束或双光束平面波全息图记录***，以d为记录距离，采集一幅包含被测物体强度及相位信息的数字全息图；分别用三个不同的重建距离（‑Δd）、、和(+Δd）实现数字全息图的数值重建，获得被测物体在三个平面上的强度像；将三幅强度像作为数据源，代入强度传输方程中，利用格林函数模型求解强度传输方程，获得被测物体在成像平面上相位分布。本发明利用强度传输方程实现单幅全息图中的相位重建，避开了传统全息相位重建过程中的解包裹步骤，因此无需受传统全息相位重建深度的限制，从而可以实现较大相位重建。
Description
技术领域
本发明涉及一种较大相位重建方法，特别涉及一种强度传输方程实现单幅数字全息图较大相位重建方法。
背景技术
数字全息技术作为一项具有快速性、全局性、数字调焦功能的光学无损检测技术，是一项十分有效的微观定量检测手段，但不足之处在于传统重建算法实质是基于平面衍射理论，重建得到的是包裹相位，解包裹算法通常很复杂且需要对误差进行补偿，且所能重建相位对应被测轴向深度仅在微米范围。
强度传输方程相位重建技术是在赫姆霍兹复数方程虚数解的基础上逐步形成的一种非干涉的定量相位恢复方法。其基本原理是利用被测物体在成像平面上的一幅聚焦强度信息和两幅或数幅正负离焦强度信息的联合方程求解重建被测物体的相位信息。显然，相比于数字全息相位重建技术，强度传输方程相位重建技术最大优势是能获得解包裹相位，所以该相位值具有唯一性，从而没有轴向深度限制。但现有强度传输方程完成相位重建均需要在实验过程中对被测物体或图像采集器移动多次以完成信息采集，因此相位重建结果受离焦误差影响。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种可以对较大相位进行快速重建的方法，该方法主要优点在于克服了数字全息技术中相位重建深度仅限于微米范围以及相位需要解包裹的不足，同时也简化了强度传输方程相位重建所需数据的采集方式，减少误差量的引入。
为达到上述目的，本发明的思路如下：
为了实现较大相位的数值重建，结合数字全息技术和强度传输方程技术的相关优点，选用数字全息图光路记录***来采集被测物体的衍射信息，根据待重建物体的不同特性搭建单光束同轴全息光路***或双光束离轴全息光路***采集待重建物体的单幅数字全息图，再通过不同的重建距离实现聚焦平面及正、负离焦平面上强度信息的数值重建。然后将三平面上的强度信息作为强度传输方程相位重建算法的数据源，最后获得待重建物体的相位重建。本发明可以完成较大相位重建，同时利用数字全息技术的数字调焦功能避开了强度传输方程实验***中被测物体或信号采集器件的微位移操作，达到了简化信息采集过程并避免了移动操作引入的噪声误差。
根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：
在强度传输方程实现单幅数字全息图较大相位重建***中，全息图采集***可根据实际情况选用单光束同轴和双光束离轴光路。光路由激光光源、分光透镜、反射镜和带CCD摄像机的图像接收***及若干光学夹具组成。
单光束同轴全息图采集光路的结构是：激光光源发出的单色激光经扩束、滤波及准直***后形成平面波，该平面波直接照射呆重建样本产生衍射波，作为物光，与直射光波相遇产生干涉，形成同轴全息图，用CCD记录单幅同轴全息图。
双光束离轴全息图采集光路结构是：激光光源发出的光经扩束L1、滤波及准直***L2后形成平面波，该平面波通过分光镜BS3被分成两束光波，一束作为参考光波经反射镜M2和M4反射至分光镜BS4，再反射进入CCD。另一束光波经反射镜M2和M3后直接照射待重建样本形成物光波，经分光镜BS4透射进入CCD平面，与参考光波汇合干涉形成单幅离轴全息图。
完成上述单幅数字全息图的采集后，利用卷积积分算法以及不同的重建距离分别数值重建得到聚焦平面和正、负离焦平面上的强度信息，再将对应的强度信息应用于光强传输方程相位重建算法，实现样本的相位重建。
本发明较传统相位重建***而言，最大的一个创新特点就是引入数字全息技术，用单幅全息图的数字调焦功能避开了传统强度传输方程实验***中被测物体或信号采集器件的微位移操作，为强度传输方程数据获取提供了新的方法。通过单次全息图的记录重建出较大相位，使得重建相位范围不受限制，也避开了全息相位重建过程中繁琐复杂的解包裹步骤，还避免了强度传输方程数据采集***中机械移动带来的人为误差或者机械***误差，为较大相位重建提供了一种简单、快速、有效的技术方法。
附图说明
图1是单光束同轴全息图记录***原理示意图。
图2是双光束离轴全息图记录***原理示意图。
图3是强度传输方程实现单幅数字全息图较大相位重建测量的流程示意图。
具体实施方式
本强度传输方程实现单幅数字全息图较大相位重建***，可以根据待重建物体的特性选择不同的单幅数字全息图光路***。该发明具体实施流程图如附图3所示。
当待重建物体相位信息比较简单时，可以采用单光束同轴全息记录***。He-Ne激光光源发出的单色激光经扩束、滤波及准直***(即反射镜M1、透镜L1和L2)后形成平面波，平面波直接照射固定的待重建样本产生衍射波，作为物光，衍射波与直射光波相遇产生干涉，形成同轴全息图，图像记录***记录单幅同轴全息图。
当待重建物体相位信息比较复杂、对噪声等干扰敏感或者对相位重建精度有较高要求时，可以采用双光束离轴全息记录***。激光光源1发出的光经扩束L1、滤波及准直***L2后形成平面波，该平面波通过分光镜BS3被分成两束光波，一束作为参考光波经反射镜M2和M4反射至分光镜BS4，再反射进入CCD。另一束光波经反射镜M2和M3后直接照射被测样本形成物光波，经分光镜BS4透射进入CCD平面，与参考光波汇合干涉形成离轴全息图，图像记录***记录单幅离轴全息图。
完成上述单幅数字全息图的采集后，利用卷积积分算法以及三个重建距离(d′-Δd、d′、d′+Δd)分别数值重建得到聚焦平面和正、负离焦平面上的强度信息，再将对应的强度信息应用于光强传输方程相位重建算法，实现样本的相位重建。
本发明的数据处理方法
一、卷积积分重建算法
本发明首先需要对记录的单幅数字全息图进行数值重建，获得对应的强度信息，该过程采用卷积积分算法进行计算。卷积算法是根据相干成像***中成像原理进行原始物波的重建，获得物体相位信息。根据菲涅尔-基尔霍夫公式，得到卷积积分算法进行全息图数值重建的表达式：
式中g(x′-ξ,y′-η)为***脉冲响应，上式实为一卷积运算，且有：
现设L*L为CCD感光矩阵，N*N为CCD两方向上的像素量，Δξ＝Δη＝L/N为CCD像素间距，d′为重建距离。
其对应的离散计算表达式如下式：
式中表示卷积运算，r(k,l)为数字再现光波。
二、强度传输方程及其求解算法
全息图数值重建获得聚焦平面、正离焦平面和负离焦平面上的强度信息，将其应用于光强传输方程相位重建算法，获得待重建物体的相位信息。强度传输方程是描述强度分布与相位分布之间的关系式，它把强度I，光强变化和相位分布紧密联系在一起，因此，通过不同平面的强度分布可求解相位信息。这里，可以通过传播轴上两个散焦平面的强度近似获得。强度传输方程具体形式如下式(3)：
结合亥姆霍兹原理把式(3)写为如下形式，
式中是x-y平面上起作用的梯度算子，r⊥是垂直于z轴的x-y平面上的一个矢量。
若已知一幅聚焦强度图像，两幅具有相同离焦距离Δz的正、负离焦强度图像，根据式(4)求解出强度微分再把得到的强度微分代入式(5)求解得到ψ，最后根据式(6)求解最终相位φ。
Claims (4)
1.一种采用强度传输方程实现单幅数字全息图相位重建的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
一、根据待重建物体的不同特性，选用单光束同轴或双光束离轴全息记录***，以d′为记录距离，记录单幅数字全息图
二、采用卷积积分重建算法及三个不同的重建距离(d′-Δd)、d′、和(d′+Δd)，对单幅数字全息图进行重建，对应获得待重建物体在聚焦平面及正、负离焦平面上的三幅强度图像，该步骤采用的卷积积分算法表达式如下：
式中(ξ，η)为全息面坐标，(x′，y′)为重建聚焦平面坐标图，b(x′，y′)为重建物波，H(ξ，η)为全息图，r(ξ，η)为重建光波，d′为全息图重建距离，等于记录距离d
三、把步骤二数值重建获得的强度信息作为输入数据源，根据强度传输方程相位重建原理，采用快速傅里叶变换求解方法，完成待重建物体的相位重建，该步骤用来求解强度传输方程的快速傅里叶变换公式如下：
式中φ(x，y，z)为最终要求得到的相位，为梯度算子，F-1表示傅里叶逆变换，
上述的强度传输方程实现单幅数字全息图相位重建方法，用单幅全息图的数字调焦功能避开了传统强度传输方程实验***中被测物体或信号采集器件的微位移操作，为强度传输方程数据获取提供了新的方法。
2.根据权利要求1所述的一种采用强度传输方程实现单幅数字全息图相位重建方法，其创新特征在于数字全息图可以单次曝光记录，且因为是衍射成像，所以包含了被测物体在沿光轴任意方向平面上的衍射信息，包括相位和强度信息，从而保证利用数字全息技术的调焦功能实现由单幅数字全息图可以获得不同平面上的强度像。
3.根据权利要求1所述的一种采用强度传输方程实现单幅数字全息图相位重建方法，其特征在于为了简化记录***结构并充分利用CCD的记录面积，因此可选用单光束同轴全息***，激光光源发出的单色激光经扩束、滤波及准直***后形成平面波，平面波直接照射样本产生衍射波，作为物光，衍射波与直射光波相遇产生干涉，形成同轴全息图，图像记录***记录单幅同轴全息图。
4.根据权利要求1所述的一种采用强度传输方程实现单幅数字全息图相位重建方法，其特征在于为了减少单幅全息图重建强度像中的噪声，提高相位重建质量，因此可选用双光束离轴全息***，激光光源1发出的光经扩束L1、滤波及准直***L2后形成平面波，该平面波通过分光镜BS3被分成两束光波，一束作为参考光波经反射镜M2和M4反射至分光镜BS4，再反射进入CCD，另一束光波经反射镜M2和M3后直接照射被测样本形成物光波，经分光镜BS4透射进入CCD平面，与参考光波汇合干涉形成离轴全息图，图像记录***记录单幅同轴全息图。
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