[發(fā)明專利]消除單光束同軸數(shù)字全息直流項和共軛像的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310064097.8
• 申請日: 2013-02-28
• 公開（公告）號: CN103149827A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王玉榮;杜延龍;李杰;劉迪;孟祥鋒;楊修倫;王青圃
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號: G03H1/12
• 分類號: G03H1/12;G03H1/16
• 代理公司: 濟(jì)南金迪知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37219
• 代理人: 寧欽亮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于消除單光束同軸數(shù)字全息直流項和共軛像的分頻相移干涉方法，屬于激光數(shù)字全息與光學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

自二十世紀(jì)九十年代中后期開始，隨著面陣光電探測器（如CCD等）、計算機(jī)及數(shù)字圖像處理技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字全息術(shù)及其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用研究受到研究者們的廣泛關(guān)注。數(shù)字全息術(shù)采用面陣光電探測器代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學(xué)全息中的全息干板來記錄全息圖，并把記錄的全息圖以數(shù)字圖像形式存入計算機(jī)，再根據(jù)光波衍射傳播原理數(shù)值再現(xiàn)得到物光波的復(fù)振幅分布。與傳統(tǒng)光學(xué)全息相比，數(shù)字全息不需要顯影、定影與漂白等化學(xué)處理過程，其記錄和再現(xiàn)更加簡便快捷、更容易實現(xiàn)數(shù)字化與自動化，并且可分別得到物光波的振幅分布和相位分布，因此更有助于進(jìn)行精確的定量測量與檢測。近年來，隨著面陣光電探測器性能（如分辨率等）的不斷提高，有關(guān)數(shù)字全息術(shù)在生物醫(yī)學(xué)顯微成像與檢測、光學(xué)干涉測量、三維物體顯示、光學(xué)圖像加密、顆粒場檢測及流體動力學(xué)分析等方面的應(yīng)用研究得到了飛速發(fā)展，數(shù)字全息術(shù)已成為目前現(xiàn)代光學(xué)中發(fā)展十分迅速的一個分支。數(shù)字全息再現(xiàn)時，在再現(xiàn)光波場中除了所需要的再現(xiàn)像外還同時存在直流項和共軛像，直流項和共軛像的存在會影響再現(xiàn)像的質(zhì)量。如何降低或消除直流項和共軛像、從而提高再現(xiàn)像質(zhì)量，是數(shù)字全息領(lǐng)域的重點研究內(nèi)容之一。

根據(jù)記錄光路結(jié)構(gòu)的不同，數(shù)字全息大致可分為離軸數(shù)字全息、雙光束同軸數(shù)字全息及單光束同軸數(shù)字全息三大類。針對不同類型的數(shù)字全息，為降低或消除直流項和共軛像所采取的方法也不同。

在離軸數(shù)字全息中，物光波和參考光波以一定夾角入射到面陣光電探測器記錄面上，通過選取適當(dāng)?shù)膴A角，可以使直流項、共軛像及再現(xiàn)像的頻譜在頻譜面上分離。因此，一般采用傅里葉變換頻譜濾波方法消除直流項和共軛像。離軸數(shù)字全息的優(yōu)點是只需要記錄一幅全息圖，適合于對動態(tài)物體進(jìn)行成像顯示或檢測，缺點是其空間分辨率和視場大小受目前面陣光電探測器的成像面小和像元尺寸較大的限制。

在同軸數(shù)字全息中，物光波和參考光波以相同方向入射到面陣光電探測器的記錄面上。與離軸數(shù)字全息相比，在相同的面陣光電探測器空間分辨能力下，同軸數(shù)字全息可記錄更高空間頻率的物光波信息，從而具有更高的空間分辨率和更大的視場。同軸數(shù)字全息的缺點是再現(xiàn)光波中的直流項和共軛像與再現(xiàn)像在空間上交疊，不能采用傅里葉變換頻譜濾波方法消除直流項和共軛像。對于雙光束同軸數(shù)字全息，因其物光波和參考光波分別通過不同的光學(xué)器件和路徑，所以，可以比較方便地采用相移器件單獨改變參考光波的相位，實現(xiàn)相移干涉，利用記錄得到的多幅相移干涉圖并采用相應(yīng)的相移干涉波前恢復(fù)算法，就可以消除直流項和共軛像。

單光束同軸數(shù)字全息的最大優(yōu)點是：直透參考光波和衍射物光波經(jīng)歷相同的路徑和光學(xué)器件，其光路簡單、受環(huán)境振動和空氣擾動影響小，且對光源的相干性和記錄介質(zhì)（或器件）的空間分辨率要求較低。單光束同軸數(shù)字全息是一類具有重要用途的全息技術(shù)，可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)顯微成像與檢測、光學(xué)干涉測量、顆粒場檢測及流體動力學(xué)分析等方面。針對單光束同軸數(shù)字全息，為了盡量消除直流項和共軛像的影響，近年來文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了多種方法，如基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的方法及在不同距離處記錄多幅全息圖的方法等，這些方法盡管具有一定效果，但還不能完全消除直流項和共軛像的影響。與雙光束同軸數(shù)字全息不同，單光束同軸數(shù)字全息不需要另外引入?yún)⒖脊獠ǎ恍枰皇丈浯郎y物體的光波，物體透射光波場中的零頻成分（直透光波）和高頻成分（衍射光波）分別作為全息記錄中的參考光波和物光波。由于此時的直透參考光波和衍射物光波在空間上不能分離，所以雙光束同軸相移數(shù)字全息中通常采用的施加相移的方法不再適用于單光束同軸數(shù)字全息，無法用一般的相移干涉方法去除直流項和共軛像。目前為止，還沒有關(guān)于在單光束同軸數(shù)字全息采用相移干涉消除直流項和共軛像的文獻(xiàn)報道。

在保留單光束同軸數(shù)字全息的優(yōu)點并充分利用面陣光電探測器的空間分辨能力的前提下，尋求更有效的消除直流項和共軛像的新方法，具有十分重要的意義及有很大的應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對單光束同軸全息直流項和共軛像的消除問題，提供一種消除單光束同軸數(shù)字全息直流項和共軛像的方法，該方法可同時發(fā)揮單光束同軸數(shù)字全息和相移干涉的優(yōu)點，不僅可提高單光束同軸全息再現(xiàn)像的質(zhì)量和檢測精度，而且可拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。

本發(fā)明的消除單光束同軸數(shù)字全息直流項和共軛像的方法，是：