[發明專利]一種基于雙孔光瞳的光學掃描全息圖像邊緣提取方法

在審

• 申請號: 201510080890.6
• 申請日: 2015-02-15
• 公開（公告）號: CN104614970A
• 公開（公告）日: 2015-05-13
• 發明（設計）人: 歐海燕;邵維;王秉中
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G03H1/12
• 分類號: G03H1/12
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 張楊

1.一種基于雙孔光瞳的光學掃描全息圖像邊緣提取方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟一：光束通過偏振分束器，將角頻率為ω的光分成兩部分，其中一部分通過第一光瞳P₁(x,y)形成平面波P₁(x,y)＝1；另一部分經過聲光調制器產生Ω的頻移后再通過第二光瞳P₂(x,y)；

通過調節第二光瞳的電壓分布，可以使得第二光瞳P₂(x,y)工作在兩個狀態：(1)P_2a(x,y)＝δ(x-x₁,y-y₁)，以及(2)P_2b(x,y)＝δ(x-x₂,y-y₂)，以產生兩個中心位置不同的球面波，其中，x₁≠x₂，y₁≠y₂，分別代表第二光瞳P₂(x,y)在x,y軸上的空間偏移量；

第一次全息圖記錄時，將分別通過第一光瞳P₁(x,y)和第二光瞳P_2a(x,y)的兩束光經偏振分束器合在一起，在被測物體上產生干涉形成菲涅爾波帶板h₁，利用二維掃描鏡控制h₁的偏轉，從而實現對三維樣品的二維掃描；透鏡3用于收集通過樣品的透射光和散射光，并將其送入光電探測器；產生的外差電流輸出經過混頻、濾波、放大等處理，產生解調信息并儲存于計算機中；儲存的信息為h₁編碼圖像，本質上為包含了樣品三維信息的全息圖；

該光學掃描全息系統的空間脈沖響應，即菲涅爾波帶板h₁可以表示為

h1(x,y,z)=-jk2πzexp(jk2z((x-x1)2+(y-y1)2))---(1)]]>

其中x,y,z代表空間坐標，k為光的波數；由(1)式可以看出，對于某一軸向位置z，菲涅爾波帶板是一個關于x,y的二維對稱函數，對稱中心為(x₁,y₁)；

假設復函數代表樣品的幅度信息，則該樣品經過光學系統掃描后得到的二維全息圖可以表示

其中*代表二維卷積；將待測樣品看作一系列離散切片的集合，即可對軸向坐標z進行離散化處理，表示為z₁,z₂,...,z_n，分別代表不同切片所在的軸向位置，那么(2)式表征的二維全息圖可以表示為

假設樣品僅包含一個切片，則(3)式可以簡化為

將轉換為一維矢量矩陣ψ，如果待測樣品為一個N×N的矩陣，則ψ為長度為N²的一維矢量矩陣；同樣，樣品的二維全息圖s₁(x,y)以及菲涅爾波帶板h₁(x,y,z₁)也可以分別轉化為長度為N²的一維矢量矩陣S₁和H₁；

這樣，(4)式可表示為

S₁＝H₁ψ+n₁?????????????????????(5)

其中n₁代表系統的高斯白噪聲，是長度為N²的一維矢量矩陣。

步驟二：調節第二光瞳調制器的電壓，將P₂(x,y)設置為P_2b(x,y)＝δ(x-x₂,y-y₂)，其中，x₁≠x₂，y₁≠y₂，從而獲得中心位置偏移的球面波，將新的球面波與另外一束平面波經偏振分束器合在一起，在被測物體上產生干涉形成第二個菲涅爾波帶板(h₂)；

該光學掃描全息系統的空間脈沖響應，即菲涅爾波帶板(h₂)可以表示為

h2(x,y,z)=-jk2πzexp(jk2z((x-x2)2+(y-y2)2))---(6)]]>

通過對同一待測樣品進行掃描，可獲得第二組樣品全息圖，同樣該過程可以表征為

矩陣方程為

S₂＝H₂ψ+n₂???????????????????????????(8)

將兩次二維全息掃描的矩陣方程整合起來，可以表示為

S=S1S2=H1H2ψ+n1n2=Hψ+n,---(9)]]>

步驟三：利用兩次二維掃描的全息圖進行全息成像的重現；全息成像重現，即要在已知S的情況下，求解目標矢量ψ，該問題的求解轉化為如下的最小化問題，

f(ψ)=||Hψ-G||22+λ||Cψ||22---(10)]]>

其中||.||代表二階范數，λ>0為罰系數，C是拉普拉斯高斯算子，其本質為高通濾波器，能夠用于物像的邊緣提取；該最小化問題的解表示為

(H⁺H+λC⁺C)f(ψ)＝H⁺G????????????????(11)

其中H⁺為矩陣H的共軛轉置；通過引入共軛梯度算法，即可實現邊緣提取以及物像重現。

2.如權利要求1所述的一種基于雙孔光瞳的光學掃描全息圖像邊緣提取方法，其特征在于：所述第二光瞳為透射型液晶空間光調制器。