[發明專利]基于重建像強度方差的數字全息圖在焦重建距離判斷方法

有效

• 申請號: 201610242313.7
• 申請日: 2016-04-18
• 公開（公告）號: CN105700321B
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 姜宏振;劉勇;李東;劉旭;鄭芳蘭;周信達;楊一;陳竹;張霖;石振東;原泉;馬驊;馬玉榮;馮曉璇;馬可;任寰;李文洪;于德強;巴榮聲;鄭垠波;袁靜;丁磊;陳波;楊曉瑜
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院激光聚變研究中心
• 主分類號: G03H1/22
• 分類號: G03H1/22;G03H1/08
• 代理公司: 成都弘毅天承知識產權代理有限公司51230
• 代理人: 趙宇

技術領域

本發明屬于光學精密測量技術領域，涉及一種數字全息圖重建距離的自動化數值判斷方法，尤其涉及一種基于重建像強度分析的數字全息圖重建距離的自動化數值判斷方法。

背景技術

全息技術的思想最早于1948年提出，全息技術的主要特點是它不僅記錄了物體的振幅信息，而且記錄了物體的相位信息，從而更加真實地反映了原物體。全息技術的基本原理是：物體反射的光波與參考光波相干疊加產生干涉條紋，被記錄的這些干涉條紋成為全息圖，全息圖在一定的條件下再現，便可重現原物體逼真的三維像。根據全息技術的基本原理，我們知道全息圖致使記錄了物光波與參考光波相干疊加時產生的一系列干涉條紋，要得到物體的再現像，必須對全息圖進行重建處理，就光學全息和計算全息而言，其重建過程屬于光學再現過程，即將記錄物體全部信息的全息圖經過一系列處理以后，用適當的光照明全息圖，光通過全息圖時的衍射光和衍射光之間的干涉形成了與原物光波相似的光波，構成物體的再現像。對于利用數字全息技術，可以快速、高效的對待測樣品的強度、相位信息進行定量測量。其實現流程為，先將CCD記錄的全息圖數字化，并記錄下待測樣品的數字全息圖，然后在計算機中根據光學衍射積分對數字全息圖進行數值重建，得到待測樣品的再現像，進而得到待測樣品的強度、相位信息。由此可見，重建方法的選取將直接影響待測樣品的再現像的效果。無論采用何種重建方法，在數字全息圖的數值重建過程中，對重建距離的選取至關重要。準確的重建距離應當等于數字全息圖的記錄距離(即：待測樣品到用于記錄數字全息圖的CCD相機靶面的距離)，當兩者相等時，才可以獲得清晰在焦的待測樣品的再現像和準確的待測樣品的相位場分布；當兩者不相等時，獲得的待測樣品的再現像將發生離焦而不清晰，同時不能得到準確的待測樣品的相位場分布。

現有技術中，數字全息圖的重建距離通常是難以進行高精度的直接測量的，其主要受以下兩個方面的限制：這一方面，由于全息干涉光路系統的復雜性較高，難以對重建距離進行高精度的直接測量；另一方面，在直接測量過程中，外部物體極易碰觸到待測樣品或CCD靶面上，從而致使待測樣品或CCD靶面被污染，影響最終的測量效果。所以，數字全息圖的準確重建距離不易通過直接測量的方式得到。然而，現有技術中，在數字全息圖的數值重建過程中，往往是以一系列不同的重建距離對其進行重建，選定一個重建距離進行重建后得到一個重建強度像，然后多次改變重建距離并進行重建后得到不同重建距離下的重建強度像，然后通過人工挑選的方式從眾多的重建強度像中挑選出清晰的重建強度像，并同時確定其對應的重建距離為準確的重建距離。

發明內容

但是，采用上述重建距離的判斷方法雖然可以獲得數字全息圖的準確重建距離，但不能實現數字全息圖重建距離的自動化數值判斷，重建距離的判斷方法較為繁瑣，確定重建距離的耗時較長，確定重建距離的效率較低，重建距離的測量精度較低，不利于數字全息技術在光學檢測領域中的實際化應用。

本發明的發明目的在于：針對現有技術存在的問題，提供一種基于重建像強度方差的數字全息圖在焦重建距離判斷方法，利用重建像強度的方差與重建像強度的平均值的比值對重建像的清晰程度進行判斷、分析，并找到清晰的重建強度像及其所對應的數字全息圖準確重建距離，該方法可實現對于數字全息圖重建距離的自動化數值判斷，提高對重建距離的測量精度及測量效率。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種基于重建像強度方差的數字全息圖在焦重建距離判斷方法，包括以下步驟：

步驟一、對數字全息圖以一系列不同的重建距離d_n進行數值重建，得到對應重建距離下的一系列重建強度像數值重建所采用的重建公式為：

，其中，d_n＝d₀±n△d，n＝1,2，……N，N為整數，d₀為重建距離變化區間的中間值，Δd為重建距離的變化間隔，F^-1{}代表逆傅里葉變換運算，U(f_x，f_y)為數字全息圖的頻譜分布，exp為以自然常數e為底的指數函數，j為虛數單位，λ為數字全息圖的記錄波長，f_x和f_y分別為x和y方向的空間頻率；

步驟二、計算各個重建強度像的圖像強度值的方差，計算各個重建強度像的圖像強度值的平均值，然后計算上述方差與平均值的比值γ_n作為定量判斷重建強度像清晰程度的依據，比值γ_n的計算公式為：