[發(fā)明專(zhuān)利]一種用于數(shù)字全息重構(gòu)過(guò)程的自動(dòng)對(duì)焦方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711169584.5
• 申請(qǐng)日: 2017-11-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107966111A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 文永富;程灝波
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01B11/24
• 分類(lèi)號(hào): G01B11/24
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• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種自動(dòng)對(duì)焦方法，尤其涉及一種用于數(shù)字全息重構(gòu)過(guò)程的自動(dòng)對(duì)焦方法，屬于數(shù)字全息測(cè)量領(lǐng)域。

技術(shù)背景

數(shù)字全息術(shù)與傳統(tǒng)光學(xué)全息原理一致，區(qū)別在于前者的記錄介質(zhì)是光電轉(zhuǎn)換器件CCD或CMOS，代替了傳統(tǒng)的全息銀鹽干板。與傳統(tǒng)的光學(xué)全息相比，數(shù)字全息的顯著特點(diǎn)是不需要顯影、定影與漂白等化學(xué)處理過(guò)程，可以根據(jù)復(fù)振幅分布采用數(shù)字全息重構(gòu)算法同時(shí)獲得物體的光強(qiáng)圖像以及相位信息。

在數(shù)字全息重構(gòu)過(guò)程中，通過(guò)模擬光學(xué)衍射來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的光波場(chǎng)重構(gòu)。在數(shù)值重構(gòu)過(guò)程中，重構(gòu)距離的選取至關(guān)重要。重構(gòu)時(shí)只有準(zhǔn)確知道被測(cè)物體到數(shù)字圖像傳感器之間的距離，才能準(zhǔn)確重構(gòu)出被測(cè)樣品的光強(qiáng)圖像以及相位信息。如果偏離了這個(gè)距離，重構(gòu)出來(lái)的光強(qiáng)圖像由于處于離焦?fàn)顟B(tài)而變得模糊。傳統(tǒng)自動(dòng)對(duì)焦方法，通常是通過(guò)依次改變重構(gòu)距離并進(jìn)行數(shù)字全息重構(gòu)，得到不同重構(gòu)距離下的光強(qiáng)圖像，然后通過(guò)采用合適的自聚焦判斷函數(shù)，得到一系列的函數(shù)值，進(jìn)而得到一條評(píng)價(jià)函數(shù)曲線(xiàn)，通過(guò)找到評(píng)價(jià)函數(shù)曲線(xiàn)的極值點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的距離即為對(duì)焦面的位置。然而，傳統(tǒng)自動(dòng)對(duì)焦方法利用評(píng)價(jià)函數(shù)得到的評(píng)價(jià)函數(shù)曲線(xiàn)，其曲線(xiàn)峰值點(diǎn)處往往較為平滑，不利于曲線(xiàn)擬合，且峰值處斜率往往比較小，線(xiàn)性度差，不利于準(zhǔn)確判定對(duì)焦面的位置；此外，評(píng)價(jià)函數(shù)的曲線(xiàn)斜率關(guān)于曲線(xiàn)峰值點(diǎn)對(duì)稱(chēng)，無(wú)法根據(jù)函數(shù)值的變化快速判斷調(diào)焦運(yùn)動(dòng)方向，因而也不利于軟件快速自動(dòng)搜索處理。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種用于數(shù)字全息重構(gòu)過(guò)程的自動(dòng)對(duì)焦方法，其目的在于實(shí)現(xiàn)數(shù)字全息測(cè)量過(guò)程中的自動(dòng)聚焦，便于快速準(zhǔn)確獲取被測(cè)物體表面三維形貌。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種應(yīng)用于數(shù)字全息重構(gòu)過(guò)程的自動(dòng)對(duì)焦方法，該方法包括以下步驟：

步驟(1)：在得到待處理的數(shù)字全息圖后，用肉眼或者長(zhǎng)度測(cè)量工具粗略測(cè)量后估算出一個(gè)重構(gòu)距離zc，以zc為基準(zhǔn)設(shè)置第一對(duì)焦距離區(qū)間[z1，zk]；設(shè)置對(duì)焦距離區(qū)間采樣數(shù)k，計(jì)算采樣間隔距離dz＝(zk-z1)/(k-1)；針對(duì)第一對(duì)焦距離區(qū)間[z1，zk]，每隔dz選取一個(gè)距離，得到不同臨時(shí)對(duì)焦距離z2＝z1+dz，z3＝z1+2*dz，…，zk＝z1+(k-1)*dz。

設(shè)置第二對(duì)焦距離區(qū)間[z1’，zk’]；針對(duì)第二對(duì)焦距離區(qū)間[z1’，zk’]，每隔距離dz選取一個(gè)距離，得到不同臨時(shí)對(duì)焦距離z2’＝z1’+dz，z3’＝z1’+2*dz，…，zk’＝z1’+(k-1)*dz；

步驟(2)：針對(duì)第一對(duì)焦距離區(qū)間[z1，zk]，采用數(shù)字全息重構(gòu)算法，分別得到不同臨時(shí)對(duì)焦距離下的物光場(chǎng)U1，U2，…，Uk。

針對(duì)第二對(duì)焦距離區(qū)間[z1’，zk’]，采用數(shù)字全息數(shù)值重構(gòu)算法，分別得到不同臨時(shí)對(duì)焦距離下的物光場(chǎng)U1’，U2’，…，Uk’；

步驟(3)：利用物光場(chǎng)U1，U2，…，Uk計(jì)算得到不同臨時(shí)對(duì)焦距離下的光強(qiáng)圖像I1，I2，…，Ik。

利用物光場(chǎng)U1’，U2’，…，Uk’計(jì)算得到不同臨時(shí)對(duì)焦距離下的光強(qiáng)圖像I1’，I2’，…，Ik’。

步驟(4)：利用自聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算出每個(gè)光強(qiáng)圖像I1，I2，…，Ik的函數(shù)值C1，C2，…，Ck，并以函數(shù)值為縱坐標(biāo)，臨時(shí)對(duì)焦距離為橫坐標(biāo)，建立第一條評(píng)價(jià)函數(shù)曲線(xiàn)。

利用自聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算出每個(gè)光強(qiáng)圖像I1’，I2’，…，Ik’的函數(shù)值C1’，C2’，…，Ck’，并以函數(shù)值為縱坐標(biāo)，臨時(shí)對(duì)焦距離為橫坐標(biāo)，建立第二條評(píng)價(jià)函數(shù)曲線(xiàn)。

步驟(5)：將步驟(4)得到的第一條評(píng)價(jià)曲線(xiàn)和第二條評(píng)價(jià)函數(shù)曲線(xiàn)進(jìn)行作差處理，得到差動(dòng)評(píng)價(jià)曲線(xiàn)。

步驟(6)：在差動(dòng)評(píng)價(jià)曲線(xiàn)橫坐標(biāo)為零的點(diǎn)附近選取一段近似于直線(xiàn)的曲線(xiàn)，并進(jìn)行線(xiàn)性擬合。

步驟(7)：搜索擬合后的直線(xiàn)過(guò)零點(diǎn)的位置，零點(diǎn)所在得位置準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)圖像對(duì)焦面的位置，即實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確聚焦。

本發(fā)明的有益效果在于：由于過(guò)零點(diǎn)附近曲線(xiàn)近似滿(mǎn)足線(xiàn)性，便于對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合；同時(shí)，過(guò)零點(diǎn)附近曲線(xiàn)斜率較大，便于對(duì)焦距離的確定；另外，由于過(guò)零點(diǎn)前后曲線(xiàn)符號(hào)相反，成雙極性分布，便于判斷對(duì)焦搜索方向，方便快速自動(dòng)對(duì)焦；此外，整個(gè)對(duì)焦過(guò)程通過(guò)數(shù)值計(jì)算實(shí)現(xiàn)，無(wú)需引入額外的硬件設(shè)備。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種用于數(shù)字全息重構(gòu)過(guò)程的自動(dòng)對(duì)焦方法的流程圖；

圖2為具體實(shí)施例中采用的數(shù)字全息圖；

圖3為具體實(shí)施例中采用說(shuō)明書(shū)發(fā)明內(nèi)容里步驟(4)后本發(fā)明得到的第一條評(píng)價(jià)函數(shù)曲線(xiàn)；