[發明專利]數字全息三維重建方法

有效

• 申請號: 201711240115.8
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN109855558B
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發明（設計）人: 于綦悅;王國棟;張祥光;李洋
• 申請（專利權）人: 青島全維醫療科技有限公司
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01B9/023;G03H1/22
• 代理公司: 青島清泰聯信知識產權代理有限公司 37256
• 代理人: 張潔

本發明提出一種數字全息三維重建方法，該方法包括以下步驟：S0：對一幅干涉條紋圖像進行二維傅立葉變換；對傅立葉頻域分析處理后進行二維傅立葉逆變換；S1：判斷相位衍射平面到干涉條紋圖像平面的距離是否為0，如是，則將執行S3；如否，則執行S2；S2：對提取的正的干涉相位信息進行菲涅爾數字衍射計算，提取正的物體光相位信息，并調整菲涅爾數字衍射距離為聚焦位置，以獲取聚焦位置的相位；S3：將提取的正的信息代入干涉測量法公式計算，獲取物體的立體高度信息，以進行數字全息三維的重建。該方法通過對一幅干涉條紋圖像進行頻域分析，實現了高速實時且精密穩定的單次曝光數字全息測量。

技術領域

本發明屬于數字全息領域，尤其涉及一種利用二維傅立葉干涉條紋分析的數字全息三維重建方法。

背景技術

數字全息是指利用光學干涉及衍射原理的數字化光場重建的方法，數字全息將反射光的不透明物體表面或者透過光的透明、半透明物體內部結構中每一個三維空間中的點看作為一個點光源，通過數字化光學干涉和衍射的數學公式，利用計算機計算出這些點光源發光時光波相位，根據干涉測量法實現對不透明物體表面或者透明、半透明物體形狀進行納米級超精密的三維測量。

進行數字全息超精密三維測量時，需要干涉條紋的記錄和物體光重建兩個步驟。而干涉條紋的記錄需要通過搭建干涉光學系統并使用數字相機拍攝干涉條紋完成；物體光重建則需要使用數字菲涅耳變換對干涉條紋圖像進行數字化衍射計算從而得到物體光場中光的相位分布，最終使用干涉測量法實現三維重建。

現有技術中，其使用的菲涅耳變換的數學公式如下：

上述式(1)中，Γ(ξ′，η′)為菲涅耳衍射平面上的光復數信息，包括光強和相位，(ξ′，η′)表示菲涅耳衍射平面上的平面坐標，A(x，y)為光源透過光圈平面中光圈時的光復數信息，僅含有光強值，也就是干涉條紋圖像的灰度值，(x，y)表示光圈平面上的平面坐標，d表示菲涅耳衍射平面和光圈平面之間的垂直距離，ρ‘表示光圈上的一點顏射到菲涅耳衍射平面上一點時的衍射距離，λ表示光源的光波長值，i表示復數。

上述中可知，雙重積分在計算機計算上不具備速度優勢，存在計算機編程煩瑣的缺點。另外，使用式(1)進行數字全息三維重建時，通常將數字相機拍攝到的干涉條紋直接代入公式，由于數字相機拍攝到的僅僅是干涉條紋的光強，而干涉條紋呈正弦波的形式，因此通常的三維重建中，如下述式(2)所示，正弦波的正的相位、負的相位以及直流成分將同時被重建出來，其中僅有正的相位精確反映了實際物體的形狀信息，負的相位和直流成分作為噪聲影響著精確的測量。

其中，A(x，y)表示干涉條紋圖像的灰度值，(x，y)表示圖像坐標。A_R(x，y)表示參照光的復變函數，A_o(x，y)表示物體光的復變函數，表示參照光復變函數的共軛，即相位相反，表示物體光復變函數的共軛。B(x，y)表示干涉條紋中的直流信息，表示干涉條紋中負的物體光相位信息，A_o(x，y)表示三維重建真正需要的物體光正的相位信息。

上述現有技術中，雖然利用相移數字全息能夠實現從一幅圖像中提取正的物體光相位信息，但是卻需要2-4幅相移干涉條紋圖像，拍攝多幅相移干涉條紋圖像耗費時間且拍攝過程中干涉條紋的相移精度極易受到震動、空氣對流等環境因素影響，不僅無法實現快速實時的數字全息三維測量而且測量環境要求苛刻，這些因素都導致數字全息測量設備價格昂貴，應用場合受限。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供了一種數字全息三維重建方法，該數字全息三維重建方法，通過對一幅干涉條紋圖像進行頻域分析，快速實時地從一幅干涉條紋圖像中提取三維測量所需的正的物體光相位信息，從而實現高速實時且精密穩定的單次曝光數字全息測量。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案為：