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CN105700321B - 基于重建像强度方差的数字全息图在焦重建距离判断方法 - Google Patents

基于重建像强度方差的数字全息图在焦重建距离判断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于重建像强度方差的数字全息图在焦重建距离判断方法，属于光学精密测量技术领域中的数字全息图重建距离的自动化数值判断方法，其目的在于提供一种基于重建像强度方差的数字全息图在焦重建距离判断方法。本发明利用重建像强度的方差与重建像强度的平均值的比值对重建像的清晰程度进行判断、分析，并找到清晰的重建强度像及其所对应的数字全息图准确重建距离，该方法可实现对于数字全息图重建距离的自动化数值判断，提高对重建距离的测量精度及测量效率。

Description

基于重建像强度方差的数字全息图在焦重建距离判断方法
技术领域
本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种数字全息图重建距离的自动化数值判断方法，尤其涉及一种基于重建像强度分析的数字全息图重建距离的自动化数值判断方法。
背景技术
全息技术的思想最早于1948年提出，全息技术的主要特点是它不仅记录了物体的振幅信息，而且记录了物体的相位信息，从而更加真实地反映了原物体。全息技术的基本原理是：物体反射的光波与参考光波相干叠加产生干涉条纹，被记录的这些干涉条纹成为全息图，全息图在一定的条件下再现，便可重现原物体逼真的三维像。根据全息技术的基本原理，我们知道全息图致使记录了物光波与参考光波相干叠加时产生的一系列干涉条纹，要得到物体的再现像，必须对全息图进行重建处理，就光学全息和计算全息而言，其重建过程属于光学再现过程，即将记录物体全部信息的全息图经过一系列处理以后，用适当的光照明全息图，光通过全息图时的衍射光和衍射光之间的干涉形成了与原物光波相似的光波，构成物体的再现像。对于利用数字全息技术，可以快速、高效的对待测样品的强度、相位信息进行定量测量。其实现流程为，先将CCD记录的全息图数字化，并记录下待测样品的数字全息图，然后在计算机中根据光学衍射积分对数字全息图进行数值重建，得到待测样品的再现像，进而得到待测样品的强度、相位信息。由此可见，重建方法的选取将直接影响待测样品的再现像的效果。无论采用何种重建方法，在数字全息图的数值重建过程中，对重建距离的选取至关重要。准确的重建距离应当等于数字全息图的记录距离(即：待测样品到用于记录数字全息图的CCD相机靶面的距离)，当两者相等时，才可以获得清晰在焦的待测样品的再现像和准确的待测样品的相位场分布；当两者不相等时，获得的待测样品的再现像将发生离焦而不清晰，同时不能得到准确的待测样品的相位场分布。
现有技术中，数字全息图的重建距离通常是难以进行高精度的直接测量的，其主要受以下两个方面的限制：这一方面，由于全息干涉光路系统的复杂性较高，难以对重建距离进行高精度的直接测量；另一方面，在直接测量过程中，外部物体极易碰触到待测样品或CCD靶面上，从而致使待测样品或CCD靶面被污染，影响最终的测量效果。所以，数字全息图的准确重建距离不易通过直接测量的方式得到。然而，现有技术中，在数字全息图的数值重建过程中，往往是以一系列不同的重建距离对其进行重建，选定一个重建距离进行重建后得到一个重建强度像，然后多次改变重建距离并进行重建后得到不同重建距离下的重建强度像，然后通过人工挑选的方式从众多的重建强度像中挑选出清晰的重建强度像，并同时确定其对应的重建距离为准确的重建距离。
发明内容
但是，采用上述重建距离的判断方法虽然可以获得数字全息图的准确重建距离，但不能实现数字全息图重建距离的自动化数值判断，重建距离的判断方法较为繁琐，确定重建距离的耗时较长，确定重建距离的效率较低，重建距离的测量精度较低，不利于数字全息技术在光学检测领域中的实际化应用。
本发明的发明目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种基于重建像强度方差的数字全息图在焦重建距离判断方法，利用重建像强度的方差与重建像强度的平均值的比值对重建像的清晰程度进行判断、分析，并找到清晰的重建强度像及其所对应的数字全息图准确重建距离，该方法可实现对于数字全息图重建距离的自动化数值判断，提高对重建距离的测量精度及测量效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于重建像强度方差的数字全息图在焦重建距离判断方法，包括以下步骤：
步骤一、对数字全息图以一系列不同的重建距离dn进行数值重建，得到对应重建距离下的一系列重建强度像数值重建所采用的重建公式为：
，其中，dn＝d0±n△d，n＝1,2，……N，N为整数，d0为重建距离变化区间的中间值，Δd为重建距离的变化间隔，F-1{}代表逆傅里叶变换运算，U(fx，fy)为数字全息图的频谱分布，exp为以自然常数e为底的指数函数，j为虚数单位，λ为数字全息图的记录波长，fx和fy分别为x和y方向的空间频率；
步骤二、计算各个重建强度像的图像强度值的方差，计算各个重建强度像的图像强度值的平均值，然后计算上述方差与平均值的比值γn作为定量判断重建强度像清晰程度的依据，比值γn的计算公式为：
，其中代表重建强度像的图像强度值的平均值，N2为重建强度像的像素数目；
步骤三、以重建距离dn为横坐标，以比值γn为纵坐标，绘制dn—γn的关系曲线，并在曲线中寻找γn的极小值γmin或极大值γmax所对应的重建距离dn′，该dn′即为数字全息图的准确重建距离。
其中，当数字全息图所记录的待测样品为振幅型物体时，应在关系曲线dn—γn中寻找γn的极大值γmax所对应的重建距离dn′作为数字全息图的准确重建距离；
当数字全息图所记录的待测样品为相位型物体时，应在关系曲线dn—γn中寻找γn的极小值γmin所对应的重建距离dn′作为数字全息图的准确重建距离。
其中，所述振幅型物体为鉴别率板或振幅型光栅；所述相位型物体为光学元件或生物细胞组织。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明中，通过对数字全息图以一系列不同的重建距离进行数值重建，得到对应重建距离下的一系列重建强度像，再计算出各个重建强度像的图像强度值的方差、各个重建强度像的图像强度值的平均值，然后计算上述方差与平均值的比值作为定量判断重建强度像清晰程度的依据，整个判断过程无需人工对重建强度像的清晰程度进行分辨，大大降低了重建距离判断过程中所耗费的人工成本；整个判断过程中均由计算机通过对应的公式计算对应的参数，数据的处理耗时较短，数据的精度较高，提高对重建距离的测量精度及测量效率；此外，该判断方法通过利用重建像强度的方差与重建像强度的平均值的比值对重建像的清晰程度进行判断、分析，并找到清晰的重建强度像及其所对应的数字全息图准确重建距离，从而实现对于数字全息图重建距离的自动化数值判断，且对重建距离的测量精度较高、对重建距离的测量效率较高。
附图说明
图1为实施例1中振幅型物体的dn—γn关系曲线；
图2为实施例1中重建距离为-10mm时得到的重建像强度分布示意图；
图3为实施例1中重建距离为0mm时得到的重建像强度分布示意图；
图4为实施例1中重建距离为10mm时得到的重建像强度分布示意图；
图5为实施例2中相位型物体的dn—γn关系曲线；
图6为实施例2中重建距离为-10mm时得到的重建像强度分布示意图；
图7为实施例2中重建距离为0mm时得到的重建像强度分布示意图；
图8为实施例2中重建距离为10mm时得到的重建像强度分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于重建像强度方差的数字全息图在焦重建距离判断方法，包括以下步骤：
步骤一、对数字全息图以一系列不同的重建距离dn进行数值重建，得到对应重建距离下的一系列重建强度像数值重建所采用的重建公式为：
，其中，dn＝d0±n△d，n＝1,2，……N，N为整数，d0为重建距离变化区间的中间值，△d为重建距离的变化间隔，F-1{}代表逆傅里叶变换运算，U(fx，fy)为数字全息图的频谱分布，exp为以自然常数e为底的指数函数，j为虚数单位，λ为数字全息图的记录波长，fx和fy分别为x和y方向的空间频率；
步骤二、计算各个重建强度像的图像强度值的方差，计算各个重建强度像的图像强度值的平均值，然后计算上述方差与平均值的比值γn作为定量判断重建强度像清晰程度的依据，比值γn的计算公式为：
，其中代表重建强度像的图像强度值的平均值，N2为重建强度像的像素数目；
步骤三、以重建距离dn为横坐标，以比值γn为纵坐标，绘制dn—γn的关系曲线，并在曲线中寻找γn的极小值γmin或极大值γmax所对应的重建距离dn′，该dn′即为数字全息图的准确重建距离。
在步骤三中，当数字全息图所记录的待测样品为振幅型物体时，该振幅型物体可选用振幅型物体为鉴别率板或振幅型光栅，且应在关系曲线dn—γn中寻找γn的极大值γmax所对应的重建距离dn′作为数字全息图的准确重建距离；
当数字全息图所记录的待测样品为相位型物体时，该相位型物体可选用相位型物体为光学元件或生物细胞组织，且应在关系曲线dn—γn中寻找γn的极小值γmin所对应的重建距离dn′作为数字全息图的准确重建距离。
实施例1
本实施例的待测样品为振幅型物体，且该待测样品选用1951USAF鉴别率板，该1951USAF鉴别率板的数字全息图在焦重建距离的自动化数值判断方法为：
步骤一、通过CCD相机采集待测样品的数字全息图，然后对采集到的数字全息图以一系列不同的重建距离dn进行数值重建，得到对应重建距离下的一系列重建强度像数值重建所采用的重建公式为：
，其中，dn＝d0±n△d，n＝1,2，……N，N为整数，dn的取值范围为-20mm至20mm，d0为重建距离变化区间的中间值，△d为重建距离的变化间隔，△d为1mm，F-1{}代表逆傅里叶变换运算，U(fx，fy)为数字全息图的频谱分布，exp为以自然常数e为底的指数函数，j为虚数单位，λ为数字全息图的记录波长，fx和fy分别为x和y方向的空间频率；
步骤二、计算各个重建强度像的图像强度值的方差，计算各个重建强度像的图像强度值的平均值，然后计算上述方差与平均值的比值γn作为定量判断重建强度像清晰程度的依据，比值γn的计算公式为：
，其中代表重建强度像的图像强度值的平均值，N2为重建强度像的像素数目；
步骤三、以重建距离dn为横坐标，以比值γn为纵坐标，绘制dn—γn的关系曲线，并在曲线中寻找γn的极大值γmax所对应的重建距离dn′，该dn′即为数字全息图的准确重建距离。
本实施例中，最终绘制的关系曲线dn—γn如图1所示，由此可见，当重建距离dn′等于0mm时，重建强度像的图像强度值的方差与图像强度值的平均值的比值取得极大值，故可以自动判断待测样品为1951USAF鉴别率板的数字全息图的准确重建距离为0mm。当重建距离等于0mm时的重建像强度清晰在焦，如图3所示，而重建距离分别等于-10mm、10mm时的重建像强度因发生离焦而不清晰，如图2、4所示，从而表明待测样品为1951USAF鉴别率板的数字全息图的准确重建距离为0mm，与上述自动化数值判断结果一致。
实施例2
本实施例的待测样品为相位型物体，且该相位型物体为采用反应离子束刻蚀工艺得到的表面缺陷标准样板，该表面缺陷标准样板的数字全息图在焦重建距离的自动化数值判断方法为：
步骤一、通过CCD相机采集待测样品的数字全息图，然后对采集到的数字全息图以一系列不同的重建距离dn进行数值重建，得到对应重建距离下的一系列重建强度像数值重建所采用的重建公式为：
，其中，dn＝d0±n△d，n＝1,2，……N，N为整数，dn的取值范围为-20mm至20mm，d0为重建距离变化区间的中间值，△d为重建距离的变化间隔，△d为1mm，F-1{}代表逆傅里叶变换运算，U(fx，fy)为数字全息图的频谱分布，exp为以自然常数e为底的指数函数，j为虚数单位，λ为数字全息图的记录波长，fx和fy分别为x和y方向的空间频率；
步骤二、计算各个重建强度像的图像强度值的方差，计算各个重建强度像的图像强度值的平均值，然后计算上述方差与平均值的比值γn作为定量判断重建强度像清晰程度的依据，比值γn的计算公式为：
，其中代表重建强度像的图像强度值的平均值，N2为重建强度像的像素数目；
步骤三、以重建距离dn为横坐标，以比值γn为纵坐标，绘制dn—γn的关系曲线，并在曲线中寻找γn的极小值γmin所对应的重建距离dn′，该dn′即为数字全息图的准确重建距离。
本实施例中，最终绘制的关系曲线dn—γn如图5所示，由此可见，当重建距离dn′等于0mm时，重建强度像的图像强度值的方差与图像强度值的平均值的比值取得极小值，故可以自动判断待测样品为该表面缺陷标准样板的数字全息图的准确重建距离为0mm。当重建距离等于0mm时的重建像强度清晰在焦，如图7所示，而重建距离分别等于-10mm、10mm时的重建像强度因发生离焦而不清晰，如图6、8所示，从而表明待测样品为该表面缺陷标准样板的数字全息图的准确重建距离为0mm，与上述自动化数值判断结果一致。

Claims (3)

1.一种基于重建像强度方差的数字全息图在焦重建距离判断方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对数字全息图以一系列不同的重建距离dn进行数值重建，得到对应重建距离下的一系列重建强度像数值重建所采用的重建公式为：
<mrow> <msub> <mi>u</mi> <msub> <mi>d</mi> <mi>n</mi> </msub> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>x</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>,</mo> <msup> <mi>y</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>|</mo> <msup> <mi>F</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mo>{</mo> <mi>U</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>exp</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>j</mi> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;d</mi> <mi>n</mi> </msub> </mrow> <mi>&amp;lambda;</mi> </mfrac> <msqrt> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;lambda;f</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;lambda;f</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>}</mo> <mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>,</mo> </mrow>
其中，dn＝d0±nΔd，n＝1,2，……N，N为整数，d0为重建距离变化区间的中间值，Δd为重建距离的变化间隔，F-1{}代表逆傅里叶变换运算，U(fx，fy)为数字全息图的频谱分布，exp为以自然常数e为底的指数函数，j为虚数单位，λ为数字全息图的记录波长，fx和fy分别为x和y方向的空间频率；
步骤二、计算各个重建强度像的图像强度值的方差，计算各个重建强度像的图像强度值的平均值，然后计算上述方差与平均值的比值γn作为定量判断重建强度像清晰程度的依据，比值γn的计算公式为：
<mrow> <msub> <mi>&amp;gamma;</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msqrt> <mrow> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> </mrow> </munder> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>u</mi> <msub> <mi>d</mi> <mi>n</mi> </msub> </msub> <mo>(</mo> <mrow> <msup> <mi>x</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>,</mo> <msup> <mi>y</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mrow> <mo>)</mo> <mo>-</mo> <mi>m</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>u</mi> <msub> <mi>d</mi> <mi>n</mi> </msub> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <msup> <mi>x</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>,</mo> <msup> <mi>y</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>/</mo> <msup> <mi>N</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mrow> <mi>m</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>u</mi> <msub> <mi>d</mi> <mi>n</mi> </msub> </msub> <mo>(</mo> <mrow> <msup> <mi>x</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>,</mo> <msup> <mi>y</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>
其中代表重建强度像的图像强度值的平均值，N2为重建强度像的像素数目；
步骤三、以重建距离dn为横坐标，以比值γn为纵坐标，绘制dn—γn的关系曲线，并在曲线中寻找γn的极小值γmin或极大值γmax所对应的重建距离d′n，该d′n即为数字全息图的准确重建距离。
2.如权利要求1所述的基于重建像强度方差的数字全息图在焦重建距离判断方法，其特征在于，
当数字全息图所记录的待测样品为振幅型物体时，应在关系曲线dn—γn中寻找γn的极大值γmax所对应的重建距离d′n作为数字全息图的准确重建距离；
当数字全息图所记录的待测样品为相位型物体时，应在关系曲线dn—γn中寻找γn的极小值γmin所对应的重建距离d′n作为数字全息图的准确重建距离。
3.如权利要求2所述的基于重建像强度方差的数字全息图在焦重建距离判断方法，其特征在于，所述振幅型物体为鉴别率板或振幅型光栅；所述相位型物体为光学元件或生物细胞组织。
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