CN107885070B - 一种基于slm的非相干数字全息单次曝光成像方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于合成孔径技术的非相干数字全息单次曝光成像方法和系统，将空间光调制器的幅面分为相邻的三个区域，为每个区域均加载双透镜模式，在空间光调制器的三个区域上分别加载0、2π/3、4π/3的相移角度；在图像采集装置上记录多幅相移全息图；根据空间光调制器上加载相移角度的位置分布，将图像采集装置上采集的具有不同相移角度的全息图分别提取出来，得到三幅相移子全息图；根据全息图在计算机中应用角谱衍射法进行全息图的再现。本发明采用空间光调制器作为一个周期性位相调制器件，这样可以免于在光路中添加额外的阵列器件以引起畸变和噪声，从而也不必考虑制作这种器件的难度问题。

Description

一种基于SLM的非相干数字全息单次曝光成像方法与系统

技术领域

本发明属于光学衍射成像和非相干数字全息技术领域，具体公开了一种基于非相干数字全息技术的三维动态成像装置及方法。

背景技术

数字全息是基于光学全息成像原理记录物体的光场信息，并在计算机上通过数值再现方法重构原物光场的技术。采用高相干性激光进行记录，会产生一系列如散斑噪声以及由光路中光学元件的反射所产生的寄生干涉，非相干数字全息术（Incoherent DigitalHolography，IDH）采用空间非相干光照明物体实现全息图的记录，克服了这一缺点，且再现像质量高。非相干数字全息术中最为突出的研究工作是由Rosen与Brooker提出的菲涅尔非相干相关全息术（Fresnel Incoherent Correlation Holography，FINCH)。该技术利用空间光调制器（SLM）或者GRIN透镜产生自干涉菲涅尔全息图。物体表面产生或反射的所有点源全息图非相干叠加由CCD/CMOS记录，然后在计算机中进行数值处理并模拟菲涅尔衍射实现物光场的三维再现。FINCH物参共路的结构使得外界环境的干扰在记录时被有效消除，提高了该装置的稳定性和实用性，SLM前置不同光路，可以实现荧光显微成像，望远成像，共聚焦显微成像等。基于非相干全息记录光路结构改变实现同轴全息单次曝光，这一类技术虽然可以实现实时记录，但构建以及调整系统稍显复杂，且成本增加，记录元件增多，实际应用难。利用CS算法实现单次曝光，虽然优点多，但压缩传感数值计算复杂，整个程序运行耗时，高分辨率成像时若采用分块处理，还会出现块效应。近年来，SLM在数字全息中的应用越来越广泛，如果在成像过程中能充分利用SLM的特性，在SLM上将多步相移同时加载，实现单次曝光，将大大拓宽非相干数字全息应用范围。北京工业大学万玉红将SLM幅面分成多个2×2像素的方形区域，方形区域左上，右上，左下，右下位置的像素分别对应0、π/2、π、3π/2，我们做实验时发现CCD同一位置会同时记录这几个相位的全息图，很难分别提取出0、π/2、π、3π/2对应的子相移全息图，因此，本发明将SLM整个幅面分成三部分，分别对应0、2π/3、4π/3相移角度，同时通过在SLM上加载双透镜阵列模式，使得SLM上不同幅面出射的光能够在CCD分开来，且同时加载三个相位，实现非相干数字全息的单次曝光。

发明内容

为了使非相干全息术可以用于记录动态样品或动态过程，并且保证不增加系统的复杂性、不需要额外添加和制作辅助器件获取单次曝光多相移全息图，本发明提供了一种基于合成孔径技术，在SLM形成双透镜阵列，实现单曝光非相干数字全息三维动态显微成像的系统与方法。

本发明采用以下技术方案：

一种基于合成孔径技术的非相干数字全息单次曝光成像方法，

将空间光调制器的幅面分为相邻的三个区域，为每个区域均加载双透镜模式；

在空间光调制器的三个区域上分别加载0、2π/3、4π/3的相移角度；

在图像采集装置上记录多幅相移全息图；

根据空间光调制器上加载相移角度的位置分布，将图像采集装置上采集的具有不同相移角度的全息图分别提取出来，得到三幅相移子全息图；将拆分的子全息图进行三步相移计算，合成一幅包含有物光波的复值全息图。

根据复值全息图在计算机中应用角谱衍射法进行全息图的再现。

所述为每个区域均加载双透镜模式后，通过控制每个区域的双透镜在空间光调制器上占据的像素数，选择图像采集装置上全息图的记录位置，使得能够在图像采集装置上得到三个分立的相移全息图。

所述每一个区域的双透镜模式，随机选取一半像素加载焦距为f _d1的透镜，另一半像素加载焦距为f _d2的透镜，形成对入射光波分光的衍射分光图样。

所述空间光调制器为相位型反射式空间光调制器。

所述图像采集装置为高分辨率CCD或者CMOS。

所述空间光调制器的三个区域为对空间光调制器的幅面沿水平方向均分或者沿竖直方向均分。

一种基于SLM的非相干数字全息单次曝光成像的系统，包括：

用于在空间光调制器幅面的三个相邻区域中的每个区域均加载双透镜模式的装置；

用于在空间光调制器的三个区域上分别加载0、2π/3、4π/3的相移角度的装置；

用于记录多幅相移全息图的图像采集装置；

用于根据空间光调制器上加载相移角度的位置分布，将图像采集装置上采集的具有不同相移角度的全息图分别提取出来，得到三幅相移子全息图；并将拆分的子全息图进步三步相移计算，合成一幅包含有物光波的复值全息图的装置；

根据复值全息图在计算机中应用角谱衍射法进行全息图的再现。

还包括用于在每个区域均加载双透镜模式后，通过控制每个区域的双透镜在空间光调制器上占据的像素数，选择图像采集装置上全息图的记录位置，使得能够在图像采集装置上得到三个分立的相移全息图的装置。

还包括用于对每一个区域的双透镜模式，随机选取一半像素加载焦距为f _d1的透镜，另一半像素加载焦距为f _d2的透镜，形成对入射光波分光的衍射分光图样的装置。

本发明的有益效果：采用空间光调制器作为一个周期性位相调制器件，这样可以免于在光路中添加额外的阵列器件以引起畸变和噪声，从而也不必考虑制作这种器件的难度问题。通过在空间光调制器上特定位置的像素添加相应的位相因子，对参考光波进行位相调制，从而实现单次曝光同时记录分区相称全息图。本发明能够在非相干光源照明的同轴共路的数字全息显微成像系统中，实现单次曝光同时记录一幅分区相移的非相干数字全息图，通过数值再现算法重建待测样品的三维形貌和内部结构信息，可用于对光源相干性较低的实时性三维成像系统中。

附图说明

图1为SLM分区域加载模式示意图。

图2为空间光调制器的相移角度加载示意图。

图3为全息图示意图。

图4为全息图重现示意图。

图5为本发明装置结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明首先提供一种基于合成孔径技术的非相干数字全息单次曝光成像方法，该方法利用空间光调制器纯相位的模式，通过计算机制备双透镜阵列掩模，一个双透镜掩模对应一个位相模式，实现单次曝光同时记录多幅相移全息图。

本发明具体可采用以下步骤：

首先将空间光调制器的幅面分为相邻的三个区域，并为每个区域均加载双透镜模式；

然后在空间光调制器的相邻的三个区域上分别加载0、2π/3、4π/3的相移角度；

加载角度相移后，通过一次曝光获得一张全息图，但此全息图中同时加载了三个相移角度，因此在CCD上采集的是一张同时含有三幅相移的全息图。

根据空间光调制器上加载相移角度的位置分布，将图像采集装置上采集的具有不同相移角度的全息图分别提取出来，得到三幅相移子全息图；将拆分的子全息图进行三步相移计算，合成一幅包含有物光波的复值全息图；

使用角谱衍射法复值全息图对全息图进行再现。

因为CCD上只能记录光强信息，CCD记录的全息图，经过处理，可以提取出一个包含物光场振幅与相位信息的复值全息图，其中振幅(复数前的系数)代表了物光场的强度，复数值代表了物光场的相位；因为复值全息图中包含物体的全部信息，可以用参考光来进行对全息图进行的再现。

本发明的空间光调制器选择为相位型反射式空间光调制器；而图像采集装置选择为高分辨率CCD或者CMOS。

上述对空间光调制器的幅面分为的相邻的三个区域，可选择对空间光调制器的幅面沿水平方向均分或者沿竖直方向均分，该均分为如图2中所示的三个170×170像素矩形孔径。

本发明的方法中，在为每个区域均加载双透镜掩膜后，通过控制每个区域的双透镜在空间光调制器上占据的像素数，选择图像采集装置上全息图的记录位置，使得能够在图像采集装置上得到三个分立的相移全息图。

而针对每一个区域的双透镜模式在空间光调制器上占据的像素数，随机选取一半像素加载焦距为f _d1的透镜，另一半像素加载焦距为f _d2的透镜，形成对入射光波分光的衍射分光图样。如图1所示，空间光调制器SLM和CCD之间的距离为Z _h，而双透镜中，焦距为f _d1的焦点在CCD的一侧，焦距为f _d2的焦点在CCD的另一侧，形成对入射光波分光的衍射分光图样，当在空间光调制器上加载三步相移后，通过单次曝光获取相移全息图，通过相移全息图进行全息图的再现。

本发明还提供一种基于合成孔径技术的非相干数字全息单次曝光成像的系统，包括：

用于在空间光调制器幅面的三个相邻区域中的每个区域均加载双透镜模式的装置；

用于在空间光调制器的三个区域上分别加载0、2π/3、4π/3的相移角度的装置；

用于记录多幅相移全息图的图像采集装置；

用于根据空间光调制器上加载相移角度的位置分布，将图像采集装置上采集的具有不同相移角度的全息图分别提取出来，得到三幅相移子全息图；并将拆分的子全息图进步三步相移计算，合成一幅包含有物光波的复值全息图的装置；

还包括用于在每个区域均加载双透镜模式后，控制每个区域的双透镜在空间光调制器上占据的像素数，调整空间光调制器和图像采集装置之间的距离，使得能够在图像采集装置上得到三个分立的相移全息图的装置。

和用于对每一个区域的双透镜模式，随机选取一半像素加载焦距为f _d1的透镜，另一半像素加载焦距为f _d2的透镜，形成对入射光波分光的衍射分光图样的装置。

如图5所示，为本发明基于合成孔径技术的非相干数字全息单次曝光成像的系统的一种结构示意图。

该实施例中，所述系统包括：

光路系统：通过该光路系统，在空间光调制器上形成光束，进而在图像采集装置上形成全息图，最终获取全息图。该光路系统包括白光光源1、第一立方分束器2、待测物体3、滤波片4、偏振片5、准直透镜6、第二立方分束器7、反射式空间光调制器8、高分辨率单色CCD9、计算机10 。

空间光调制器：采用反射式空间光调制器。

计算机：用于制作双透镜阵列掩膜加载在空间光调制器的三个均分区域上，同时制作三步相移，用于在空间光调制器的相邻区域上分别加载0、2π/3、4π/3的相移角度；并且还可用于获取图像采集装置记录的多幅相移全息图，并将图像采集装置上采集的具有不同相移角度的全息图分别提取出来，得到三幅相移子全息图，将拆分的子全息图进步三步相移计算，合成一幅包含有物光波的复值全息图；再使用角谱衍射法对全息图在计算机中再现。

高分辨率单色CCD：用作图像采集装置。

上述系统在使用时，白光光源1是连续谱白光光源，是一种非相干光源，为方便设备运行将白光光源1固定在平台上避免发生震动造成影响。白光光源1发出的非相干光在本发明中具体的传播过程为：白光光源1发出的光经过滤波片4后成为单色光，经滤波片4后的光传播到第一立方分束器2上，又经第一立方分束器2反射后照射到物体3上，经物体3反射的光再经第一立方分束器2进入偏振片5后变为单色线偏振光，该单色线偏振光经准直透镜6准直作用以后变成准直的单色线偏振光，再经过第二立方分束器7后进入反射式空间光调制器8，反射式空间光调制器8上加载由计算机制作的双透镜阵列掩膜，此双透镜阵列掩膜可以将入射到反射式空间光调制器8上的光束进行波面变换并分为两束自相干光，此时计算机10控制高分辨率单色CCD9记录干涉条纹。

其中，计算机通过数据线与反射空间光调制器、高分辨率单色CCD连接。白光光源为连续谱白光光源。偏振片的偏振方向与所述反射式空间光调制器的偏振方向一致。滤光片中心波长为633nm，带宽为10nm，滤波后的光源相干长度为39.4μm；所述反射式空间光调制器分辨率为512×512，光谱范围为：420nm－700nm；高分辨率单色CCD有效像素为1344×1024，像素尺寸6.45μm×6.45μm，波长响应范围为：300nm－1000nm，相位线性调制范围为0-2π。

如图2、图3、图4所示，首先将空间光调制器的幅面分为相邻的三个区域，并为每个区域均加载双透镜模式；然后在空间光调制器的相邻的三个区域上分别加载0、2π/3、4π/3的相移角度；本发明通过在上述实施例中的系统进行实验对本发明的过程进行说明：

全息图的拍摄光路由白光光源，汇聚透镜，孔径光阑，滤光片，待测样品，准直透镜，分束棱镜，空间光调制器，图像传感器，计算机组成。入射光照射待测样品，由待测样品透镜的光波经过准直透镜汇聚以及空间光调制器的调制后，被所述的图像采集装置接收。

在计算机中生成空间光调制器加载的图样时，分别生成两个焦距不同的球面波的相位，并且在一个球面中加载额外的相移角度，具体的加载方法是：将空间光调制器的幅面分成三个区域，每一个区域分别对应加载0，2π/3及4π/3相移角度；相移角度的加载方式如图2所示。记录全息图后，根据每一个相移角度对应在CCD上的位置分布，在CCD上分别提取三个0，2π/3及4π/3对应的相移全息图，对这些全息图应用相移算法即可得到恢复物光的复值全息图并且在计算机中通过数值计算得到重建像。

重建像如图4所示，可以看出本发明的方法可以通过单次曝光记录分区相移全息图，并且系统简单紧凑，从而适用于动态样品和动态过程的全息三维成像。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于合成孔径技术的非相干数字全息单次曝光成像方法，其特征在于：

将空间光调制器的幅面分为相邻的三个区域，为每个区域均加载双透镜模式；

在空间光调制器的三个区域上分别加载0、2π/3、4π/3的相移角度；

在图像采集装置上记录多幅相移全息图；

根据空间光调制器上加载相移角度的位置分布，将图像采集装置上采集的具有不同相移角度的全息图分别提取出来，得到三幅相移子全息图；将拆分的子全息图进行三步相移计算，合成一幅包含有物光波的复值全息图；

根据复值全息图在计算机中应用角谱衍射法进行全息图的再现；

所述为每个区域均加载双透镜模式后，通过控制每个区域的双透镜在空间光调制器上占据的像素数，选择图像采集装置上全息图的记录位置，使得能够在图像采集装置上得到三个分立的相移全息图；

所述每一个区域的双透镜模式，随机选取一半像素加载焦距为f _d1的透镜，另一半像素加载焦距为f _d2的透镜，形成对入射光波分光的衍射分光图样；

所述空间光调制器的三个区域为对空间光调制器的幅面沿水平方向均分或者沿竖直方向均分。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述空间光调制器为相位型反射式空间光调制器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述图像采集装置为高分辨率CCD或者CMOS。

4.一种应用权利要求1~3任一项所述的方法的基于SLM的非相干数字全息单次曝光成像的系统，其特征在于，包括：

用于在空间光调制器幅面的三个相邻区域中的每个区域均加载双透镜模式的装置；

用于在空间光调制器的三个区域上分别加载0、2π/3、4π/3的相移角度的装置；

用于记录多幅相移全息图的图像采集装置；

用于根据空间光调制器上加载相移角度的位置分布，将图像采集装置上采集的具有不同相移角度的全息图分别提取出来，得到三幅相移子全息图；并将拆分的子全息图进步三步相移计算，合成一幅包含有物光波的复值全息图的装置；

根据复值全息图在计算机中应用角谱衍射法进行全息图的再现。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：还包括用于在每个区域均加载双透镜模式后，通过控制每个区域的双透镜在空间光调制器上占据的像素数，选择图像采集装置上全息图的记录位置，使得能够在图像采集装置上得到三个分立的相移全息图的装置。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：还包括用于对每一个区域的双透镜模式，随机选取一半像素加载焦距为f _d1的透镜，另一半像素加载焦距为f _d2的透镜，形成对入射光波分光的衍射分光图样的装置。

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