专利名称：一种彩色数字全息像的记录系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种彩色数字全息像的记录系统，涉及数字全息技术领域。
背景技术：
对彩色物体的全息记录和显示是全息技术应用的一个重要方面，目前普遍采用的 方法为传统的光学全息术，如彩虹全息术，透射式真彩色全息术，反射式真彩色全息 术，真彩色合成全息术等(《光学全息及其应用》，于美文著)。其实现方法较为复杂， 主要原因在于首先，全息图的记录光路复杂，不易搭建和调整；其次，干板等化学 记录介质无法重复使用，用其记录全息图成本太高，且不利于全息图的复制及传输； 再次，须将全息图复位到原光路中才能进行彩色全息再现像的观察，且其质量易受到 色串扰、全息图复位精度及观察视角等的影响。利用数字全息术获得所记录物体的彩 色全息像是目前全息技术发展的一个重要方向。B. Javidi和D. Alfieri等人在其论文 《Method for superposing reconstructed images from digital holograms of the same object recorded at different distance and wavelength》(Optics Communications 260(2006), 113-116) 禾口《Three-dimensional image fusion by use of multiwavelength digital holography》(Optics Letters 30(2005)， 144-146)中通过对使用离轴菲涅耳全息光路记录的数字全息图进行 补零处理来调整不同全息图记录条件(记录波长和记录距离)下数字全息像的显示大 小，在此基础上对获得的显示尺寸相同的红，绿单色全息像进行合成得到彩色数字全 息像，但是由离轴菲涅耳全息记录光路记录的数字全息图，其数值再现像在重建像平 面的位置随全息图记录时的物参夹角及记录距离的改变而变化，因此不能保证不同记 录距离处数值再现像的准确重合，这将导致合成的彩色数字全息像的边界和细节变得 不清晰，影响了彩色全息再现像的质量。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种彩色数字全息像的记录系统，该 系统采用无透镜傅里叶变换全息术进行数字全息图的记录，其所记录的数字全息图的 数值再现像在数值重建像平面上的位置由记录时物平面上被记录物体与参考点光源之 间的距离所固定，不随记录距离的改变而变化，且对被测物体的横向尺寸约束较小，
具有较大的空间带宽积，能充分利用CCD的空间带宽，降低对CCD分辨率的要求。 技术方案
本发明的技术特征在于包括三电子快门、红光激光器、绿光激光器、蓝光激光 器、黑白型面阵CCD，三个分束系统、扩束系统；红光激光器l、绿光激光器2和蓝
光激光器3通过各自的电子快门4、5和6分别被三个分束系统分别分为第一、二光束；
第一光束到达被记录物体，第二光束经过扩束系统转化为球面光波后与被照射物体反
射的第一光束相互干涉并形成一个干涉区域，黑白型面阵CCD设置在该干涉区域内； 所述的三个分束系统分出的第一光束彼此间严格重合，第二光束彼此间严格重合；球
面光波的源点到黑白型面阵CCD光敏面的光程与被记录物体到黑白型面阵CCD光敏 面的光程相等。
黑白型面阵CCD安装在可以沿一维方向移动的平移台21上。
所述红光激光器为波长为635nm或650nm的半导体激光器，或者是波长为 632.8nm的氦氖He-Ne激光器。
所述绿光激光器为波长为532nm的半导体激光泵浦的固体激光器，或者是波长为 514nm的氩离子激光器，或者是波长为541nm的氦氖(He-Ne)激光器。
所述蓝光激光器为波长为473nm的半导体激光器，或者是波长为488nm的氩离子(Ar+)激光器，或者是波长为442nm的氦镉(He-Cd)激光器。
所述黑白型面阵CCD为像素呈二维阵列分布的电荷耦合器件，或一面阵CMOS。 所述分束系统为光纤分束器或固定分光比的分束镜，或者是分光比可调的分束镜。 所述扩束系统为一扩束镜或一光纤。
彩色数字全息像记录系统的基本操作步骤为红光、绿光、或蓝光激光器发出的 光束由电子快门分别控制通过与否，然后经其各自分束系统分为第一、二光束，第一 光束彼此间严格重合，第二光束彼此间严格重合；第一光束照射被记录物体，经物体 表面反射后形成物光，第二光束经过扩束系统转化为球面光波后作为参考光；物光与 参考光相互干涉并形成一干涉区域，面阵CCD设置在干涉区域内，球面光波的源点到 面阵CCD光敏面的光程与物光波自被记录物体到面阵CCD光敏面的光程相等；平移 台用于固定面阵CCD，其移动方向垂直于全息图记录平面，由计算机控制其位移以改 变全息图的记录距离(被记录物体到黑白型面阵CCD光敏面的光程)；计算机与面阵 CCD连接，用于实时记录并存储由面阵CCD对第一和第二光束形成的干涉图样采集 得到的各单色数字全息图；单色数字全息图由计算机根据全息图的记录距离和记录波 长首先进行补零处理，然后通过快速傅里叶变换算法对补零后的数字全息图进行数值 重构，得到红、绿、蓝各单色数字全息再现像，最终的彩色数字全息像由各单色数字 全息像合成得到。
有益效果
首先，由该记录系统获得的彩色物体的数字全息图可通过数字方式实现彩色全息 像的再现，避免和解决了传统光学彩色全息术中所存在的问题与困难，使得记录和再 现过程都大为简化；其次，在彩色数字全息像的获取过程中，采用基于无透镜傅里叶 变换全息术的光路结构进行各单色数字全息图的记录，由于其重建像平面上数值再现像到该平面中心的距离准确等于记录物平面上物体中心到参考点光源之间的距离，而 与全息图的记录距离无关，因此可以很好地保证不同记录距离处各单色再现像位置的 准确重合，使得合成得到的彩色数字全息像具有清晰的边界及细节结构；再次，基于 无透镜傅里叶变换全息术的光路结构在全息图记录时能够充分利用CCD的有限带宽， 降低对CCD分辨率的要求，因此有利于所获得的彩色数字全息像的分辨率的提高；最 后，数字无透镜傅里叶变换全息图的数值重建过程简单，仅通过一次二维傅里叶变换 就可以获得数字全息像，能够节省大量运算时间，满足实时化处理的要求。
图1:是本发明彩色数字全息像的记录系统第一实施方式的结构示意图； 图2是本发明彩色数字全息像的记录系统实施效果的说明图； 图3是本发明彩色数字全息像的记录系统第二实施方式的结构示意图； 图4是本发明彩色数字全息像的记录系统第三实施方式的结构示意图； 图5是本发明彩色数字全息像的记录系统第四实施方式的结构示意图。 红光激光器l;绿光激光器2;蓝光激光器3;第一电子快门4;第二电子快门5; 第三电子快门6;第一分束镜7;第二分束镜8;第三分束镜9;第一全反射镜10;第 四分束镜ll;第五分束镜12;扩束准直器13;被记录物体14;面阵CCD 15;第二全 反射镜16;扩束镜17;针孔18;第一分光棱镜19;计算机20;平移台21;第六分束 镜22;第三全反射镜23;第一光纤24;光纤分束器25;第二光纤26;第三光纤27;
光纤耦合器28。
具体实施例方式
现结合附图对本发明作进一步描述
实施例1:如图1所示的彩色数字全息像的记录系统包括波长为632.8nm的氦氖 He-Ne红光激光器1、波长为532nm的半导体激光泵浦的绿光固体激光器2和波长为 473nm的半导体蓝光激光器3。分别设置在红光激光器1、绿光激光器2及蓝光激光器3所发出光束的光路上的第一电子快门4、第二电子快门5和第三电子快门6，用于分 别独立控制红、绿、蓝各色激光束的通过与否。第一分束镜7、第二分束镜8和第三 分束镜9采用分束比可调的分束镜。分束镜7对红光分束，分束镜8对绿光分束，分 束镜9对蓝光分束。分束镜8和11为对红光全透射，分束镜9和12为对红、绿光全 透射。分束镜7、 8、 9分别将通过其的红、绿、蓝激光束分成第一光束和第二光束， 第一光束彼此间严格重合，第二光束彼此间严格重合。第一全反射镜10、第四分束镜 11、第五分束镜12设置在第一光束光路上，并将该第一光束反射至扩束准直器13。 第一光束经由扩束准直器13扩束并准直成平行光后，再照射被记录物体14。被记录 物体14为一不透明的反射型物体，其反射光作为物光传播至第一分光棱镜19。
扩束镜17为一消色差显微物镜，第二光束由第二全反射镜16反射后传播至扩束 镜17，并由扩束镜17会聚为一球面波，然后作为第二光束的球面波由设置在其会聚 点处的针孔18滤波，再作为参考光传播至第一分光棱镜19。
作为物光的第一光束由被记录物体14到面阵CCD 15光敏面的光程与作为参考光 的第二光束由针孔18到面阵CCD 15光敏面的光程相等。作为物光的第一光束与作为 参考光的第二光束通过第一分光棱镜19后相互干涉，所形成的干涉条纹由设置在处于 干涉区域的面阵CCD 15采集。
面阵CCD15为一像素呈二维阵列分布的黑白型电荷耦合器件，与平移台21刚性 连接，其移动方向垂直于全息图记录平面，由计算机20控制其位移以改变全息图的记 录距离。计算机20与面阵CCD15连接，用于实时记录并存储由面阵CCD15采集的 二维数字全息图。
工作过程为电子快门4、 5、 6分别用来控制红光激光器1、绿光激光器2及蓝 光激光器3所发出的光束通过与否。采集红光数字全息图时，电子快门4打开，电子快门5、 6关闭；采集绿光数字全息图时，电子快门5打开，电子快门4、 6关闭；采
集蓝光数字全息图时，电子快门6打开，电子快门4、 5关闭。红光激光器l发出的光 束经分束镜7分为第一、二光束。绿光激光器2发出的光束经分束镜8分为第一、二 光束。蓝光激光器3发出的光束经分束镜9分为第一、二光束，第一光束彼此间严格 重合，第二光束彼此间严格重合。第一光束被第一全反射镜IO (或第四分束镜ll，或 第五分束镜12)反射至扩束准直器13，经扩束并准直成平行光后照射被记录物体14， 其反射光作为物光。第二光束被第二全反射镜16反射后出射至扩束镜17，并由扩束 镜17会聚为一球面波，然后第二光束由设置在其焦点处的针孔18滤波后作为参考光。 物光和参考光经过第一分光棱镜19后发生干涉，所形成的干涉条纹由处于干涉区域的 面阵CCD 15采集。作为物光的第一光束由被记录物体14到面阵CCD 15光敏面的光 程与作为参考光的第二光束由针孔18到面阵CCD 15光敏面的光程相等。平移台21 与面阵CCD15刚性连接，其移动方向垂直于全息图记录平面，由计算机20控制其位 移以改变全息图的记录距离。由面阵CCD 15采集的红、绿、蓝各色数字全息图经计 算机20通过数字全息图补零处理和快速傅里叶变换算法进行数值重建，得到显示尺寸 一致，位置准确重合的各色全息再现像，对其进行数字合成就可以得到具有清晰边界 和细节结构的高质量彩色数字全息像。
实施例2:如图3所示的彩色数字全息像的记录系统包括波长为650nm的半导体 红光激光器l、波长为532nm的半导体激光泵浦的固体绿光激光器2、波长为488nm 的氩离子(Ar+)蓝光激光器3;用于分别独立控制红、绿、蓝各色激光束的通过与否 的第一电子快门4、第二电子快门5和第三电子快门6。第六分束镜22、第一全反射 镜10、第二全反射镜16、第三全反射镜23、第四分束镜ll、第五分束镜12、第一分 光棱镜19、扩束准直器13、扩束镜17、针孔18、面阵CCD15、平移台21和计算机20。
将图3所示第二实施方式与图1所示第一实施方式比较可以发现，红光激光器1， 绿光激光器2、蓝光激光器3所发出的光束未经各自的分束系统分别分束为第一光束 和第二光束，而是经第三全反射镜23、第四分束镜ll、第五分束镜12分别反射后重 合为一束，然后经第一全反射镜10反射至第六分束镜22处统一分束为第一光束和第 二光束。其中分束镜22为一对红、绿、蓝光分束比均可调的宽带分束镜。平移台21 与面阵CCD15刚性连接，其移动方向垂直于全息图记录平面，并由计算机20控制其 位移以改变全息图的记录距离。通过电子快门控制各单色数字全息图的记录，由处于 干涉区域的面阵CCD 15采集到的各单色数字全息图分别采用计算机20进行补零处理 和数值重建，通过数字合成各单色数字全息再现像得到彩色数字全息像。
实施例3:如图4所示彩色数字全息像的记录系统包括波长为632.8nm的氦氖 He-Ne红光激光器1、波长为541nm的氦氖(He-Ne)绿光激光器2、波长为442nm 的氦镉(He-Cd)蓝光激光器3。用于分别独立控制红、绿、蓝各色激光束的通过与否 的第一电子快门4、第二电子快门5和第三电子快门6。第六分束镜22、第一全反射 镜10、第二全反射镜16、第三全反射镜23、第四分束镜ll、第五分束镜12、扩束准 直器13、扩束镜17、针孔18、面阵CCD 15、平移台21和计算机20。
将图4所示实施方式与图l所示实施方式进行比较可以发现，红光激光器l，绿 光激光器2、蓝光激光器3所发出的光束未经各自的分束系统分别分束为第一光束和 第二光束，而是经第三全反射镜23、第四分束镜ll、第五分束镜12分别反射或透射 后重合为一束，然后于第六分束镜22处统一分束为第一光束和第二光束。第一光束经 由第一全反射镜10反射至扩束准直器13扩束并准直成平行光后，照射在被记录物体 14上，其反射光作为物光。同时第二光束由第二全反射镜16反射后出射至扩束镜17，并由扩束镜17会聚后形成一球面波，然后第二光束由设置在其会聚点处的针孔18滤 波，其出射光波作为参考光。与本发明彩色数字全息像的记录系统第一实施方式类似， 作为物光的第一光束由被记录物体14到面阵CCD15光敏面的光程与作为参考光的第 二光束由针孔18到面阵CCD 15光敏面的光程相等，被记录物体14与针孔18位于同 一平面上，物光与参考光无需经过第一分光棱镜作用而直接干涉。平移台21与面阵 CCD15刚性连接，其移动方向垂直于全息图记录平面，并由计算机20控制其位移以 改变全息图的记录距离。通过电子快门控制各单色数字全息图的记录，由处于干涉区 域的面阵CCD 15采集到的各单色数字全息图分别采用计算机20进行补零处理和数值 重建，通过数字合成各单色数字全息再现像得到彩色数字全息像。
实施例4:如图5所示彩色数字全息像的记录系统包括波长为650nm的半导体红 光激光器l、波长为514nm的氩离子绿光激光器2、波长为473nm的半导体蓝光激光 器3。用于分别独立控制红、绿、蓝各色激光束的通过与否的第一电子快门4、第二电 子快门5和第三电子快门6。第三全反射镜23、第四分束镜ll、第五分束镜12、光纤 耦合器28、第一光纤24、第二光纤26、第三光纤27、光纤分束器25、面阵CCD15、 平移台21和一计算机20。
红光激光器1，绿光激光器2、蓝光激光器3所发出的光束经第三全反射镜23、 第四分束镜ll、第五分束镜12分别反射或透射后重合为一束。光纤耦合器28设置在 该光束的光路上，其可把该光束耦合进第一光纤24。光纤分束器25设置在第一光纤 24末端，其可将该光束分成第一光束和第二光束。第一光束通过第二光纤26后照射 被记录物体14，并由被记录物体14反射，所反射的光束作为物光传播至面阵CCD 15。 第二光束经过第三光纤27出射后形成一球面光波，并作为参考光传播至面阵CCD 15。
平移台21与面阵CCD15刚性连接，其移动方向垂直于全息图记录平面，由计算机20控制其位移以改变全息图的记录距离。作为物光的第一光束与作为参考光的第二 光束相互干涉，所形成的干涉图样由处于干涉区域的面阵CCD 15进行釆集，然后由 计算机20进行补零处理和数值重建，通过数字合成各单色数字全息再现像得到彩色数 字全息像。
其中，光纤耦合器28为一光纤耦合系统，其能将激光束耦合进光纤。光纤分束器 25为一光纤分束系统，其能将单根光纤中的光束分至两根或两根以上光纤。第一光纤 24、第三光纤27为单模光纤，第二光纤26为单模或多模光纤。作为物光的第一光束 由被记录物体14到面阵CCD 15光敏面的光程，与作为参考光的第二光束经过第三光 纤27后形成的球面光波的源点到面阵CCD 15光敏面的光程相等。
第四实施方式获取全息像的主要工作过程为红光激光器l，绿光激光器2、蓝光 激光器3所发出的光束经第三全反射镜23、第四分束镜ll、第五分束镜12分别反射 或透射后重合为一束，该光束经过光纤耦合器28进入光纤后，被光纤分束器25分为 第一光束和第二光束；第一光束通过第二光纤26后照射被记录物体14，并由被记录 物体14反射，所反射的光束作为物光传播至面阵CCD15;第二光束经过第三光纤27 后直接扩束形成一球面光波，并作为参考光出射至面阵CCD 15;面阵CCD 15置于物 光和参考光所形成的干涉区域内，作为物光的第一光束由被记录物体14到面阵CCD15 光敏面的光程，与作为参考光的第二光束所形成球面波的源点到面阵CCD 15光敏面 的光程相等；平移台21与面阵CCD15刚性连接，其移动方向垂直于全息图记录平面， 由计算机20控制其位移以改变全息图的记录距离，通过电子快门控制各单色数字全息 图的记录；处于干涉区域的面阵CCD 15采集到的各单色数字全息图由计算机20进行 补零处理和数值重建，通过数字合成各单色数字全息再现像得到彩色数字全息像。
本发明彩色数字全息像的记录系统通过采用基于无透镜傅里叶变换全息术的光路结构进行红、绿、蓝各色数字全息图的记录，能够很好地保证不同记录条件下重建像 平面上各单色数字全息像的准确重合，使得数字合成得到的彩色数字全息像具有清晰 的边界和细节结构。本实施方式采用球面光波作为参考光，其源点和记录物体到面阵
CCD光敏面的光程相等，物光与参考光形成的干涉图样在整个全息图记录平面上分布 均匀，从而避免了使用面阵CCD记录的全息图边缘部分发生欠采样，有利于全息图的 准确记录及数值重建，可以获得较高分辨率的彩色数字全息像。另外，本实施方式彩 色数字全息像的记录系统记录的为数字无透镜傅里叶变换全息图，其数值重建过程简 单，能够节省大量运算时间，满足实时化处理的要求。
图2为对该实施方式的效果说明图，其中(a)、 (b)、 (c)分别为未根据记录条件对各 单色数字全息图进行补零处理而得到的红、绿、蓝单色全息再现像，(d)、 (e)为根据记 录条件对单色数字全息图进行补零处理后得到的红、绿单色全息再现像，(f)为由(c)、
(d)、 (e)合成得到的彩色数字全息像。可以看出，用于彩色合成的各单色数字全息再现 像的显示尺寸一致，位置准确重合，合成得到的彩色数字全息像具有清晰的边界和细 节结构。
权利要求
1. 一种彩色数字全息像的记录系统，其特征在于包括三电子快门、红光激光器、绿光激光器、蓝光激光器、黑白型面阵CCD，三个分束系统、扩束系统；红光激光器(1)、绿光激光器(2)和蓝光激光器(3)通过各自的电子快门(4)、(5)和(6)分别被三个分束系统分别分为第一、二光束；第一光束到达被记录物体，第二光束经过扩束系统转化为球面光波后与被照射物体反射的第一光束相互干涉，并形成一个设置黑白型面阵CCD的干涉区域；的三个分束系统分出的第一光束彼此间严格重合，第二光束彼此间严格重合；球面光波的源点到面阵CCD光敏面的光程与被记录物体到黑白型面阵CCD光敏面的光程相等。
2. 根据权利要求1所述的彩色数字全息像的记录系统，其特征在于黑白型面阵CCD 安装在可以沿一维方向移动的平移台(21)上。
3. 根据权利要求1所述的彩色数字全息像的记录系统，其特征在于所述红光激光 器为波长为635nm或650nm的半导体激光器，或者是波长为632.8nm的氦氖He-Ne 激光器。
4. 根据权利要求1所述的彩色数字全息像的记录系统，其特征在于所述绿光激光器为波长为532nm的半导体激光泵浦的固体激光器，或者是波长为514nm的氩离 子激光器，或者是波长为541nm的氦氖(He-Ne)激光器。
5. 根据权利要求1所述的彩色数字全息像的记录系统，其特征在于所述蓝光激光 器为波长为473nm的半导体激光器，或者是波长为488nm的氩离子(Ar+)激光 器，或者是波长为442nm的氦镉(He-Cd)激光器。
6. 根据权利要求1所述的彩色数字全息像的记录系统，其特征在于所述黑白型面 阵CCD为像素呈二维阵列分布的电荷耦合器件，或一面阵CMOS。
7. 根据权利要求1所述的彩色数字全息像的记录系统，其特征在于所述分束系统为光纤分束器或固定分光比的分束镜，或者是分光比可调的分束镜。
8.根据权利要求1所述的彩色数字全息像的记录系统，其特征在于所述扩束系统 为一扩束镜或一光纤。
全文摘要
本发明涉及一种彩色数字全息像的记录系统，技术特征在于红、绿和蓝光激光器通过各自的电子快门分别被三个分束系统分别分为第一、二光束；第一光束到达被记录物体，第二光束经过扩束系统转化为球面光波后与被照射物体反射的第一光束相互干涉，并形成一个设置黑白型面阵CCD的干涉区域；所述的三个分束系统分出的第一光束彼此间严格重合，第二光束彼此间严格重合；球面光波的源点到面阵CCD光敏面的光程与被记录物体到黑白型面阵CCD光敏面的光程相等。有益效果本发明提供的红、绿、蓝各色数字全息图的记录，能够很好地保证不同记录条件下重建像平面上各单色数字全息像的准确重合，使得数字合成得到的彩色数字全息像具有清晰的边界和细节结构。
文档编号G03H1/04GK101452251SQ20071018845
公开日2009年6月10日 申请日期2007年12月3日 优先权日2007年12月3日
发明者姜宏振, 赵建林, 邸江磊 申请人:西北工业大学