专利名称：三色记录分层再现动态全息图记录装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全息图记录装置，特别是三色记录分层再现动态全息图记录装置，该装置中三种不同频率的光分别从空间三个方向通过物体，所形成的三组全息信号同时被彩色CCD记录，并利用颜色分层的方法实现三路信息的分离。
背景技术：
本发明涉及一种数字全息层析技术，是集数字全息技术及光学层析术两种技术特点的、用于对透明或者可透射物体层析成像的技术方法。基于该技术实现物体信息重建的一个基本条件是，获得从不同方向投射物体的全息信息。为了测量动态物体，需要同时记录不同方向的投射的全息干涉信息。目前有两类方法，一是采用多个CCD采集数据，每个CCD 记录一个投射方向的信息。这种方法的缺点是各路之间的参数匹配和调整不容易实现；另一个是采用单个CCD记录物信息，但为了在后续信号处理中进行多路信息的频谱分离，记录装置就非常复杂，为系统参数标定和测量状态调整带来很大不便。相比而言，采用单个 CCD的方法实用性更强，但真正成为实用技术，需要解决的问题是当采用单个CCD进行多路(如三路)信号同时记录时，如何保证多路信息能在后续处理中实现分离的条件下，降低记录装置的复杂性，从而满足测量方法的动态性和实用性。为达到上述目的，该装置中三种不同频率的光分别从空间三个方向通过物体，所形成的三组全息信号同时被一个彩色CCD所记录，并利用颜色分层的方法实现三路信息的分离。其中每一路均利用菲涅耳双棱镜的分光特性以及所分的光束之间的交叉角度，通过一束光就实现了分光和干涉两个功能。该发明的特点(1)三个方向的信息被单个CCD同时记录，克服了多个CCD记录时的缺点，实现了记录装置的动态性；(2)根据三路信息的颜色不同进行分离，实现了三路信息的有效分离；(3)每个光路中，采用了单束光共光路的干涉方式，相比于一般的离轴式记录方式，所需器件少、装置简单、稳定。基于本发明装置的这些特点，解决了目前数字全息层析技术中全息图记录中的装置动态性和复杂性的问题，具有创新性。
发明内容
本发明装置的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种三色记录分层再现动态全息图记录装置，将数字全息技术及光学层析术两种技术结合起来，利用两者优点，提供一种对透明或者可透射物体进行全息记录，然后通过层析算法重建物体的轮廓和内部结构的实时动态信息。为达到上述目的并且针对图像采集的要求，本发明构思是
(一)三个频率的激光分别经过扩束照射透明物体或者可透射物体；(二)经过物体的各束光路在菲涅耳双棱镜作用下产生干涉图样；(三)三束光路汇集成一束光路；(四)收集干涉图样并经过光电转化将光信号转化电信号；(五)利用频率对不同颜色信号进行分离提取；(六)计算机处理信号并进行结构重建，获得被测物体的层析图像。根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案一种三色记录分层再现动态全息图的记录装置，由红色、绿色、蓝色三个激光器、三个光束扩束组件、三个菲涅耳双棱镜、四个平面反射镜、两个二向色镜、一个彩色CCD摄像机组成。其特征在于三方向光束分别由由红、绿、蓝激光器发出的光束经光束扩束组件后，其中各束光路中光轴一侧的光透过物体，经过菲涅耳双棱镜分波前之后干涉形成干涉图样，无效的光束被遮挡板所遮挡。然后经过平面反射镜和第一、第二两个二向色镜汇集成一路光束，CXD摄像机接收经过物体后的干涉图样；数据采集卡将该信号转换为数字信号，再由计算机进行图像层析算法而对图像实现重建。所述三方向光路中三个光束扩束组件和三个菲涅耳双棱镜分别分布于空间的平面的一个正六边形的六个边上，三个菲涅耳双棱镜放置在该六边形相邻的三个边上，三个空间滤波器放置在另外的三个相邻边上，相对的菲涅耳双棱镜和空间滤波器与之间的负透镜构成其中一束光路的引导器件。其中各光束的光束扩束组件和菲涅耳双棱镜距离相同， 红光光路和蓝光光路相对于绿光光路成对称且与绿光光路之间夹角为60度，同时各路相同器件位置需放置在以0点为圆心的圆周上，0点为三束光路光轴的交点。上述的数字全息图记录装置中，所述的被测物体依据菲涅耳双棱镜的原理对放置位置有一定要求，物体应放置在负透镜和菲涅耳双棱镜之间并且在三束光轴一侧的重叠区，保证通过被测物体的波前在分束后仍然完整同时被三束光路记录。上述的数字全息图记录装置中，所述的菲涅耳双棱镜的结构要求是，其顶角的大小要求在采集过程中引入适当的载波频率，保证再现采集的全息图中物波能从零级及共轭像中分离出来。上述的数字全息图记录装置中，所述的第一、第二二向色镜的要求是，第一二向色镜(10)是反绿透红合光镜(反532nm透650nm)，第二二向色镜(11)是反蓝透绿透红合光镜 (反 473nm 透 532nm 透 650nm)。上述的数字全息图记录装置中，所述的CCD摄像机需根据采用激光器的频率信息等要求来确定其采集所用的分辨率，同时所述的CCD摄像机连接装有图像采集卡的计算机。上述的数字全息图记录装置中，全息图的载波频率依靠分光棱镜进行，需要测试者对测量原理有一定的理解。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的进步 本发明仅有三个激光器、三个光束扩束组件、三个菲涅耳双棱镜、一个彩色CXD摄像机和一个计算机等构成。本发明是一种三方向多频率光同轴式的数字全息图记录系统，可以分别同时记录不同方向的全息图信息，通过采用层析算法，实现对透明物体或者可透射物轮廓和内部细微结构的动态变形检测。
图1是本发明一个实施例的结构框图。图2是图1示例的结构示意图。图3是图2中其中任意一束光路图。图4是图3中具体光路参数图。
图5是数字全息图数字再现方法过程图。
具体实施例方式本发明的一个优先实施例结合附图详述如下参见图2，图2所示三色记录分层再现动态全息记录装置由三个激光器1、2、3、三个光束扩束组件4、5、四个平面反射镜、三个菲涅耳双棱镜7、两个二向色镜10、11、一个彩色CXD摄像机12和计算机13组成。三束光路中的三个光束扩束组件4、5和三个菲涅耳双棱镜7分布在空间平面的一个正六边形的六个边上，三个菲涅耳双棱镜7放置在该六边形相邻的三个边上，三个扩束器组件4、5放置在该六边形另外的三个相邻边上，相对的一个菲涅耳双棱镜7和一个空间滤波器4与一个负透镜5构成一束光路的引导器件；其中各光束的光束扩束组件4、5和菲涅耳双棱镜7距离相同，红光光路和蓝光光路相对于绿光光路成对称且与绿光光路之间夹角为60度，同时各路相同器件位置需放置在以0点为圆心的圆周上，0点为三束光路光轴的交点；三方向光束分别由红、绿、蓝激光器1、2、3发出的光束经光束扩束组件4、5后，其中各束光路中光轴一侧的光透过物体6，经过菲涅耳双棱镜7分波前之后干涉形成干涉图样，无效的光束被遮挡板8所遮挡；然后经过平面反射镜9和第一、第二两个二向色镜10、11汇集成一路光束， CXD摄像机12接收经过物体后的干涉图样，连接到计算机13，有计算机13进行信号处理和结构重建，以获得被测物体的层析图像。其中三个激光器分别是红色激光器1、绿色激光器 2和蓝色激光器3 ；光束扩束组件由空间滤波器4和负透镜5组成，可通过两者的位置关系调节光束的张角；菲涅耳双棱镜实现了分光和载波两个功能来记录物体的位相信息。工作原理如下本装置的具体工作步骤为三方向光束分别由红、绿、蓝激光器1、 2、3发出的光束分别经过空间滤波器4后在负透镜5后进行扩束，其中各束光路中光轴一侧的光透过物体6，经过菲涅耳双棱镜7分波前之后干涉形成干涉图样，无效的光束被遮挡板 8所遮挡。在平面镜9和二向色镜10、11的作用下汇聚并投射到CXD摄像机12上，通过数据采集卡上将数据传输至计算机13提取各个频率的信息，之后经过计算机拟合得出最终的物体结构变化。如图2所示，三个频率的激光分别经过扩束并照射透明物体或者可透射物体6，后各束光路在菲涅耳双棱镜7作用下产生干涉图样，在平面镜9和二向色镜10、11的作用下将三束光路汇集成一束光路，被CCD摄像机12采集。如图2所示，所述的整个系统三方向光路中各光束的空间滤波器4、负透镜5和菲涅耳双棱镜7距离相同，红光光路所在器件和蓝光光路所在器件关于绿光光路对称且之间夹角为60度；同时各路相同器件空间滤波器4、负透镜5、菲涅耳双棱镜7位置需放置在以 0点为圆心的圆周上，0点为三束光路光轴的交点；其中光束扩束组件中的空间滤波器4和负透镜5之间的距离由单束光路确定，具体见公式1。如图4所示，红、绿、蓝激光器1、2、3发出的光束经过空间滤波器4后聚焦在S点， 由于负透镜5对光束具有发散作用，所以经过负透镜()后光束会聚点为S’，即经过负透镜 5后的光束可以看成是经过S’点发出的。对于一束光路，设空间滤波器(4)的光束会聚点 S与负透镜5之间的距离为-Λ负透镜5的焦距为广则根据光学成像理论，虚像点S’与负透镜5之间的距离为如图4，考察一束经过菲涅耳双棱镜7后两束光的重叠区(即由CXD摄像机12接收的区域)，并设菲涅耳双棱镜7的夹角为□，棱镜的折射率为/ ，则对应重叠区的光束的张角α' 为
2a = 2 [arcsm ( sin - ^J⑵
2 =(3)
对应的红色激光束、绿色激光束和蓝色激光束的张角分别为而、而、,公式同上。由
于负透镜(5)的焦距一定，则对于不同光束的/、i_相同，则巧=^ = ^。如图3和4所示，设负透镜5与菲涅耳双棱镜7底面之间的距离为/7，菲涅耳双棱镜7底面与CCD接收面之间的距离为^则干涉区域宽度，即CCD应该接收的范围是
(if \
M=2{-r+p)iga=2\tga(4)
‘ v-f J
对应的红、绿、蓝三种光束，由于负透镜5的焦距/‘、光束张角□和负透镜5与菲涅耳双棱镜7底面之间的距离/7相同，对应不同颜色光束的#值也相同，从而三束光的CCD的接受范围相同。如图2所示，该装置仅有三方向的投影数据，因此再现过程我们采用代数迭代算法重建模型最终得结构相位分布。设需重建的单层原始图像被离散化为个像素
组成的一维数组[Λ，/2，…，而],投影射线总数为#^，则图像第i条射线的投影可以表示如
下
w
Pi=Hw^j 、i=i，2, 3)(5)
J-I
式中，灼为第i条射线的投影值即红、绿、蓝三色的投影值，,为加权因子，表示第(
UD个像素点对第i条射线投影值的贡献，力为第(厶力个像素点的投影值。(5)式中
的，为已知值，加权因子 力自赋值，为待求解的投影值.为求出力，对灼U=I, 2, 3) 方程组采用代数迭代法进行迭代求解.迭代方程如下
N
式中 为迭代次数，《为松弛因子，《在根据实验条件标定后取值.代入投影值
和给定的初始值Zf)( 一般选取/f) 二 ο)就可进行迭代运算.当满足下列条件时迭代结束M
趵 _Σ，//) = 0 {i=l,2,3'", η)(7)
i-ι
此时，即为所需重建图像.对于本装置而言，全息图数值重建波前相位信息即为值，对采集的数据信息进行分别层析重建可获得被测物体的内部的完整结构。
权利要求
1.一种三色记录分层再现动态全息图记录装置，由红色、绿色、蓝色三个激光器(1、2、 3)、由三个空间滤波器(4)和三个负透镜( 构成的三个光束扩束组件0、5)、三个菲涅耳双棱镜(7)、三个遮光板(8)、两个二向色镜(10)、四个平面反射镜(11)、一个彩色CCD摄像机(1 组成，其特征在于三束光路中的三个光束扩束组件(4、幻和三个菲涅耳双棱镜(7) 分布在空间平面的一个正六边形的六个边上，三个菲涅耳双棱镜(7)放置在该六边形相邻的三个边上，三个扩束器组件(4、幻放置在该六边形另外的三个相邻边上，相对的一个菲涅耳双棱镜(7)和一个空间滤波器(4)与一个负透镜( 构成一束光路的引导器件；其中各光束的光束扩束组件(4、幻和菲涅耳双棱镜(7)距离相同，红光光路和蓝光光路相对于绿光光路成对称且与绿光光路之间夹角为60度，同时各路相同器件位置需放置在以0点为圆心的圆周上，0点为三束光路光轴的交点；三方向光束分别由红、绿、蓝激光器(1、2、3)发出的光束经光束扩束组件(4、幻后，其中各束光路中光轴一侧的光透过物体(6)，经过菲涅耳双棱镜(7)分波前之后干涉形成干涉图样，无效的光束被遮挡板(8)所遮挡；然后经过平面反射镜(9)和第一、第二两个二向色镜(10、11)汇集成一路光束，CXD摄像机(1 接收经过物体后的干涉图样，连接到计算机(13)，有计算机(1 进行信号处理和结构重建，以获得被测物体的层析图像。
2.根据权力要求1所述的三色记录分层再现动态全息图记录装置，其特征在于所述空间滤波器(4)和负透镜(5)的位置固定，同时得到的光束足以照射到被测物体(6)的全部； 反射镜(9)的作用是改变光束方向使三束光集中于一束。
3.根据权力要求1所述的三色记录分层再现动态全息图记录装置，其特征在于所述的被测物体(6)是透明物体或者可透射物体，放置在负透镜( 和菲涅耳双棱镜(7)之间，并且在三束光轴一侧的重叠区内。
4.根据权力要求1所述的三色记录分层再现动态全息图记录装置，其特征在于所述的菲涅耳双棱镜(7)折射率为《，其顶角□大小需要根据被测物体尺寸、载波频率选取。
5.根据权力要求1所述的三色记录分层再现动态全息图记录装置，其特征在于所述第一二向色镜(10)是反绿透红合光镜，第二二向色镜(11)是反蓝透绿透红合光镜。
全文摘要
本发明涉及一种三色记录分层再现动态全息图记录装置。它由三个激光器、三个扩束组件、三个菲涅耳双棱镜、一个彩色CCD摄像机和一个计算机组成。三个激光器发出的光分别经过扩束组件后，其中一部分光经过被测物体，在菲涅耳双棱镜作用下彼此干涉后形成的信息由CCD摄像机记录，后由计算机通过层析算法得出被测物体的轮廓和内部结构的动态信息。该记录装置是一种三方向多频率光同轴式的数字全息图记录系统，可以分别同时记录不同方向的全息图信息，通过采用层析算法，实现对透明物体或者可投射物体轮廓和内部细微结构的动态变形检测。
文档编号G03H1/12GK102231055SQ201110180678
公开日2011年11月2日 申请日期2011年6月30日 优先权日2011年6月30日
发明者于瀛洁, 刘均琦, 刘祎庆, 唐智 申请人:上海大学