专利名称：数字全息成像在线重构显示系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种数字全息成像系统及方法，更具体地说，本发明涉及一种数字全息成像在线重构显示系统及其方法。
背景技术：
数字全息术是基于光学全息术基本原理，采用光敏电子成像器件代替光学全息记录材料记录全息图，将记录的全息图强度信息转变成为数字信号存入计算机，再利用计算机模拟参考光对全息图进行再现成像，从而实现全息记录和成像重构过程的全数字化。离轴菲涅耳数字全息成像技术涉及物体信息记录过程和物体成像再现过程两部分。物体信息记录过程中，物光和参考光干涉后产生干涉条纹，被诸如电荷耦合器件(CCD图像采集器)的图像采集器件记录；物体成像再现过程中，通过计算机数值模拟光学衍射过程，实现物体成像重构。数字全息实验系统通常只包括用于记录物体信息的数字全息记录光路系统，不能在线显示数字全息成像重构过程及其成像结果。
发明内容
本发明目的在于提供一种具有在线成像重构显示功能的数字全息成像系统及方法，特别是能够分步显示成像重构过程及结果的数字全息成像系统及方法。根据本发明的一种数字全息成像在线重构显示系统，包括一种离轴菲涅耳数字全息记录光路、一种仪器控制单元、以及一种成像重构显示单元。仪器控制单元用于控制离轴菲涅耳数字全息记录光路记录数字全息图，所记录的数字全息图送到成像重构显示单元进行计算处理，重构并显示出物体的三维图像。所述的一种离轴菲涅耳数字全息记录光路用于记录数字全息图，其特征在于采用马赫泽德干涉仪光路，使用激光器作为记录光源，可实现所记录全息图中+1级衍射像、O级衍射像和-1级衍射像的分离，并利于进行频谱滤波。所述离轴菲涅耳数字全息记录光路包括:激光器出射的一束激光，经扩束准直部件形成一束平行光，再经分光棱镜分成两束光，一束光照射待记录物体后作为带有物体信息的物光，另一束光作为参考光，两束光在空间相干涉形成全息图，并由图像采集器记录成为数字全息图。所述一种仪器控制单元由计算机、仪器控制模块和仪器控制接口组成。所述仪器控制模块包括数字全息图记录控制模块、运动平台控制模块、快门控制模块、空间光调制器控制模块、以及图像采集控制模块。所述仪器控制接口包括接口转接装置及连接线，所述仪器控制单元通过仪器控制接口分别与数字全息记录系统中的运动平台、快门、空间光调制器、以及图像采集器连接并进行通信，用以完成数字全息图的记录。所述运动平台连接到运动平台控制器后，再通过串口与计算机相连，由运动平台控制模块对运动平台移动进行控制；所述快门通过四针航空插头线连接到电平转换电路，再采用并口连接线与计算机中数模转换芯片相连，由快门控制模块对快门的开启和关闭状态进行控制；所述空间光调制器通过分频显示器连接于计算机，由空间光调制器控制模块对空间光调制器进行图像加载；所述图像采集器通过图像采集卡与计算机直接相连，由图像采集控制模块控制诸如CCD或者CMOS的图像采集器记录数字全息图像。所述数字全息图记录控制模块分别与运动平台控制模块、快门控制模块、空间光调制器控制模块、以及图像采集控制模块通信连接，配置为与运动平台控制模块、快门控制模块、空间光调制器控制模块、以及图像采集控制模块进行数据交互、处理和控制，同时向用户提供指令输入与选择功能，用于在数字全息图记录进程中对运动平台、快门、空间光调制器、图像采集器进行单独和联动控制以及数据采集。所述的运动平台控制模块，配置为与所述运动平台通信连接和控制其运动，提供包括起始位置、位移步长、终点位置、当前位置的指令的输入选择和查询功能。所述的快门控制模块，配置为手动开关和定时开关两种快门开关模式，用以控制数字全息图记录光路中快门的开启和关闭。所述空间光调制器控制模块，配置为与所述空间光调制器进行数据通信，将所设置的加载图形、图像尺寸、图像位置等基本参数传输给空间光调制器，用以控制空间光调制器上图像的加载和调整。所述的图像采集控制模块，配置为与所述图像采集器进行数据通信，设置采集位置、采集图像分辨率、采集图像尺寸等基本采集参数，将所述基本采集参数传输给图像采集器，控制图像采集器进行图像数据采集和图像数据保存。 所述一种成像重构显示单元包括成像重构模块和在线显示模块两部分；由图像采集器记录的数字全息图送到计算机中，由成像重构模块进行数值重构处理，最终得到称为二维相位图和三维相位图的物体的再现像，并由在线显示模块实时显示物体的再现像或者根据具体要求显示重构处理各阶段的数据图像。所述的成像重构模块对图像采集器所记录的数字全息图采用角谱算法或菲涅耳算法或卷积算法的数值再现算法进行数值模拟成像重构处理，其步骤包括:S1从图像采集器输入数字全息图并进行图像优化截取；S2对优化截取后的全息图进行傅里叶变换；S3得到所述全息图的频谱图；S4对所述频谱图进行频谱滤波；S5提取+1级频谱；S6对所述+1级频谱进行逆傅里叶变换；S7得到记录平面复振幅分布；S8对记录平面复振幅分布图取绝对值；S9得到记录平面振幅图；S10输入再现距离；S11对记录平面复振幅分布图数值模拟其光波在自由空间的角谱法传播；S12得到观察平面复振幅分布图；S13对观察平面复振幅分布图取绝对值；S14得到观察平面振幅图；S15对观察平面复振幅图进行Angel函数处理提取相位；S16得到带有包裹相位的二维相位图；S17对带有包裹相位的二维相位图进行相位解包裹；S18得到具有真实相位的二维相位图；S19对真实相位的二维相位图进行三维相位重构；S20得到所记录物体的三维相位图。所述在线显示模块与成像重构模块通信连接，所述成像重构模块将每次数值成像重构处理过程中产生的所有图像数据，包括频谱图、+1级频谱图、记录平面振幅图、观察平面振幅图、包裹相位图、二维相位图、以及三维相位图，传送或保存到在线显示模块中，以实现重构处理过程中产生图像的按需显示。所述在线显示模块设置分别对应于频谱图、+1级频谱图、记录平面振幅图、观察平面振幅图、包裹相位图、二维相位图、以及三维相位图的显示指令，通过直接接收成像重构模块传送的图像数据或者调用已保存的图像数据，进行在线顺序显示或者根据需求显示重构处理各阶段的数据图像，按照数值重构处理进程顺序显示频谱图、+1级频谱图、记录平面振幅图、观察平面振幅图、包裹相位图、二维相位图和三维相位图，或者有选择地显示频谱图、+1级频谱图、记录平面振幅图、观察平面振幅图、包裹相位图、二维相位图和三维相位图中任一个图像或者几个图像，或直接显示作为最终再现像的二维相位图和三维相位图。根据本发明的一种数字全息成像在线重构显示方法，包括在仪器控制模块的控制下，采用一种离轴菲涅耳全息记录光路，使用激光器作为记录光源，在图像采集器上记录数字全息图；采用数值再现算法，通过数值计算模拟所述数字全息图的衍射成像过程，模拟重构出原物的再现像，并将再现像的图像数据发送给在线显示模块，对数值重构成像过程各阶段的图像进行在线顺序显示和在线选择显示。本发明数字全息成像在线重构显示系统及方法的有益效果是，可采用仪器控制模块控制实验进程；采用成像重构显示模块，实现对成像重构过程的可视化监控以及选择性重构显示。本发明的数字全息成像在线重构显示系统及方法可形成仪器，应用于成像检测和教学演示。
图1为本发明的数字全息成像在线重构显示系统及方法的数字全息记录光路示意图。图2为本发明的数字全息成像在线重构显示系统及方法的仪器控制单元连接图。图3为本发明的数字全息成像在线重构显示系统及方法的仪器控制模块结构示意图。图4为本发明的数字全息成像在线重构显示系统及方法的成像重构模块流程图。图中:1、激光器，2、快门，3、反射镜，4、反射镜，5、扩束准直器，6、分光棱镜，7、反射镜，8、空间光调制器，9、反射镜，10、分光棱镜，11、图像采集器，12、计算机，13、运动平台；
14、PCI7489数据转换卡，15、ESP310运动平台控制器，16、图像采集卡；17、数字全息图记录控制模块；18、运动平台控制模块；19、快门控制模块；20、空间光调制器控制模块；21、图像采集器控制模块。
具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明的数字全息成像在线重构显示系统及方法的典型实施例。应当说明的是，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。采用透射式离轴菲涅数字全息记录光路，如图1所示，实现+1级衍射像、O级衍射像和-1级衍射像的分离。激光器I出射的激光经过快门2后照射到反射镜3，其反射光再经反射镜4反射后，进入扩束准直器5，获得扩束准直的平行光束；该平行光束进入分光棱镜6，被分束为透射和反射两束平行光，其中透射光束称为参考光，反射光束称为物光。物光经反射镜7反射后照射到空间光调制器8上，加载有图像信息的空间光调制器8放置于运动平台13上作为待测物，也可以选用其他物体作为待测物，从空间光调制器8透射出来带有图像信息的物光入射到分光棱镜10 ;参考光经过反射镜9反射，反射后的参考光入射到分光棱镜10 ;参考光与物光在分光棱镜10中成一定夹角共同入射到图像采集器11的记录靶面上、相互干涉形成全息图，并由图像采集器11记录此全息图，称为数字全息图，并将所记录的数字全息图传送到计算机12中，完成数字全息图的记录过程。仪器控制单元用于实现数字全息图记录中的仪器控制并进行实验控制。仪器控制单元连接方式如图2所示，硬件部分包括计算机12、PCI7489数据转换卡14、ESP310运动平台控制器15、图像采集卡16、快门2、空间光调制器8、图像采集器11、运动平台13。PCI7489数据采集卡14插在计算机12的PCI卡槽中，所述PCI7489数据采集卡14通过一个5V-15V的电平转换电路连接到快门2，用于控制快门动作。ESP310运动平台控制器15通过计算机12上的串口与其连接，所述ESP310运动平台控制器15与运动平台13连接，用于控制所述运动平台13的平移。运动平台13可以选用例如一维、二维、三维等任意维数的运动平台。图像采集器11通过数字图像采集卡16与计算机12连接；空间光调制器8直接与计算机相连。仪器控制模块由数字全息图记录控制模块、运动平台控制模块、快门控制模块、空间光调制器控制模块、以及图像采集控制模块构成。如图3所示，数字全息图记录控制模块17分别与运动平台控制模块18、快门控制模块19、空间光调制器控制模块20、以及图像采集控制模块21通信连接，实现数据交互、处理和控制，并向用户提供指令输入与功能选择。运动平台控制模块18用于控制运动平台13移位运动。所述运动平台控制模块18通过ESP310运动平台控制器15实现与运动平台13的通信并控制其运动。所述运动平台13通过自带连接线与运动平台控制器15连接，运动平台控制器15通过串口线与计算机12连接。运动平台控制模块18的通信和控制指令通过计算机上的标准接口送到运动平台控制器15，运动平台控制器15将指令解析并转换为用以控制运动平台的电信号，控制运动平台13移动。运动平台控制模块可以实现对运动平台所载物体位置的控制和运动平台载物台移动速度的控制。快门控制模块19用于控制光学快门2的开启和关闭。所述快门控制模块19与PCI7489数据采集卡14通信并通过其控制快门2开启和关闭。光学快门2通过四针航空接口线与电平转换电路相连，电平转换电路可将5V的计算机12输出电信号转换为15V的光学快门控制电信号。计算机12发送5V的控制电平信号至电平转换模块，电平转化模块将5V信号转换为15V信号后，将命令发送给光学快门，以此实现快门的开关。结合计算机中的定时器，快门控制模块主要作用是实现光学快门的定时开关。空间光调制器控制模块20与所述空间光调制器8进行数据通信，用以控制空间光调制器8加载图像。空间光调制器8通过DVI视频传输线与计算机12连接，计算机12通过DVI视频传输线将所要加载的图像传输到空间光调制器上。空间光调制器控制模块20通过控制空间光调制器8上的加载图形、图像尺寸、图像位置等基本参数，可以实现在空间光调制器上加载和修改图像。图像采集控制模块21通过图像采集卡16与CXD图像采集器11进行数据通信并控制其记录全息图，得到数字全息图。所述图像采集控制模块21为CCD图像采集器11设置采集位置、采集图像分辨率、采集图像尺寸等基本参数，并控制所述CCD图像采集器11进行全息图的图像信息采集。CXD图像采集器11通过图像采集卡16与计算机12连接。CXD图像采集器11记录数字全息图后，通过图像采集卡16将数字图像传至计算机中，由成像重构显示单元直接进行数值成像重构处理或保存后再做成像重构处理。
成像重构显示单元包括成像重构模块和在线显示模块两部分，所述成像重构模块对所记录的离轴菲涅尔数字全息图采用角谱算法数值重构出物体的再现像；所述在线显示模块可以对数值重构过程各步骤结果进行图像顺序显示，也可以对数值重构成像过程的选定步骤结果进行图像选择性显示。所述在线显示模块和成像重构模块互为表里，成像重构模块完成对所采集的全息图进行数值重构计算，实现数值成像重构；在线显示模块通过输出图像数据，完成所要求的数值成像过程显示。将图像采集器11记录的数字全息图输入计算机12，由成像重构模块按步骤进行图像处理。如图4所示，数字全息图的成像重构处理过程包括:S1从图像采集器输入数字全息图并进行图像优化截取；S2对优化截取后的全息图进行傅里叶变换；S3得到所述全息图的频谱图；S4对所述频谱图进行频谱滤波；S5得到+1级频谱；S6对所述+1级频谱进行逆傅里叶变换；S7得到记录平面复振幅分布；S8对记录平面复振幅分布图取绝对值；S9得到记录平面振幅图；S10输入再现距离后，Sll对记录平面复振幅分布图数值模拟其光波在自由空间的角谱法传播；S12得到观察平面复振幅分布图；S13对观察平面复振幅分布图取绝对值；S14得到观察平面振幅图；S15对观察平面复振幅图进行Angel函数处理提取相位，得到带有包裹相位的二维相位图S16 ；S17对带有包裹相位的二维相位图进行相位解包裹；S18得到具有真实相位的二维相位图；S19对真实相位的二维相位图进行三维相位重构；S20得到所记录物体的三维相位图。在成像重构处理过程中，依次得到频谱图、+1级频谱图S5、记录平面振幅图、观察平面振幅图、包裹相位图、二维相位图、以及三维相位图，所述图像数据可以呈现数值重构处理的成像演变过程。在线显示模块与所述成像重构模块通信连接，可以实现成像重构过程中图像数据的按需显示，包括顺序显示、选择显示两种显示模式。所述顺序显示模式配置为，将所述成像重构模块处理得到的图像数据实时传输给在线显示模块，按步骤顺序显示出频谱图、+1级频谱图、记录平面振幅图、观察平面振幅图、包裹相位图、二维相位图、以及三维相位图。所述选择显示模式配置为，根据输入显示指令，将处理得到的、指定的图像数据传输给在线显示模式，用以输出显示选定步骤的图像。数字全息成像经常需要对物体进行多次再现成像，每次再现成像过程中会对部分参数进行微调。所述成像重构模块会将每一次成像重构全过程的图像数据发送并保存到在线显示模块，使所述在线显示模块可以针对不同显示要求，灵活地实时显示重构成像过程中感兴趣步骤的图像，实现了数字全息再现结果的智能显示。根据本发明的数字全息成像在线重构显示系统及方法的数字全息图记录过程和成像重构过程在计算机控制下自动完成，在变换物体的情况下，其数字全息图通过数值模拟成像重构后，仍可以分步输出、在线显示重构成像。尽管参考特定实施例详细描述了本发明，在此描述的本发明实施例的意图不是详尽的或者局限于所公开的具体形式。相反，所选的用于说明问题的实施例是为了使本技术领域内的技术人员实施本发明而选择的。在不脱离下面的权利要求所描述和限定的本发明的实质范围的情况下，存在变型例和修改例。
权利要求
1.一种数字全息成像在线重构显示系统，包括 一种离轴菲涅耳数字全息记录光路，配置为记录其+1级衍射像、O级衍射像、以及-1级衍射像分离的数字全息图； 一种仪器控制单元，配置为由计算机、仪器控制模块和仪器控制接口组成，对快门、运动平台、空间光调制器、图像采集器进行控制和操作，完成数字全息图记录；以及 一种成像重构显示单元，对数字全息图进行成像重构处理、以及实现在线分步显示。
2.根据权利要求1所述的数字全息成像在线重构显示系统，其所述仪器控制模块包括数字全息图记录控制模块、运动平台控制模块、快门控制模块、空间光调制器控制模块、以及图像采集控制模块。
3.根据权利要求1所述的数字全息成像在线重构显示系统，所述数字全息图记录控制模块分别与运动平台控制模块、快门控制模块、空间光调制器控制模块、以及图像采集控制模块通信连接并进行数据交互、处理和控制，同时向用户提供指令输入与选择。
4.根据权利要求1所述的数字全息成像在线重构显示系统，其所述成像重构显示单元由成像重构模块和在线显示模块组成，所述成像重构模块对数字全息图进行数值模拟成像重构，所述在线显示模块实现成像重构的图像显示。
5.根据权利要求1所述的数字全息成像在线重构显示系统，其所述在线显示模块具有顺序显示模式和选择显示模式。
6.一种数字全息成像在线重构显示方法，包括步骤: 采用一种离轴菲涅耳全息记录光路，在图像采集器上记录数字全息图； 一种仪器控制单元的数字全息图记录控制模块分别与运动平台控制模块、快门控制模块、空间光调制器控制模块、以及图像采集控制模块进行数据通信，控制快门开启、运动平台平移、在空间光调制器上加载物像、以及由图像采集器记录全息图； 一种成像重构显示单元采用数值再现算法，数值模拟数字全息图的衍射成像过程，重构得到原物的再现像； 成像重构模块将重构处理数据发送给在线显示模块，所述在线显示模块对数值重构成像过程各阶段的图像进行在线显示。
7.根据权利要求6所述的数字全息成像在线重构显示方法，所述空间光调制器控制模块与所述空间光调制器数据通信，将加载图形、图像尺寸、图像位置等基本参数传输给空间光调制器，并控制空间光调制器上图像的加载和调整。
8.根据权利要求6所述的数字全息成像在线重构显示方法，所述图像采集控制模块与所述图像采集器数据通信，将图像位置、图像分辨率、图像尺寸等基本参数传输给图像采集器，并控制图像采集器进行图像数据采集和保存。
9.根据权利要求6所述的数字全息成像在线重构显示方法，所述成像重构模块的数值模拟再现算法包括角谱算法、菲涅耳算法、以及卷积算法。
10.根据权利要求6所述的数字全息成像在线重构显示方法，所述在线显示模块的显示方式包括对数值重构过程各步骤结果进行图像顺序显示，或者对数值重构成像过程的选定步骤结果进行图像选择性显示。
全文摘要
本发明涉及一种数字全息成像在线重构显示系统及其方法，可分步顺序显示和选择性显示重构成像过程。包括一种离轴菲涅耳数字全息记录光路、一种仪器控制单元、以及一种成像重构显示单元。采用离轴菲涅耳数字全息记录光路，在仪器控制单元的控制下，在图像采集器上记录数字全息图；成像重构显示单元采用数值再现算法，数值模拟所述数字全息图的衍射成像过程，同时通过人机交互界面向用户进行操作提示、接收指令输入、以及数据显示，对数字全息成像重构过程中各阶段的图像进行在线分步显示，实现对原物的成像重构。
文档编号G03H1/12GK103186090SQ201310082100
公开日2013年7月3日 申请日期2013年3月14日 优先权日2013年3月14日
发明者江竹青, 王喆, 陈依菲, 陶世荃, 王大勇, 万玉红, 王云新 申请人:北京工业大学