载频复用彩色数字全息成像装置与方法与流程

本发明属于彩色数字全息成像领域，特别涉及一种载频复用彩色数字全息成像装置与方法。

背景技术：

彩色数字全息成像技术是一种能够记录和再现原物体的色彩并具有三维立体感图像的一种全息技术。由于彩色全息图比单色全息图能更真实的反映物体的原始信息,在全息测量和显示方面具有更加广阔的应用前景，因而受到广泛关注。

专利cn101452253b“一种彩色数字全息像的获取方法”利用黑白型面阵ccd和多记录波长无透镜傅里叶变换全息图记录光路，实现三基色数字全息成像，但是该方法仍需分别记录各波长全息图，且需要复杂算法进行再现成像，实时性差。

专利cn106569402a“一种多波长数字全息图的色彩分离与数字处理方法”先利用bayer型彩色相机分别采集物体在三色激光照射下的单波长数字全息图，通过数值处理获取三色间的串扰系数矩阵；再采集三色激光同时照射的多波长数字全息图，并利用串扰系数矩阵消除由于bayer滤色片对不同波长光的非完全选择性而造成的三通道间的串扰，实现了单张数字全息图一次性记录多个波长的信息，但是该方法不仅成本高，分辨力低，而且操作复杂，针对不同物体需重复校正。

专利cn105717774a“一种彩色数字全息像的实时记录装置及方法”在物光束照明角度一致的条件下，分别调节参考光束的照射角度，通过一次曝光获取含有各波长不同载频的全息图，实现动态彩色物体的实时全息记录，但是该装置各波长光束经过空间不同位置，不仅造成结构庞大复杂，而且调整困难。

法国songqinghe等(songq,wuy,tankamp,etal.researchontherecordinghologramwithfoveonindigitalcolorholography[c]//photonicsasia.internationalsocietyforopticsandphotonics,2010)利用彩色相机记录全息图，可使各波长光束共用一个光路，极大地简化了系统结构，并降低了系统操作复杂度，但是因为采用彩色相机，不仅成本高，而且需要复杂的算法抑制各波长之间的串扰。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述技术的不足之处，将波分复用技术和频谱角分复用技术相结合，提供一种结构简单紧凑、调整方便的载频复用彩色数字全息成像装置，同时提供一种载频复用彩色数字全息成像方法。

本发明的目的是这样实现的：

载频复用彩色数字全息成像装置，包括第一光源至第三光源，第一合色棱镜、第一非偏振分光棱镜、第一准直扩束系统、第一反射镜、待测物体、第二反射镜、第二准直扩束系统、第二非偏振分光棱镜、第二合色棱镜、第一平面反射镜至第三平面反射镜、第三非偏振分光棱镜、图像传感器和计算机，其中第一光源至第三光源发出的激光分别为红光、绿光和蓝光，波长分别为λa、λb和λc，第一光源至第三光源分别发射的光束经过第一合色棱镜汇合成一束光，经第一非偏振分光棱镜后分成两束；一束依次经过第一准直扩束系统和第一反射镜照射在待测物体上，经待测物体反射后射向第三非偏振分光棱镜；另一束依次经过第二反射镜、第二准直扩束系统、第二非偏振分光棱镜和第二合色棱镜后分成三基色光束，分别照射在第一平面反射镜至第三平面反射镜上并被反射，再次经过第二合色棱镜后合成一束射向第二非偏振分光棱镜，经其反射后射向第三非偏振分光棱镜；汇合于第三非偏振分光棱镜的光束被图像传感器光接收面接收，图像传感器的图像信号输出端连接计算机。

第一平面反射镜至第三平面反射镜分别位于第二合色棱镜的出光轴上。

第一平面反射镜至第三平面反射镜中，第一平面反射镜调整物光在水平方向与光轴成θa角，第二平面反射镜调整物光在垂直方向与光轴成θb角，第三平面反射镜调整物光在垂直方向与光轴成θc角；或第一平面反射镜调整物光在垂直方向与光轴成θa角，第二平面反射镜调整物光在水平方向与光轴成θb角，第三平面反射镜调整物光在水平方向与光轴成θc角。

载频复用彩色数字全息成像方法包括如下步骤：

(1)调整整个光学系统，打开第一光源至第三光源，射出波长分别为λa、λb和λc的激光，经过第一合色棱镜汇合成一束光，经第一非偏振分光棱镜后分成两束；一束作为物光，依次经过第一准直扩束系统和第一反射镜照射在待测物体上，经待测物体反射后射向第三非偏振分光棱镜；另一束作为参考光，依次经过第二反射镜、第二准直扩束系统、第二非偏振分光棱镜和第二合色棱镜后分成三基色光束，分别照射在第一平面反射镜至第三平面反射镜上并被反射，再次经过第二合色棱镜后合成一束射向第二非偏振分光棱镜，经其反射后射向第三非偏振分光棱镜；汇合于第三非偏振分光棱镜的物光和参考光，在图像传感器光接收面产生干涉，调整第一平面反射镜至第三平面反射镜形成三载频复用的全息图i(x,y)，并用图像传感器采集全息图上传到计算机中；

(2)计算待测物体8的复振幅ci(x,y)：

ci(x,y)＝ift{c[ft[i(x,y)]×fi]}

其中，fi表示滤波器，分别选择λa、λb和λc入射光对应的实像频谱，i＝a、b、c；ft表示傅里叶变换，ift表示逆傅里叶变换，c表示频谱置中操作；

(3)计算各个波长聚焦后的复振幅：

ci(x,y)＝as(ci(x,y),d)

其中，as()表示角谱衍射变换，d表示的是准焦距离；

(4)计算各个波长聚焦后的振幅和相位:

ai(x,y)＝abs(ci(x,y))；pi(x,y)＝angle(ci(x,y))；

其中，abs()表示取振幅操作，angle()表示取相位操作；

(5)将所得的各个波长聚焦后的振幅和相位合成彩色的振幅和相位图：

a(x,y,1)＝aa(x,y)；a(x,y,2)＝ab(x,y)；a(x,y,3)＝ac(x,y)；

p(x,y,1)＝pa(x,y)；p(x,y,2)＝pb(x,y)；p(x,y,3)＝pc(x,y)。

载频复用彩色数字全息成像方法有以下特点和有益效果：

1.利用波分复用技术和频谱角分复用技术，只需利用黑白图像传感器通过一次曝光采集一幅三基色载频角分复用的全息图，并通过频域分离完成彩色成像，方法简单易行，这是区别于现有技术的创新点之一；

2.通过合色棱镜分离三基色，只需利用三平面反射镜偏转不同方向即可在全息图中引入三基色角分载频，不仅三基色光束共用一个光路，全息图对比度相同，而且只需通过简单算法完成三基色全息图分离，这是区别于现有技术的创新点之二。

载频复用彩色数字全息成像装置有如下显著特点：

1.本发明装置三基色光束共用一个光路，结构简单紧凑，体积小，调整方便；

2.本发明装置采用黑白图像传感器，且无需特殊光学元件，成本低。

附图说明

图1为载频复用彩色数字全息成像装置示意图；

图2(a)-图2(c)为一副彩色图像的r、g、b三通道分量；

图2(d)为该结构仿真的三色全息图；

图2(e)为该结构仿真的三色全息图的频谱图；

图2(f)-图2(h)为恢复出的r、g、b三通道分量。

具体实施方式

图1所示的为载频复用彩色数字全息成像装置，包括第一光源至第三光源1、2、3，第一合色棱镜4、第一非偏振分光棱镜5、第一准直扩束系统6、第一反射镜7、待测物体8、第二反射镜9、第二准直扩束系统10、第二非偏振分光棱镜11、第二合色棱镜12、第一平面反射镜至第三平面反射镜13、14与15、第三非偏振分光棱镜16、图像传感器17和计算机18，其中第一光源至第三光源1、2、3发出的激光分别为红光、绿光和蓝光，波长分别为λa、λb和λc，按照光的路径描述，第一光源至第三光源1、2、3分别发射的光束经过第一合色棱镜4汇合成一束光，经第一非偏振分光棱镜5后分成两束；一束依次经过第一准直扩束系统6和第一反射镜7照射在待测物体8上，经其反射后射向第三非偏振分光棱镜16；另一束依次经过第二反射镜9、第二准直扩束系统10、第二非偏振分光棱镜11和第二合色棱镜12后分成三基色光束，分别照射在第一平面反射镜至第三平面反射镜13、14与15上并被反射，再次经过第二合色棱镜12后合成一束射向第二非偏振分光棱镜11，经其反射后射向第三非偏振分光棱镜16；汇合于第三非偏振分光棱镜16的光束被图像传感器17光接收面接收，图像传感器17的图像信号输出端连接计算机18。

第一平面反射镜至第三平面反射镜13、14与15分别位于第二合色棱镜的出光轴上。

第一平面反射镜至第三平面反射镜13、14与15中，第一平面反射镜13调整物光在水平方向与光轴成θa角，第二平面反射镜14调整物光在垂直方向与光轴成θb角，第三平面反射镜15调整物光在垂直方向与光轴成θc角，或第一平面反射镜调整物光在垂直方向与光轴成θa角，第二平面反射镜调整物光在水平方向与光轴成θb角，第三平面反射镜调整物光在水平方向与光轴成θc角。

一种载频复用彩色数字全息成像方法，包括如下步骤：

(1)调整整个光学系统，第一光源至第三光源1、2、3，射出波长分别为λa、λb和λc的激光，经过第一合色棱镜4汇合成一束光，经第一非偏振分光棱镜5后分成两束；一束作为物光，依次经过第一准直扩束系统6和第一反射镜7照射在待测物体8上，经其反射后射向第三非偏振分光棱镜16；另一束作为参考光，依次经过第二反射镜9、第二准直扩束系统10、第二非偏振分光棱镜11和第二合色棱镜12后分成三基色光束，分别照射在第一平面反射镜至第三平面反射镜13、14与15上并被反射，再次经过第二合色棱镜12后合成一束射向第二非偏振分光棱镜11，经其反射后射向第三非偏振分光棱镜16；汇合于第三非偏振分光棱镜16的物光和参考光，在图像传感器17光接收面产生干涉，调整第一平面反射镜至第三平面反射镜13、14与15形成三载频复用的全息图，并用图像传感器17采集全息图上传到计算机18中；

(2)计算待测物体的复振幅ci(x,y)：

ci(x,y)＝ift{c[ft[i(x,y)]×fi]}

其中，fi表示滤波器，分别选择λa、λb和λc入射光对应的实像频谱，i＝a、b、c；ft表示傅里叶变换，ift表示逆傅里叶变换，c表示频谱置中操作；

(3)计算各个波长聚焦后的复振幅：

ci(x,y)＝as(ci(x,y),d)

其中，as()表示角谱衍射变换，d表示的是准焦距离；

(4)计算各个波长聚焦后的振幅和相位:

ai(x,y)＝abs(ci(x,y))；pi(x,y)＝angle(ci(x,y))；

其中，abs()表示取振幅操作，angle()表示取相位操作；

(5)将所得的各个波长聚焦后的振幅和相位合成彩色的振幅和相位图：

a(x,y,1)＝aa(x,y)；a(x,y,2)＝ab(x,y)；a(x,y,3)＝ac(x,y)；

p(x,y,1)＝pa(x,y)；p(x,y,2)＝pb(x,y)；p(x,y,3)＝pc(x,y)。

下面结合图1对本发明的实施实例作详细说明。

本发明的装置包括：三光源1、2和3，第一合色棱镜4，第一非偏振分光棱镜5，第一准直扩束系统6，第一反射镜7，待测物体8，第二反射镜9，第二准直扩束系统10，第二非偏振分光棱镜11，第二合色棱镜12，三平面反射镜13、14和15，第三非偏振分光棱镜16，图像传感器17，计算机18，其中三光源1、2和3的波长分别为632.8nm、533nm和457nm；三平面反射镜中第一角平面反射镜13调整物光在水平方向与光轴成0°角，第二平面反射镜14调整物光在垂直方向与光轴成60°角，第三平面反射镜15调整物光在垂直方向与光轴成-60°角。该装置光的运行路径为：三光源1、2和3分别发射的光束经过第一合色棱镜4汇合成一束光，经第一非偏振分光棱镜5后分成两束；一束作为物光，依次经过第一准直扩束系统6和第一反射镜7照射在待测物体8上，经其反射后射向第三非偏振分光棱镜16；另一束作为参考光，依次经过第二反射镜9、第二准直扩束系统10、第二非偏振分光棱镜11和第二合色棱镜12后分成三基色光束，分别照射在三平面反射镜13、14和15上并被反射，再次经过第二合色棱镜12后合成一束射向第二非偏振分光棱镜11，经其反射后射向第三非偏振分光棱镜16；汇合于第三非偏振分光棱镜16的物光和参考光，在图像传感器17光接收面产生干涉，并用图像传感器17采集全息图i(x,y)上传到计算机18中。

(2)计算待测物体的复振幅ci(x,y)：

ci(x,y)＝ift{c[ft[i(x,y)]×fi]}

其中，fi表示滤波器，分别选择λa、λb和λc入射光对应的实像频谱，i＝a、b、c；ft表示傅里叶变换，ift表示逆傅里叶变换，c表示频谱置中操作；

(3)计算各个波长聚焦后的复振幅：

ci(x,y)＝as(ci(x,y),d)

其中，as()表示角谱衍射变换，d表示的是准焦距离；

(4)计算各个波长聚焦后的振幅和相位:

ai(x,y)＝abs(ci(x,y))；pi(x,y)＝angle(ci(x,y))；

其中，abs()表示取振幅操作，angle()表示取相位操作；

(5)将所得的各个波长聚焦后的振幅和相位合成彩色的振幅和相位图：

a(x,y,1)＝aa(x,y)；a(x,y,2)＝ab(x,y)；a(x,y,3)＝ac(x,y)；

p(x,y,1)＝pa(x,y)；p(x,y,2)＝pb(x,y)；p(x,y,3)＝pc(x,y)。

本发明装置三基色光束共用一个光路，结构简单紧凑，体积小，调整方便；同时因为采用黑白图像传感器，且无需特殊光学元件，成本低。