一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置及方法
【技术领域】
[0001] 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光谱成像装置及方法。
【背景技术】
[0002] 全息成像是带有真实维度的成像技术，是真正意义上的3D成像技术。传统全息 术受制于对光源相干性及防震等条件的严苛要求而无法得到更广泛的应用。随着高分辨 率CCD (或CMOS)的出现，结合不同的分光方式，各种非相干数字全息技术应运而生。最为 典型的是2007年J. Rosen提出的菲涅耳非相干相关数字全息术（Fresnel Incoherent Correlation Digital Holography，FINCH)，它采用纯相位空间光调制器（SLM)将来自于3D 物体表面上每一点发出的光分成两束自相干的光，这两束光相互干涉并与其它物点的自干 涉图形非相干叠加后被CCD记录生成全息图，在计算机中对全息图处理后得到物体的3D再 现像。FINCH系统中为了获得部分时间相干光束需引入一个窄带滤光片，因此，严格意义上 来说FINCH系统是准单色系统，只能得到物体的单色3D像，无法得到物体的光谱信息。而 传统光谱成像技术是2D成像技术与光谱技术的有机结合，能同时获得物体的光谱信息和 2D像，对实现物体的3D成像无能为力。
【发明内容】
[0003] 本发明提出一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置及方法，同时获得 物体的三维空间信息和光谱信息，解决上述现有技术中存在的问题。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案： 一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置，其特征在于：包括白光光源、第一 立方分束器、3D待测物体、可调滤波器、偏振片、准直透镜、第二立方分束器、反射式空间光 调制器、高分辨率单色CCD、一维精密位移台以及计算机，其中，所述高分辨率单色CCD被 固定在所述一维精密位移台上；所述计算机通过数据线与所述可调滤波器、所述反射式空 间光调制器、所述高分辨率单色CCD以及所述一维精密位移台连接，并且控制所述可调滤 波器、所述反射式空间光调制器、所述高分辨率单色CCD以及所述一维精密位移台； 其中，所述白光光源发出的光照在所述第一立方分束器上，经所述第一立方分束器反 射后照射到所述3D待测物体上，经所述3D待测物体的表面反射的光再次经过所述第一立 方分束器后，进入所述可调滤波器，经所述可调滤波器后成为准单色光，然后再通过偏振片 后变为单色线偏振光，该单色线偏振光经准直透镜准直后变成准直的单色偏振光，再依次 通过所述第二立方分束器和所述反射式空间光调制器，所述反射式空间光调制器将入射的 准直的单色偏振光进行波面变换并分成两束自相干的光，并且所述计算机控制所述高分辨 率单色CCD记录由所述两自相干的光生成的干涉条纹。
[0005] 所述白光光源为连续谱白光光源，以及所述白光光源（1)固定在平台上。
[0006] 所述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。
[0007] 所述可调滤波器的波长的调整范围为：420nm~720nm，带宽为20nm ;所述反射式空 间光调制器分辨率为1920\1080，光谱范围为：42011111~70011111。
[0008] 所述高分辨率单色C⑶有效像素为：1344X 1024,像素尺寸6.45 μ mX 6.45 μ m，波 长响应范围：300nm~1000nm。
[0009] 所述计算机控制所述可调滤波器改变成像波长，控制所述一维精密平移台调节所 述反射式空间光调制器和所述高分辨率单色CCD之间的距离，记录不同波长处的干涉条 纹。
[0010] 一种使用权利要求1所述的一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置
【主权项】
1. 一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置，其特征在于：包括白光光源 (1)、第一立方分束器（2)、3D待测物体（3)、可调滤波器（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(XD(9)、一维精密位移台（10) 以及计算机（11)，其中，所述高分辨率单色CCD(9)被固定在所述一维精密位移台（10)上； 所述计算机（11)通过数据线与所述可调滤波器（4)、所述反射式空间光调制器（8)、所述高 分辨率单色(XD(9)以及所述一维精密位移台（10)连接，并且控制所述可调滤波器（4)、所 述反射式空间光调制器（8)、所述高分辨率单色(XD(9)以及所述一维精密位移台（10); 其中，所述白光光源（1)发出的光照在所述第一立方分束器（2 )上，经所述第一立方分 束器（2 )反射后照射到所述3D待测物体（3 )上，经所述3D待测物体（3 )表面反射的光再次 经过所述第一立方分束器（2)后，进入所述可调滤波器（4)，经所述可调滤波器（4)后成为 准单色光，然后再通过偏振片（5 )后变为单色线偏振光，该单色线偏振光经准直透镜（6 )准 直后变成准直的单色偏振光，再依次通过所述第二立方分束器（7)和所述反射式空间光调 制器（8)，所述反射式空间光调制器（8)将入射的准直的单色偏振光进行波面变换并分成 两束自相干的光，并且所述计算机控制所述高分辨率单色CCD(9)记录由所述两自相干的 光生成的干涉条纹。
2. 根据权利要求1所述的一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置，其特征 在于：所述白光光源（1)为连续谱白光光源，以及所述白光光源（1)固定在平台上。
3. 根据权利要求1所述的一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置，其特征 在于：所述偏振片（5)的偏振方向与所述反射式空间光调制器（8)的偏振方向一致。
4. 根据权利要求1所述的一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置，其特征 在于：所述可调滤波器（4)的波长的调整范围为：420nm~720nm，带宽为20nm;所述反射式空 间光调制器（8)分辨率为1920X1080,光谱范围为：420nm~700nm。
5. 根据权利要求1所述的一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置，其特征 在于：所述高分辨率单色(XD(9)有效像素为：1344X1024,像素尺寸6. 45ymX6. 45ym， 波长响应范围：300nm~1000nm。
6. 根据权利要求1所述的一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置，其特征 在于：所述计算机（11)控制所述可调滤波器（4)改变成像波长，控制所述一维精密平移台 (10)调节所述反射式空间光调制器（8)和所述高分辨率单色(XD(9)之间的距离，记录不 同波长处的干涉条纹。
7. -种使用权利要求1所述的基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置的三维 光谱成像方法，其特征在于：包括以下步骤： 打开计算机（11)，利用计算机制作波长处相位常数分别为〇，
-的三个相位掩膜板；然后将相位掩模加载在反射式空间光调制器（8)上，相位掩 模采取双透镜模式，双透镜的焦距分别为和，加载方式为随机； 调节空间光调制器（8)和高分辨率单色(XD(9)之间的初始距离，
打开白光光源（1)、可调滤波器（4)、反射式空间光调制器（8)、高分辨率单色(XD(9); 通过计算机（11)控制可调滤波器（4)的初始输出波长，反射式空间光调制器（8) 上分别加载步骤1中制作的三个相位掩膜板，高分辨率单色CCD(9)依次拍摄对应三个相位 掩模板的三张全息图，将三张全息图进行线性处理，消除孪生像和〇级像后，得到波长入_ 处的复全息； 通过计算机（11)控制可调滤波器（4)输出下一波长调节高分辨率单色(XD(9)与 反射式空间光调制器（8)之间的距离f|，所述距离，
，重复步骤4后面的步 骤，得到成像波长范围内每一波长处的复全息; 根据公式
其中再现距
为准 直透镜焦距，为待测物体（3)与准直透镜（6)间的距离，^为准直透镜（6)与反射式空间 光调制器（8)之间的距离，在计算机（11)中编程获得同一物平面(J3)的光谱像，改变2^获 得3D待测物体其他平面处的光谱像。
8. 根据权利要求7所述的三维光谱成像的方法，其特征在于：所述计算机（11)控制所 述可调滤波器（4)输出的波长的范围为：420nm~720nm，带宽为20nm;所述反射式空间光 调制器（8)分辨率为1920X1080,光谱范围为：420nm~700nm。
9. 根据权利要求7所述的三维光谱成像的方法，其特征在于：所述高分辨率单色CCD (9)有效像素为：1344X1024,像素尺寸6. 45ymX6. 45ym，波长响应范围：300nm~1000nm。
10. 根据权利要求7所述三维光谱成像的方法，其特征在于：所述X_为成像光谱的最 大波长。
【专利摘要】本发明公开一种基于非相干数字全息技术的三维光谱成像装置及方法。本装置包括白光光源、第一立方分束器、待测物体、可调滤波器、偏振片、准直透镜、第二立方分束器、空间光调制器、高分辨率单色CCD、一维精密位移台和计算机。第一立方分束器将来自光源的光反射至3D待测物体，物体反射的光再经第一立方分束器进入可调滤波器、偏振片和准直透镜；经准直透镜准直后的单色光经第二立方分束器后进入空间光调制器，经空间光调制器衍射分束后变成两束自相干的光；再次经第二立方分束器后由高分辨率单色CCD采集干涉图像。可调滤波器、空间光调制器、高分辨率单色CCD和一维精密位移台通过软硬件连接，实现时序控制。该装置及方法能实现物体的3D光谱成像。
【IPC分类】G03H1-04
【公开号】CN104777737
【申请号】CN201510199293
【发明人】马凤英, 郭茂田, 王俊俏, 弓巧侠, 杜艳丽, 梁二军
【申请人】郑州大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月24日