一种基于高斯切趾的光学扫描全息边缘检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学扫描全息领域与图像重建领域，具体来说，涉及一种基于高斯光 束切趾的螺旋相位板光学扫描全息边缘提取方法。
【背景技术】
[0002] 光学扫描全息技术，简称0SH，它通过光学扫描技术将3维物体的信息存储为2维 的全息图。这项技术是在1979年，Poon和Korpel在他们的声光外差图像处理器中调研双 极连续图像过程的时候提出。自该项技术提出以来，已经在扫描全息显微镜、3D图像识别以 及3D光学遥感等领域得到了广泛的应用。
[0003] 边缘提取在图像预处理过程中是一项重要的技术，它属于图像底层特征提取，而 图像底层图像提取同时也是计算机视觉算法的重要基础。因此，它在计算机视觉中也具有 重要的研究价值。研究证明，通过螺旋相位板进行径向希尔伯特变换可以实现对图像各项 同性的边缘提取，但是由于螺旋相位板产生的涡旋光束因衍射而存在很多旁瓣，从而导致 图像边缘提取的效果变差。
[0004] 文献〈〈Edgeextractionusingatime-varyingvortexbeaminincoherent digitalholography》提出了利用螺旋相位板产生润旋光束在OSH系统中对物体进行边缘 提取的方法，并通过移动螺旋相位板的位置获得了较好的边缘提取效果。但改进的方法并 没有给出一个合理的物理解释，缺乏理论基础。
[0005] 文献《RadialHilberttransformwithLaguerre-Gaussianspatialfilters》 提出利用拉盖尔高斯滤波来抑制涡旋光束旁瓣的方法，在一定程度上提高了边缘提取的分 辨率，但是抑制比不高。
[0006] 文献〈〈ImageedgeenhancementinopticalmicroscopywithaBessel-like amplitudemodulatedspiralphasefilter》提出了利用类贝塞尔滤波来抑制旁瓣，抑制 旁瓣的效果优于拉盖尔高斯，有效地提高了边缘提取的效果，但其依然有较少的衍射噪声 没有被滤除。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于抑制润旋光束的旁瓣，提出一种基于高斯切趾的光学扫描全息 边缘检测方法，该方法通过控制螺旋相位板的半径R，使得涡旋光束的旁瓣被高斯光束切 趾，从而极大抑制旁瓣，同时，本发明改进了涡旋光束的频域表达式，由此提高系统边缘提 取的分辨率。
[0008] 本发明采用的技术方法是：
[0009] -种基于高斯切趾的光学扫描全息边缘检测方法，其流程如图1所示，包括以下 步骤：
[0010] 步骤1.第一偏振分束器将激光分为两束，两束光分别通过两个不同的光瞳后，经 过第二偏振分束器聚光后干涉形成涡旋光束；其中第一光瞳为螺旋相位板，所述螺旋相位 板可由液晶空间光调制器实现；第二光瞳为狄拉克S函数器件；
[0011] 步骤2.调节螺旋相位板的半径，使得所生成的涡旋光束的旁瓣被完全抑制；
[0012] 步骤3.将旁瓣被抑制的涡旋光束对待测物体进行扫描，并利用光电检测器接收 扫描后的光信息，从而获得待测物体的全息图信息H。；
[0013] 步骤4.将所得的全息图信息做傅里叶变换后，与传统光学传递函数的频域表达 式的共轭相乘，最后经过逆傅里叶变换，即可得到包含待测物体边缘的切片信息。
[0014] 进一步的，步骤1形成涡旋光束的具体过程如下：
[0015] 1-1?第一偏振器将激光分成两束；
[0016] 1-2. -束光通过螺旋相位板形成润旋光，另一束光通过第二光瞳形成平面波；螺 旋相位板通常定义如下：
[0017] ⑴
[0018] 其中，R表示螺旋相位板的半径，P和供表示傅里叶平面的极坐标，表示环 形孔函数；经傅里叶变换后为点扩散函数，通常定义为如下：
[0019]
[0020]其中，x= 2RV(入f)，入表示光波波长，f表示凸透镜的焦距，R表示螺旋相位 板的半径，Jc和J:分别表示贝塞尔的零阶和一阶函数，H。和Hi分别表示司徒鲁夫的零阶和 一阶函数；
[0021] 1-3.两束光通过第二偏振分束器聚合，汇聚后的光束在待测物表面干涉形成时变 的涡旋光束，该涡旋光束的频域表达式如下：
[0022]
[0023] 其中，z表示2D扫描镜与待测物体间的距离，f表示凸透镜的焦距，知表示波 /U- 数（入为激光波长），1和1表示频域坐标，/<(.\%>〇表示螺旋相位板点扩散函数11&，0) 的共轭；
[0024] 在实际的情况下，激光光束不可能为理想的平面波，其光强的空间分布通常为高 斯分布，可以表示如下：
[0025]
[0026] 其中，表示高斯光束的腰；因此，第二光瞳p2(x，y)可以表示为：
[0027]
[0028] 其中，《p= ，入表示激光波长，f表示凸透镜的焦距；
[0029] 考虑到激光光强是高斯分布，由公式（3)_(5)，可以得到修正后的涡旋光束的频域 表达式：
[0034] 通过比较（3)式与（6)式，可以看出高斯光束相当于一个高斯滤波器；光束经过螺 旋相位板时，由于衍射而产生了较多旁瓣，这些旁瓣将因高斯光束的尺寸限制而被滤除，从 而提_获得边缘的分辨率；
[0035] 步骤3实现的具体步骤如下：
[0036] 3-1.涡旋光束对待测物体进行二维扫描，得到待测物的二维全息图：
[0037]
[0038]其中，|rQ(X，y;Z) |2表示待测物的复振幅函数；
[0039] 步骤4实现的具体步骤如下：
[0040] 将全息图与传统光学传递函数的共轭相乘，以求解包含物体边缘的切片信息：
[0041] Tr(x,y；z) |2=FMFtHjX0TF*(kx,ky；z)},
[0042] 其中，F1和F分别表示傅里叶逆变换和傅里叶变换；传统光学传递函数为pi(x，y) =1且p2 (x,y) =S(x,y)时的光学传递函数：
[0043]
[0044] 本发明的有益效果是：
[0045] (1)本发明使用了光学扫描全息技术，通过涡旋光束扫描实现对待测物体的高分 辨边缘提取，边缘提取技术应用范围包括生物、机械、光学、电学类等，因此本发明适用于各 个领域，应用范围非常广；
[0046] (2)本发明利用激光光束本身固有的高斯强度分布实现对涡旋光束旁瓣的抑制， 是从根本上提高边缘提取分辨率的技术手段；
[0047] (3)本发明只需要调节涡旋光束的半径R，即可实现旁瓣的有效抑制；且本发明提 出了修正后的涡旋光束的频域表