专利名称：一种可有效抑制零级和共轭像的同轴数字全息方法
技术领域：
本发明涉及全息技术领域，特别涉及一种可有效抑制零级和共轭像的同轴数字全 息方法。
背景技术：
英籍学者伽柏在研究如何提高电子显微镜的分辨本领时，首次提出了同轴全息术 的思想。同轴全息术的特点是参考光波与物光波同轴，记录光路简单，对环境和光源的相干 性要求较低。但缺点是零级衍射(即直透光)和共轭像与原物场的再现像也同轴，从而使 原物场的再现像受到很强的背景干扰，再现像质量下降。与同轴全息术相比，离轴全息术中 物光和参考光有一定的夹角，从而使全息图再现过程中的零级衍射、再现像及其共轭像彼 此分开，但离轴全息术对全息图记录光路、环境震动及记录介质的要求较高，且并不适用于 粒子场测量等领域。近年来，数字全息术逐渐成为研究的热点。数字全息术以固体成像 器件 CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合器件)或 CMOS(Complementary Metal-OxideSemiconductor，金属氧化物半导体)替代传统的银盐干板来记录全息图，通 过计算机数值模拟全息图的衍射过程，利用快速傅里叶变换算法及频谱滤波处理等获得物 光波场的振幅和相位信息，实现三维物光波场重构，避免了传统的湿化学处理过程，具有快 速、实时等优点。根据不同记录光路结构，数字全息术也分为同轴和离轴两类。同轴数字全 息术对CCD的空间分辨率要求较离轴数字全息术低，但与传统的同轴光学全息术类似，同 轴数字全息术的再现像同样受到零级衍射和共轭像的干扰，因而限制了其广泛应用。目前，同轴数字全息术主要采用相移技术、HRO相减技术或者重建过程的数值迭代 算法等，来消除数值再现像中零级衍射和共轭像的影响。相移技术要求依次记录有一定相 移差的四幅或多幅数字全息图，并通过对所记录的多幅全息图进行数值计算，以消除零级 衍射和共轭像，但在多幅全息图的记录过程中往往难以精确控制相移，且对于快速变化的 物体无法利用该方法。HRO相减技术需要利用CCD分别记录物光、参考光以及其所形成的数 字全息图，并对其进行相应的数值计算，但与相移技术类似，同样难以用于物体的动态变化 过程。重建过程的数值迭代算法通过在同轴数字全息图的数值重建过程引入迭代因子，经 过多步迭代计算获得无完全无直透光和共轭像影响的全息再现像，但是其运算复杂，多步 运算耗时较久。
发明内容
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种可有效抑制零级衍射和共轭像的 同轴全息方法，通过数字全息图记录过程的特殊设计，仅利用一幅数字全息图，并经过简单 数值运算得到抑制零级衍射和共轭像的全息再现像，克服已有方法需记录多幅全息图或者 运算复杂等缺点。
技术方案一种漫反射型物体可有效抑制零级衍射和共轭像的同轴数字全息方法，其特征在 于步骤如下步骤1，在待测物体与全息干涉图数字记录位置之间设置一个小孔，激光照射并 透过待测物体或者从待测物体表面反射的激光束通过小孔，沿同一光轴方向到达记录位置 形成物光波；该物光波在记录位置与参考光波发生干涉，形成反映待测物体的全息干涉图； 所述参考光波为与物光波相干的且光轴重合的激光光波；步骤2，以与参考光波共轭的光波作为数值模拟计算过程的再现照明光波，利用描 述光波衍射传播的菲涅尔_基尔霍夫衍射积分公式
权利要求
一种漫反射型物体可有效抑制零级衍射和共轭像的同轴数字全息方法，其特征在于步骤如下步骤1，在待测物体与全息干涉图数字记录位置之间设置一个小孔，激光照射并透过待测物体或者从待测物体表面反射的激光束通过小孔，沿同一光轴方向到达记录位置形成物光波；该物光波在记录位置与参考光波发生干涉，形成反映待测物体的全息干涉图；所述参考光波为与物光波相干的且光轴重合的激光光波；步骤2，以与参考光波共轭的光波作为数值模拟计算过程的再现照明光波，利用描述光波衍射传播的菲涅尔 基尔霍夫衍射积分公式 <mrow><mi>U</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>ξ</mi> <mo>,</mo> <mi>η</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mo>-</mo><mfrac> <mi>i</mi> <mi>λ</mi></mfrac><msubsup> <mo>∫</mo> <mrow><mo>-</mo><mo>∞</mo> </mrow> <mo>∞</mo></msubsup><msubsup> <mo>∫</mo> <mrow><mo>-</mo><mo>∞</mo> </mrow> <mo>∞</mo></msubsup><mi>h</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>R</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mfrac> <mrow><mi>exp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mfrac><mrow> <mn>2</mn> <mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi> </mfrac> <msqrt><msup> <mi>d</mi> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>-</mo><mi>ξ</mi><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><mi>y</mi><mo>-</mo><mi>η</mi><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </msqrt> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <msqrt><msup> <mi>d</mi> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>-</mo><mi>ξ</mi><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><mi>y</mi><mo>-</mo><mi>η</mi><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </msqrt></mfrac><mo>×</mo><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn> </mfrac> <mi>cos</mi> <mi>θ</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>dxdy</mi> </mrow>得到复振幅分布U(ξ，η)，其中(ξ，η)为积分公式计算得到的平面，(x，y)为待测物体的全息干涉图平面的坐标，λ为再现照明光波波长等于激光照射时激光的波长，R为再现照明光波的复振幅分布等于参考光波的复振幅的共轭，h(x，y)是全息图的复振幅透射函数等于全息干涉图的强度，cosθ是倾斜因子，d为衍射距离等于小孔到记录位置的距离；然后对复振幅分布U(ξ，η)取模值并求平方，得到衍射图样H1的强度分布；步骤3，选取衍射图样H1的低频部分对衍射图样H1进行滤波，获得滤波后的衍射图样H2；所述的低频部分为衍射图样H1的内切圆半径的1％～70％；步骤4，对衍射图样H2再次利用菲涅尔 基尔霍夫衍射积分公式计算得到有效抑制零级和共轭像的数字全息再现像的衍射图样H3；计算中衍射距离d取待测物体到小孔的距离。
2.一种透射型物体可有效抑制零级衍射和共轭像的同轴数字全息方法，其特征在于步 骤如下步骤1，以汇聚激光照射并透过待测物体到达记录位置形成物光波，该物光波在记录位 置与参考光波发生干涉，形成反映待测物体的全息干涉图；所述参考光波为与物光波相干 的且光轴重合的激光光波；所述的记录位置设置于汇聚激光照射并透过待测物体后形成的 汇聚点之后；步骤2，以与参考光波共轭的光波作为数值模拟计算过程的再现照明光波，利用描述光 波衍射传播的菲涅尔_基尔霍夫衍射积分公式Hy-η ) ！ {υ(ξ,η) = --[ Γ h(x,y)R(x,y)——fx(- + -cose)dxdy义 H^ 2+(χ-ξ)2+{γ-η)22 2得到复振幅分布υ(ξ，n)，其中(ξ，η)为积分公式计算得到的平面，(x,y)为待测 物体的全息干涉图平面的坐标，λ为再现照明光波波长等于激光照射时激光的波长，R为 再现照明光波的复振幅分布等于参考光波的复振幅的共轭，h(x，y)是全息图的复振幅透射 函数等于全息干涉图的强度，cos θ是倾斜因子，d为衍射距离等于汇聚激光照射并透过待 测物体后形成的汇聚点到记录位置的距离；然后对复振幅分布υ( ξ，η)取模值并求平方，得到衍射图样H1的强度分布；步骤3，选取衍射图样H1的低频部分对衍射图样H1进行滤波，获得滤波后的衍射图样 H2 ；所述的低频部分为衍射图样H1的内切圆半径的 70% ；步骤4，对衍射图样H2再次利用菲涅尔_基尔霍夫衍射积分公式计算得到有效抑制零 级和共轭像的数字全息再现像的衍射图样H3 ；计算中衍射距离d取待测物体到汇聚激光照 射并透过待测物体后形成的汇聚点的距离。
3. —种透射型物体可有效抑制零级衍射和共轭像的同轴数字全息方法，其特征在于步 骤如下步骤1，在待测物体与全息干涉图数字记录位置之间设置一个透镜，以平行激光照射 并透过待测物体，经过透镜汇聚后到达记录位置形成物光波；该物光波在记录位置与参考 光波发生干涉，形成反映待测物体的全息干涉图；所述参考光波为与物光波相干的且光轴 重合的激光光波；所述的记录位置设置于汇聚激光照射并透过待测物体后形成的汇聚点之 后；步骤2，以与参考光波共轭的光波作为数值模拟计算过程的再现照明光波，利用描述光波衍射传播的菲涅尔_基尔霍夫衍射积分公式/ -----CXPd-^d2 Ηχ-ξ)2+(γ-η)2) 1 1 υ(ξ,η) = — \ Γ Kx,y)R{x,y)——f=x( ;+-cos0dxdv得到复振幅分布υ(ξ，n)，其中(ξ，η)为积分公式计算得到的平面，(x,y)为待测 物体的全息干涉图平面的坐标，λ为再现照明光波波长等于激光照射时激光的波长，R为 再现照明光波的复振幅分布等于参考光波的复振幅的共轭，h(x，y)是全息图的复振幅透射 函数等于全息干涉图的强度，cos θ是倾斜因子，d为衍射距离等于汇聚激光照射并透过待 测物体后形成的汇聚点到记录位置的距离；然后对复振幅分布υ( ξ，η)取模值并求平方，得到衍射图样H1的强度分布； 步骤3，选取衍射图样H1的低频部分对衍射图样H1进行滤波，获得滤波后的衍射图样 H2 ；所述的低频部分为衍射图样H1的内切圆半径的 70% ；步骤4，对衍射图样H2再次利用菲涅尔_基尔霍夫衍射积分公式计算衍射图样H4 ；计 算中的衍射距离d取透镜到汇聚激光照射并透过待测物体后形成的汇聚点的距离；步骤5，对衍射图样H4的强度分布乘以P(U)eXp -\~(x2+y2)，其中P(x，y)为透镜的光瞳函数，_ 丄J_exp -iMx2+y2)为透镜引入的相位变换，之后继续利用菲涅尔-基尔霍夫衍射积分公式_ 丄J_计算得到有效抑制零级和共轭像的数字全息再现像的H3 ；计算中的衍射距离d取透镜到待 测物体的距离。
全文摘要
本发明涉及一种可有效抑制零级和共轭像的同轴数字全息方法，其技术特征在于针对漫反射型物体或透射型物体，通过数字全息图记录过程的特殊设计，仅利用一幅数字全息图，并经过简单数值运算得到抑制零级衍射和共轭像的全息再现像，在全息图的再现过程中，光阑或者低通滤波操作可以挡掉0级+1级以及所有高次衍射光波，仅仅让-1级衍射光波透过，从而使-1级全息像得到分离重现。相比于通常的同轴数字全息图，其再现像受到零级和共轭像的严重干扰，本方法全息再现像的效果理想，其避免了相移和HRO相减等方法不可实时性以及数值迭代算法复杂且需要多步计算等的缺点。
文档编号G01B9/021GK101957171SQ20101025831
公开日2011年1月26日 申请日期2010年8月19日 优先权日2010年8月19日
发明者赵建林, 邸江磊 申请人:西北工业大学