基于相移干涉的数字全息图采集处理方法
【专利摘要】一种基于相移干涉的数字全息图采集处理方法，包括如下步骤：搭建数字全息图采集平台；预先记录参考光强度；利用相机记录第一幅数字全息图；引入任意微相移，利用相机记录第二幅数字全息图；提取物体振幅信息；提取物体相位信息；对数字全息图进行再现与显示。本发明优点如下：采用同轴装置记录真实存在物体，相比离轴装置，记录条件宽松，记录带宽大；采用两步相移替代固定步长的多步参考光相移，其操作简便，对于记录装置稳定性要求宽松，便于搭建固定的采集系统；采用数值计算的方式代替物体光强的记录，降低了记录的复杂性，节省了成本；采用正交标准化算法，可准确提取干涉图的相位信息，能较好地兼顾图像质量和实时性。
【专利说明】基于相移干涉的数字全息图采集处理方法
【技术领域】
[0001]本发明属于全息摄影【技术领域】，具体涉及一种数字全息技术中的相移干涉、数字处理等相关方法。
【背景技术】
[0002]数字全息Digital holography (DH)是采用电荷稱合器件记录和处理三维物体信息的技术。相对于光学全息，数字全息不需要光学干板记录和定影等复杂操作，并且由电荷耦合器件直接记录物体信息，为实时记录与再现真实的三维彩色物体提供了可能。
[0003]该技术现存在的主要问题，是关于如何降低或消除直流项和共轭像，从而提高再现像质量。本发明正是针对于解决此问题，参考文献I由美国科学家提出了一种利用两步正交相移干涉解决再现像质量的问题，称之为正交相移数字全息，本发明针对这种数字全息技术，对其进行改进，参考文献2是其中使用到数字处理的方法抑制数字全息再现像中的零级光斑。整体系统接近于参考文献3所述。
【发明内容】
[0004]术语:相移数字全息技术Phase-shiftingDigital Holography (PSDH),数值抑制Numerical Suppression,相位提取 Phase determination。
[0005]本发明的目的是提供一种新的混合优化方法，用以提高数字全息技术在采集和再现过程中图像质量的问题。
[0006]具体技术方案如下:
[0007]一种基于相移干涉的数字全息图采集处理方法，包括如下步骤:
[0008]I)搭建数字全息图采集平台；
[0009]2)预先记录参考光强度；
[0010]3)利用相机记录第一幅数字全息图；
[0011]4)引入任意微相移，利用相机记录第二幅数字全息图；
[0012]5)提取物体振幅信息；
[0013]6)提取物体相位信息；
[0014]7)对数字全息图进行再现与显示。
[0015]优选的:
[0016]步骤I)的做法是:建立基于马赫-曾德尔干涉仪的图像采集平台。
[0017]步骤2)的做法是:将相机放置在参考光光路的末端，记录参考光强度。
[0018]步骤3)的做法是:将相机放置在物光和参考光干涉后的末端，记录第一幅全息图。
[0019]步骤4)的做法是:调节参考光光路上的相移片，获得任意相移，重新按照步骤3)的方法记录第二幅全息图。
[0020]步骤5)的做法是:根据预先记录的参考光强度图和两幅数字全息图，采用数字处理方法提取物体振幅信息。
[0021]步骤6)的做法是:根据预先记录的参考光强度图和两幅数字全息图，采用正交归一化方法提取物体相位信息。
[0022]步骤7)的做法是:将获得的物体振幅和相位信息进行菲涅尔衍射，获得物体的再现图。
[0023]通过本发明所提供的方案，有效地将相移全息和数字处理方法引入数字全息技术中，其优点如下:(I)采用同轴装置记录真实存在物体，相比离轴装置，记录条件宽松，记录带宽大；(2)采用两步相移替代固定步长的多步参考光相移，其操作简便，对于记录装置稳定性要求宽松，便于搭建固定的采集系统；(3)采用数值计算的方式代替物体光强的记录，降低了记录的复杂性，节省了成本；(4)采用正交标准化算法，可准确提取干涉图的相位信息，能较好地兼顾图像质量和实时性。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1数字全息采集方法示意图
[0025]其中Syn:同步控制装置；CCD:电荷耦合器件；M:反射镜；Retarder:光延迟片；PBS:偏振分束镜；0bject:被记录物体；Lens:准直透镜;BE，扩束镜;BS，分束镜；Filter:空间光滤波器；Laser:激光器。
[0026]图2被记录物体示意图
[0027]图3记录的参考光强度图、零相移数字全息图、任意微相移数字全息图
[0028]图4本方法提取所得振幅、相位和再现图
【具体实施方式】
[0029]本发明的【具体实施方式】如下:
[0030]I)搭建数字全息图采集平台；
[0031]搭建数字全息图采集平台，采用线偏振光源，将物光和参考光光程差调节到接近零，光轴与光学平台平面平行，物光与参考光之间的夹角为零，物光和参考光的光强比接近一比一。其中参考光光路上放置可调节的相移片，初始相移为零。采集平台如图1所示。其中经分束器BS往下偏折的光路表示物光光路，经BS直接透射的光路表示为参考光光路，Retarder表示为可调节光延迟片，其具体操作后续步骤会详细说明。实线的相机代表记录数字全息图时候的摆放位置，虚线的相机代表预先拍摄参考光强度时的相机位置，后续步骤会详细说明。
[0032]2)预先记录参考光强度；
[0033]布置好拍摄光路后，遮挡物光光路，将相机放置到参考光光路末端(如图1中虚线的(XD所示位置)，记录参考光光强Ik。
[0034]3)利用相机记录第一幅数字全息图；
[0035]选取物体或场景进行图像采集，采集平台与物体距离(即记录距离)须根据相机的解像度和物体尺寸计算得到最小值，以满足奈奎斯特采样定理。定义获得的第一幅数字全息图表达式为
[0036]I1- α\Λ- O10jT 2aRaQ cos φ0(I)
[0037]其中，I1表不相机米集得到的第一幅全息图的光强％表不米集该全息图时的参
考光光强，其数值由Ir表不，<4表不物光光强，a。表不物体的振幅信息1P表不物体的相位信息。
[0038]4)引入任意微相移，同时利用相机记录第二幅数字全息图；
[0039]使用同步装置Syn调节参考光光路中的相移片，得到任意相移并同步触发
CCD按照步骤3)中的方法记录第二幅数字全息图。定义获得的第二幅数字全息图表达式为
[0040]
I2 = a2R+ O10 + 2aRaQ cos(<^0 + ?^φ)(2)
[0041]其中，I2表示相机采集得到的第二幅全息图的光强。
[0042]5)提取物体振幅信息；
[0043]利用任意两步相移得到的两幅全息图，以及预先记录的参考光光强，可以计算到物光的光强'对其开方即可得到物体的振幅信息部分推导过程参见参考文献2。
【权利要求】
1.一种基于相移干涉的数字全息图采集处理方法，其特征是，包括如下步骤: 1)搭建数字全息图采集平台； 2)预先记录参考光强度； 3)利用相机记录第一幅数字全息图； 4)引入任意微相移，利用相机记录第二幅数字全息图； 5)提取物体振幅信息； 6)提取物体相位信息； 7)对数字全息图进行再现与显示。
2.如权利要求1所述的数字全息图采集处理方法，其特征是，步骤I)中，建立基于马赫-曾德尔干涉仪的图像采集平台。
3.如权利要求1所述的数字全息图采集处理方法，其特征是，步骤2)中，将相机放置在参考光光路的末端，记录参考光强度。
4.如权利要求1所述的数字全息图采集处理方法，其特征是，步骤3)中，将相机放置在物光和参考光干涉后的末端，记录第一幅全息图。
5.如权利要求1所述的数字全息图采集处理方法，其特征是，步骤4)中，调节参考光光路上的相移片，获得任意相移，重新按照步骤3)的方法记录第二幅全息图。
6.如权利要求1所述的数字全息图采集处理方法，其特征是，步骤5)中，根据预先记录的参考光强度图和两幅数字全息图，采用数字处理方法提取物体振幅信息。
7.如权利要求1所述的数字全息图采集处理方法，其特征是，步骤6)中，根据预先记录的参考光强度图和两幅数字全息图，采用正交归一化方法提取物体相位信息。
8.如权利要求1所述的数字全息图采集处理方法，其特征是，步骤7)中，将获得的物体振幅和相位信息进行菲涅尔衍射，获得物体的再现图。
【文档编号】G03H1/22GK103955126SQ201410207345
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月16日 优先权日:2014年5月16日
【发明者】杨光临, 庄重 申请人:北京大学