一种基于均值梯度函数的光学扫描全息自聚焦方法与流程

本发明涉及光学扫描全息领域与自聚焦领域，具体来说，涉及一种基于均值梯度函数的光学扫描全息自聚焦方法。

背景技术：

光学扫描全息技术，是数字全息技术中的一个重要分支，该技术利用了光学外差技术和扫描全息技术，极大的提高了扫描全息图像的分辨率，1979年，Poon和Korpel首次提出这个概念。到目前为止，该技术已经有了广泛的应用，像全息图像加密，扫描全息显微镜，图像识别等领域。

在全息技术的领域中，全息图的重建一直是一个研究热点，而对于全息重建技术而言，获取物体的轴向重建距离又至关重要。因此近年来，人们在这一环节做了很多相关的工作。

文献《Blind sectional image reconstruction for optical scanning holography》一文中提出对盲重建图像进行边缘检测，然后通过边缘数来实现全息图像的自聚焦。边缘数检测易受阈值设定的影响，且检测到的聚焦位置精度不高。

文献《Autofocusing of optical scanning holography based on entropy minimization》一文中提出基于最小熵来实现全息图像的自聚焦，但当全息图中目标轴向距离相隔很近时，最小熵不再适用，且不能解决重叠物体的自聚焦问题。

文献《Enhanced Autofocusing in Optical Scanning Holography Based on Hologram Decomposition》一文中提出基于全息图分解和最小熵来解决轴向距离相隔很近的问题。但是操作过程过于繁琐，计算复杂，且不能解决重叠物体的自聚焦问题。

本发明基于以上问题，提出了一种基于均值梯度函数的光学扫描全息自聚焦方法，并且可以解决全息图像中重叠物体的自聚焦问题。

技术实现要素：

本发明的目的提出一种聚焦指标，利用NAG(均值梯度函数)对图像的细节和纹理特征变化的敏感性质，很好的解决了全息图像的自聚焦问题，相比背景技术中提到的方法，NAG计算简单，精确度高，并且可以解决重叠物体的自聚焦问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方法是：

一种基于均值梯度函数的光学扫描全息自聚焦方法，包括以下步骤：

步骤1：第一偏振分束器将激光源发出的光分为两束，第一束光通过第一光瞳函数形成球面波，第二束光通过第二光瞳函数形成平面波，两束光经过第二偏振分束器聚光后干涉形成菲涅尔波带板，菲涅尔波带板再经过扫描振镜反射，对物体进行扫描，光电转换器接收透过物体的光，经过调制解调获取物体的全息图像；

其中第一光瞳函数为矩形1函数，第二光瞳函数为狄拉克δ函数器件；

步骤2：对重建范围[l1，l2]进行n等分，其中l1，l2分别表示重建距离的上界和下界，n为正整数，将步骤1得到的全息图像进行傅里叶变换后，与点扩散函数的空间域表达式的傅里叶变换的共轭相乘，经过傅里叶逆变换得到相应的重建图像；

步骤3：分别计算每一个重建图像的NAG值，NAG值的最大值所对应的重建距离z为最后得到物体的聚焦位置。

进一步的，步骤2等步长重建的具体过程如下：

步骤2-1：将重建范围[l1，l2]进行n等分，重建步长Δτ为

其中，l1，l2分别表示重建距离的上界和下界；

步骤2-2：将步骤1得到的全息图像H(x，y)进行傅里叶变换后，分别与对应重建距离点扩散函数的空间域表达式h(x，y；zp)的傅里叶变换的共轭相乘，经过傅里叶逆变换，即可得到相应的重建图像

I(x，y；zp)＝f^-1{f{H(x，y)}×f^*{h(x，y；zp)}} (2)

其中，zp＝l1+Δτ×(p-1)，p＝1，2...，n，zp表示第p个重建距离，*表示共轭，f和f^-1分别表示傅里叶变换和傅里叶逆变换，λ表示激光波长，x和y表示空间坐标。

步骤3计算NAG值的具体过程如下：

3-1.利用步骤2获取的重建图像I(x，y；zp)，p＝1，2，3...n，分别计算每一个重建图像的NAG值

其中，图像尺寸为M×N，1≤r≤M，1≤c≤N，fx(r，c)为I(x，y；zp)在x方向上的一阶偏导数，fy(r，c)为I(x，y；zp)在y方向上的一阶偏导数；

3-2.步骤3-1中所求得的n个NAG值中，NAG最大值所对应的重建距离z为最后得到物体的聚焦位置。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提供了一种图像质量评价函数，这种评价函数对图像的细节和纹理特征比较敏感，适合用来评价图像的清晰度，图像越清晰NAG值越大。

(2)本发明提出的均值梯度函数，相比于最小熵而言，可以解决重叠物体的自聚焦问题，且有更高的轴向分辨率。

(3)本发明不仅能够处理单个目标的全息图像自聚焦，而且可以解决复杂全息图的自聚焦问题。

(4)本发明不仅实现方式简单、而且处理精确图像问题时的效果非常好，实用性强，适合推广。

附图说明

图1为本发明提供的方法流程示意图；

图2为本发明实施例中采用的基本结构图；

图3中(a)为本发明实施例一中待测的第一层切片，(b)为本发明实施例一中待测的第二层切片；

图4为本发明实施例一中由待测对象得到的全息图；

图5为本发明实施例一的自聚焦过程；

图6中(a)为本发明实施例一中第一层切片重建后的图像，(b)为本发明实施例一中第二层切片重建后的图像；

图7中(a)为本发明实施例二中待测的第一层切片，(b)为本发明实施例二中待测的第二层切片；

图8为本发明实施例二中由待测对象得到的全息图；

图9为本发明实施例二的自聚焦过程；

图10中(a)为本发明实施例二中第一层切片重建后的图像，(b)为本发明实施例二中第二层切片重建后的图像。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例一：

本发明实施例流程如图1所示，所采用的基本结构如图2所示，其中He-Ne激光器Laser的波长λ＝632.8nm，两个凸透镜(L1、L2)的焦距都为400mm，实施例一的待测物体如图3所示，切片物体的横截面矩阵尺寸为300×300。实施例一的重建范围为[7mm，9mm]，n＝400按照如下步骤即可实现全息图像的自聚焦过程：

步骤1：获取全息图像

如图2所示，He-Ne激光器光源发出的角频率为ω0的光被第一偏振分束器BS1分成两束，其中第一光束通过第一光瞳函数形成球面波；第二光束经过声光调制器产生Ω的频移后再通过第二光瞳函数形成平面波；两束光经第二偏振分束器BS2聚合后在待测物体前干涉形成菲涅尔波带板，菲涅尔波带板再经过扫描振镜反射，对图3中的物体进行扫描，由光电转换器接收透过物体的光，经过调制解调，最后得到图4所示的全息图像。其中第一光瞳函数为矩形1函数，第二光瞳函数为狄拉克δ函数器件。

步骤2：等步长重建

本实例中重建范围为[7mm，9mm]，n＝400，按照如下方式进行重建

I(x，y；zp)＝f^-1{f{H(x，y)}×f^*{h(x，y；zp)}} (5)

其中，zp＝l1+Δτ×(p-1)p＝1，2...，n，将重建范围和n代入公式可得zp＝7+0.0050×(p-1)p＝1，2，...，400，zp表示第p个重建距离，z的单位为毫米，*表示共轭，h(x，y；zp)为点扩散函数的空间域表达式，f和f^-1分别表示傅里叶变换和傅里叶逆变换，H(x，y)为获得的全息图像，λ表示激光波长，x和y表示空间坐标。

步骤3：计算重建图像的NAG值

依次计算重建图像I(x，y；zp)，p＝1，2，3，...，400的NAG值，对NAG归一化处理后，画出重建距离z与NAG值的图像，最后得到物体的聚焦位置。

图6中(a)为本发明实施例一中第一层切片重建后的图像，(b)为本发明实施例一中第二层切片重建后的图像；均值梯度函数可以精准的实现全息图像的自聚焦，重建后的图像清晰度高，还原性好。

实施例二

实施例二中的He-Ne激光器Laser的波长λ＝632.8nm，两个凸透镜(L1、L2)的焦距都为400mm，实施例二的待测物体如图7所示，切片物体的横截面矩阵尺寸为300×300。实施例二的重建范围为[7mm，9mm1，n＝400；

图8为实施例二中由待测对象得到的全息图；图9为本发明实施例二的自聚焦过程；图10中(a)为实施例二中第一层切片重建后的图像，(b)为实施例二中第二层切片重建后的图像。均值梯度函数的对全息图中重叠物体同样可以实现精准的自聚焦，重建后的图像同样具有高清晰度。