基于涡旋透镜的相移数字全息单次曝光成像装置及方法与流程

本发明属于数字全息成像，特别是一种基于涡旋透镜的相移数字全息单次曝光成像装置及成像方法。

背景技术：

数字全息是一种利用图像传感器和计算机记录和重构物体复振幅分布的技术，该技术因在显微成像、三维显示和物体识别等方面的潜在应用而备受关注。在显微成像中，数字全息技术的三维体积成像可实现超焦深显微术；在三维显示中，数字全息技术能够记录物光波的振幅和相位信息，能够在线显示包含物体全部信息的三维像；在物体识别中，数字全息技术可利用相移数字全息或同轴数字全息重构得到一幅或多幅物体重构振幅像，进而组成非线性滤波器对多物体进行相关识别。数字全息技术在各个领域中的应用日益增加，而对数字全息成像装置和成像方法的研究也日趋重要。

在数字全息中，最重要的是防止重建的图像被零级项和共轭项模糊。虽然已经有多种方法能够有效地消除或抑制重构图像中的这些项，但相移技术由于充分利用了探测器阵列的空间带宽积，已经成为应用最为广泛的方法之一。1979年，l.m.frantz等提出了相移全息技术，这种技术不仅能够充分利用成像探测器的空间带宽积，还能够快速实时地实现被测物体的准确再现，能够有效抑制探测样品图像中的共轭像，提高干涉全息图的质量，得到高保真度的重构物体复振幅图像。一般情况下，相移数字全息技术需要通过二、三或四等多次曝光获得一幅以上的全息图，且重构误差随着曝光次数的增加而增加，因此单次曝光相移数字全息是最好的选择。除此以外，单次曝光相移数字全息技术可以避免多次操作带来的误差，可以抑制空气湍流和系统振动，大大提高成像装置的鲁棒性。

太赫兹波是频率在0.1到10thz范围内的电磁波，在电磁波谱中位于微波和红外之间，在生物检测、安全检测、通信技术等科学领域有着巨大的潜在价值；x射线是波长介于0.01到范围内的电磁波，在电磁波谱中介于紫外线和γ射线之间，在医学成像诊断、x射线结晶学、x射线治疗等领域有着巨大的应用价值。本装置所使用的涡旋聚焦透镜是振幅型元件，它可用于包括x射线到太赫兹波段在内的相干波段，且成本低、使用效率高。

技术实现要素：

本发明提供一种基于涡旋透镜的相移数字全息单次曝光成像装置及方法，以实现快速、实时的重构物体复振幅图像，该方法通过简单地记录一副干涉全息图再利用多步相移数字全息算法快速重构物体复振幅图像。该方法能够充分利用成像探测器的空间带宽积，能够有效抑制再现结果中的共轭像，明显提高被测物体的重构像的质量；且该方法能够避免多次操作带来的误差，抑制空气湍流和系统振动，大大提高成像装置的鲁棒性。

本发明的技术解决方案

一种基于涡旋透镜的相移数字全息单次曝光成像装置，其特点在于,包括光源、分束器、涡旋聚焦透镜、针孔、第一聚焦透镜、第一反射镜、合束器、第一三维平移台、固定在该第一三维平移台上的成像探测器、第二反射镜、扩束器、供被测物体放置的第二三维平移台、第二聚焦透镜、分束光栅、第三聚焦透镜和计算机；

所述的光源发出的光脉冲经过所述的分束器分为透射光束和反射光束，透射光束作为参考光束，反射光束作为物光束；

所述的参考光束经过所述的涡旋聚焦透镜和针孔到达所述的第一聚焦透镜，经第一聚焦透镜准直后的光束经过所述的第一反射镜反射后到达所述的合束器，并通过合束器反射进入所述的成像探测器；

所述的物光束经所述的第二反射镜反射后到达所述的扩束器，经扩束器扩束后的光束入射到所述的被测物体，经该被测物体透射后，依次经所述的第二聚焦透镜、分束光栅和第三聚焦透镜后到达所述的合束器，并透过合束器进入所述的成像探测器；经所述的扩束器扩束后的光束能够覆盖所述的被测物体；

所述的涡旋聚焦透镜、针孔和第一聚焦透镜构成第一4f系统，且所述的针孔放置在该第一4f系统的频谱面上；

所述的第二聚焦透镜、分束光栅和第三聚焦透镜构成第二4f系统，且所述的分束光栅放置在该第二4f系统的频谱面上，所述的被测物体放置于该第二4f系统的物面上，所述的成像探测器放置于该第二4f系统的像面后方光路上；

所述的成像探测器的输出端与所述的计算机的输入端连接；

所述的计算机具有相应数据记录采集与处理软件，用来记录干涉全息图与数据处理。

所述的涡旋聚焦透镜为具有所需拓扑荷的圆涡旋聚焦透镜或椭圆涡旋聚焦透镜，用于产生不同拓扑荷和离心率的涡旋参考光束。

所述的分束光栅为分束光栅、正交光栅或具有分束功能的空间光调制器。

所述的成像探测器为ccd探测器、cmos图像传感器或热电阵列相机。

所述的被测物体为分辨率板或生物样品。

利用所述的基于涡旋透镜的相移数字全息单次曝光成像装置对被测物体复振幅图像的重构方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

1)开启光源，所述的光源发出的光脉冲经所述的分束器透射的光束作为参考光束，由涡旋聚焦透镜、针孔和第一聚焦透镜构成第一4f系统，所述的参考光束透过该第一4f系统后形成涡旋光束，该涡旋光束经所述的第一反射镜反射后到达所述的合束器，并通过合束器反射后进入成像探测器形成涡旋光束，称为涡旋参考光束r(x,y)；

将被测物体放置在所述的第二三维平移台上；

所述的光源发出的光脉冲经分束器反射的光束作为物光束，该物光束经第二反射镜反射后到达扩束器，经该扩束器扩束后的光束到达所述的被测物体，由第二聚焦透镜、分束光栅和第三聚焦透镜构成的第二4f系统，移动第二三维平移台使被测物体位于该第二4f系统的物面上，经被测物体透射的光束透过该第二4f系统后形成若干个相同的出射光束，从第二4f系统的像面出射的光束称为被测物体的复振幅分布o(x0，y0)；该被测物体的复振幅分布o(x0,y0)衍射后到达成像探测器，并得到的衍射光波o(x,y,d)，其中，(x0,y0)和(x,y)分别为该第二4f系统的像面和成像探测器表面的空间坐标分布，d是所述的第二4f系统的像面和所述的成像探测器的距离，且满足条件:d＞0；所述的衍射光波o(x,y,d)与涡旋参考光束r(x,y)相互作用形成干涉全息图，并由所述的成像探测器记录该干涉全息图；

2)从所述的干涉全息图中提取n个干涉区域和m个非干涉区域用于相移数字全息技术，则干涉区域表示为i1(x1,y1,θ1)、i2(x2,y2,θ2)…in(xn,yn,θn)，非干涉区域表示为i1r(x1r,y1r,θ1r)、i2r(x2r,y2r,θ2r)…imr(xmr,ymr,θmr)，n和m为正整数，(xn,yn)和(xmr,ymr)为干涉区域和非干涉区域的空间坐标分布，θn和θmr为涡旋参考光束r(x,y)不同位置对应的相移；

3)根据干涉理论，计算被测物体的衍射光波o(x,y,d)，具体如下：

…

其中，j是虚数单位，*是共轭符号。

4)计算被测物体的复振幅分布o(x0,y0)，公式如下：

其中,是角谱传输函数，和分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换，fx和fy是空间频率，λ为光源的波长。

与现有技术相比，本发明的技术效果：

1)结构简单，体积小，操作简单，对环境要求较低。

2)成像方法操作简单，只需要记录单幅干涉全息图，可实时在线快速地得到被测物体的复振幅图像，特别适用于动态物体的成像和观测。

3)由于采用的涡旋聚焦透镜是振幅型透镜，可以实现相干条件下从x射线到太赫兹波段的聚焦和成像。

4)具有相移数字全息和单次曝光成像的优点，即能够有效抑制再现结果中的共轭像，明显提高被测物体的再现像的质量；也可以避免多次操作带来的误差，抑制空气湍流和系统振动，大大提高成像装置的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明基于涡旋透镜的相移数字全息单次曝光成像装置的结构示意图；

图2为本发明的涡旋参考光束的实验结果图；

图3为本发明的被测物体为分辨率板的成像实验结果图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明基于涡旋透镜的相移数字全息单次曝光成像装置，其特征在于,包括光源1、分束器2、涡旋聚焦透镜3、针孔4、第一聚焦透镜5、第一反射镜6、合束器7、第一三维平移台8、固定在该第一三维平移台8上的成像探测器9、第二反射镜10、扩束器11、供被测物体13放置的第二三维平移台12、第二聚焦透镜14、分束光栅15、第三聚焦透镜16和计算机17；

所述的光源1发出的光脉冲经过所述的分束器2分为透射光束和反射光束，透射光束作为参考光束，反射光束作为物光束；

所述的参考光束经过所述的涡旋聚焦透镜3和针孔4到达所述的第一聚焦透镜5，经第一聚焦透镜5准直后的光束经过所述的第一反射镜6反射后到达所述的合束器7，并通过合束器7反射进入所述的成像探测器9；

所述的物光束经所述的第二反射镜10反射后到达所述的扩束器11，经扩束器11扩束后的光束入射到所述的被测物体13，经该被测物体13透射后，依次经所述的第二聚焦透镜14、分束光栅15和第三聚焦透镜16后到达所述的合束器7，并透过合束器7进入所述的成像探测器9；经所述的扩束器11扩束后的光束能够覆盖所述的被测物体13；

所述的涡旋聚焦透镜3、针孔4和第一聚焦透镜5构成第一4f系统，且所述的针孔4放置在该第一4f系统的频谱面上；

所述的第二聚焦透镜14、分束光栅15和第三聚焦透镜16构成第二4f系统，且所述的分束光栅15放置在该第二4f系统的频谱面上，所述的被测物体13放置于该第二4f系统的物面上，所述的成像探测器9放置于该第二4f系统的像面后方光路上；

所述的成像探测器9的输出端与所述的计算机17的输入端连接；

所述的计算机17具有相应数据记录采集与处理软件，用来记录干涉全息图与数据处理。

所述的涡旋聚焦透镜3为具有所需拓扑荷的圆涡旋聚焦透镜或椭圆涡旋聚焦透镜，用于产生不同拓扑荷和离心率的涡旋参考光束。

所述的分束光栅15为分束光栅、正交光栅或具有分束功能的空间光调制器。

所述的成像探测器9为ccd探测器、cmos图像传感器或热电阵列相机。

所述的被测物体13为分辨率板或生物样品。

利用所述的基于涡旋透镜的相移数字全息单次曝光成像装置对被测物体13复振幅图像的重构方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)开启光源1，所述的光源1发出的光脉冲经所述的分束器2透射的光束作为参考光束，由涡旋聚焦透镜3、针孔4和第一聚焦透镜5构成第一4f系统，所述的参考光束透过该第一4f系统后形成涡旋光束，该涡旋光束经所述的第一反射镜6反射后到达所述的合束器7，并通过合束器7反射后进入成像探测器9形成涡旋光束，称为涡旋参考光束r(x,y)；

将被测物体13放置在所述的第二三维平移台12上；

所述的光源1发出的光脉冲经分束器2反射的光束作为物光束，该物光束经第二反射镜10反射后到达扩束器11，经该扩束器11扩束后的光束到达所述的被测物体13，由第二聚焦透镜14、分束光栅15和第三聚焦透镜16构成的第二4f系统，移动第二三维平移台12使被测物体13位于该第二4f系统的物面上，经被测物体13透射的光束透过该第二4f系统后形成若干个相同的出射光束，从第二4f系统的像面出射的光束称为被测物体13的复振幅分布o(x0,y0)；该被测物体13的复振幅分布o(x0,y0)衍射后到达成像探测器9，并得到的衍射光波o(x,y,d)，其中，(x0,y0)和(x,y)分别为该第二4f系统的像面和成像探测器9表面的空间坐标分布，d是所述的第二4f系统的像面和所述的成像探测器9的距离，且满足条件:d＞0；所述的衍射光波o(x,y,d)与涡旋参考光束r(x,y)相互作用形成干涉全息图，并由所述的成像探测器9记录该干涉全息图；

2)从所述的干涉全息图中提取n个干涉区域和m个非干涉区域用于相移数字全息技术，则干涉区域表示为i1(x1,y1,θ1)、i2(x2,y2,θ2)…in(xn,yn,θn)，非干涉区域表示为i1r(x1r,y1r,θ1r)、i2r(x2r,y2r,θ2r)…imr(xmr,ymr,θmr)，n和m为正整数，(xn,yn)和(xmr,ymr)为干涉区域和非干涉区域的空间坐标分布，θn和θmr为涡旋参考光束r(x,y)不同位置对应的相移；

3)根据干涉理论，计算被测物体(13)的衍射光波o(x,y,d)，具体如下：

…

其中，j是虚数单位，*是共轭符号。

4)计算被测物体13的复振幅分布o(x0,y0)，公式如下：

其中,是角谱传输函数，和分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换，fx和fy是空间频率，λ为光源1的波长。

实施例：被测物体为分辨率板，成像探测器9为ccd探测器。

光源1为中心波长为632.8nm的氦氖激光器、分束器2为t:r＝1:1的分束器、涡旋聚焦透镜3为焦距为180mm的圆涡旋聚焦透镜3(拓扑荷l＝1)、准直透镜5为焦距为180mm的双凸透镜、成像探测器9为分辨率为3296*2472的ccd探测器、被测物体13为分辨率板，具体实现基于涡旋透镜的相移数字全息单次曝光成像装置：如图1所示，包括氦氖激光器1、分束器2、圆涡旋聚焦透镜3、针孔4、第一聚焦透镜5、第一反射镜6、合束器7、第一三维平移台8、固定在该第一三维平移台8上的ccd探测器9、第二反射镜10、扩束器11、供分辨率板13放置的第二三维平移台12、第二聚焦透镜14、分束光栅15、第三聚焦透镜16和计算机17；

所述的氦氖激光器1发出的光脉冲经过所述的分束器2分为透射光束和反射光束，透射光束作为参考光束，反射光束作为物光束；

所述的参考光束经过所述的圆涡旋聚焦透镜3和针孔4到达所述的第一聚焦透镜5，经第一聚焦透镜5准直后的光束经过所述的第一反射镜6反射后到达所述的合束器7，并通过合束器7反射进入所述的ccd探测器9；

所述的物光束经所述的第二反射镜10反射后到达所述的扩束器11，经扩束器11扩束后的光束入射到所述的分辨率板13，经该分辨率板13透射后，依次经所述的第二聚焦透镜14、分束光栅15和第三聚焦透镜16后到达所述的合束器7，并透过合束器7进入所述的ccd探测器9；经所述的扩束器11扩束后的光束能够覆盖所述的分辨率板13；

所述的圆涡旋聚焦透镜3、针孔4和第一聚焦透镜5构成第一4f系统，且所述的针孔4放置在该第一4f系统的频谱面上；

所述的第二聚焦透镜14、分束光栅15和第三聚焦透镜16构成第二4f系统，且所述的分束光栅15放置在该第二4f系统的频谱面上，所述的分辨率板13放置于该第二4f系统的物面上，所述的ccd探测器9放置于该第二4f系统的像面后方光路上；

所述的ccd探测器9的输出端与所述的计算机17的输入端连接；

所述的计算机17具有相应数据记录采集与处理软件，用来记录干涉全息图与数据处理。

所述的圆涡旋聚焦透镜3用于产生涡旋参考光束(如图2所示)。

利用所述的基于涡旋透镜的相移数字全息单次曝光成像装置对分辨率板13复振幅图像的重构方法，该方法包括下列步骤：

1)开启氦氖激光器1，所述的氦氖激光器1发出的光脉冲经所述的分束器2透射的光束作为参考光束，由圆涡旋聚焦透镜3、针孔4和第一聚焦透镜5构成第一4f系统，所述的参考光束透过该第一4f系统后形成圆涡旋光束，该圆涡旋光束经所述的第一反射镜6反射后到达所述的合束器7，并通过合束器7反射后进入ccd探测器9形成涡旋光束，称为涡旋参考光束r(x,y)；

将分辨率板13放置在所述的第二三维平移台12上；

所述的氦氖激光器1发出的光脉冲经分束器2反射的光束作为物光束，该物光束经第二反射镜10反射后到达扩束器11，经该扩束器11扩束后的光束到达所述的分辨率板13，由第二聚焦透镜14、分束光栅15和第三聚焦透镜16构成的第二4f系统，移动第二三维平移台12使分辨率板13位于该第二4f系统的物面上，经分辨率板13透射的光束透过该第二4f系统后形成若干个相同的出射光束，从第二4f系统的像面出射的光束称为分辨率板13的复振幅分布o(x0,y0)；该分辨率板13的复振幅分布o(x0,y0)衍射后到达ccd探测器9，并得到衍射光波o(x,y,d)，其中，(x0,y0)和(x,y)分别为该第二4f系统的像面和ccd探测器9表面的空间坐标分布，d是所述的第二4f系统的像面和所述的ccd探测器9的距离，且满足条件:d＞0，在此实施例中d为217mm；所述的衍射光波o(x,y,d)与涡旋参考光束r(x,y)相互作用形成干涉全息图，并由所述的ccd探测器9记录该干涉全息图；

2)从所述的干涉全息图中提取3个干涉区域和1个非干涉区域用于相移数字全息技术，则干涉区域表示为i1(x1,y1,0)、和非干涉区域表示为i1r(x1r,y1r,2π)，(x1,y1)、(x2,y2)和(x3,y3)为干涉区域的空间坐标分布，(x1r,y1r)为非干涉区域的空间坐标分布；

3)根据干涉理论，可得到分辨率板13在记录面的衍射光波o(x,y,d):

其中,iref＝i1r(x1r,y1r,2π),j是虚数单位。

4)计算分辨率板13的复振幅分布o(x0,y0)，公式如下：

其中,是角谱传输函数，和分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换，fx和fy是空间频率，λ为氦氖激光器1的波长。分辨率板13的成像实验结果如图3所示。

实验表明，本发明使用的涡旋聚焦透镜可用于x射线到太赫兹波段的相干波段；本发明具有相移数字全息和单次曝光成像的优点，即能够有效抑制再现结果中的共轭像，明显提高被测物体的再现像的质量，也可以避免多次操作带来的误差，抑制空气湍流和系统振动，大大提高成像装置的鲁棒性

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施案例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。