一种基于4f系统实现环形光进行边缘提取的方法

本发明涉及一种基于4f系统实现环形光进行边缘提取的方法，属于光学成像技术领域。

背景技术：

光学扫描全息(osh)具有基于单个像素传感器和简单的光学扫描机制记录宽视野场景的实时全息图的显著优势，并能够捕捉大视野的全息图。osh能够记录非相干全息图，它编码的是3d强度分布，而不是物体的相位。因此，非相干全息图的重建图像没有干涉散斑，有利于全息显示。

全息显示时最重要的是对图像的识别，图像识别中最关键的技术即特征识别，而边缘特征是特征识别的众多特征中最基本的一项特征。对于物体的边缘提取，现有拉盖尔高斯光(lg)光束—轴锥镜光瞳产生环形光对物体进行边缘提取，但是其产生lg光束时光路复杂且不易操作，提高了实际实验时的操作难度；还有人提出用环形光瞳直接产生环形光来进行边缘提取，但是环形光瞳屏蔽了绝大多数光能量，造成能量浪费，不利于最后实验效果的呈现；还可利用空间光调制器直接生成环形光，但是空间光调制器造价昂贵，不利于普适性。

技术实现要素：

针对以上技术问题，本发明的目的在于提供一种基于4f系统实现环形光进行边缘提取的方法，该方法提高图像边缘提取效果，简化实验难度，降低实验成本；还可以在实现物体边缘提取的同时，消除孪生像影响，增强图像的信噪比；还可进行噪声抑制，平滑滤波等功能；具体包括以下步骤：

(1)激光器22发出一束频率为ω的激光，经过扩束镜23扩束，后再经过傅立叶透镜ⅶ24准直为平行光束，将该平行光束通过分束镜i1分为第一路光和第二路光，第一路光经过声光移频器2调制为ω+ω(ω为10³，ω是光频率)的光束，该光束通过分束镜ⅱ3产生两束光，一束光经过反射镜i4后通过光阑5，另一束直接垂直通过光阑5，让这两束光通过光阑产生一大一小圆斑，这两个圆斑通过同一个傅里叶透镜i6得到干涉圆斑，干涉圆斑通过光栅7的滤波以后，经傅里叶透镜ⅱ8放大，再经过一个傅里叶透镜ⅲ9调成平行光束；

(2)第二路光通过反射镜ⅱ10反射后经过小孔光阑11变为球面波光束，球面波光束与步骤2得到的平行光束经过分束镜ⅲ12后干涉形成菲涅耳波带板，菲涅耳波带板经过傅里叶透镜ⅳ13汇聚后对物体进行扫描，扫描后的光束经过傅里叶透镜ⅴ15汇聚后进过光电二极管i16将光信号转换为电流信号，该电流信号经过带通滤波器19过滤成仅带有ω频率的信号，将该信号通过锁相放大器20之后信号分为sin信号和cos信号，将得到的信号通过低通滤波器保留ω频率的信号，最后将这两组信号经过数据采集卡记录到计算机，作为物光信息；

(3)由分束镜ⅲ12另一个面传出的光进过傅里叶透镜ⅵ17汇聚到光电二极管ⅱ18上，光电二极管ⅱ18将光信号转换为电信号后输入到锁相放大器20中，锁相放大器20将信号再传输给计算机形成参考光信号；最后由计算机实现物体的三维信息重建。

优选的，本发明所述光阑(5)透过率函数表示为：

f(x1，y1)＝fa(x1-b，y1)+fb(x1+b，y1)

其中fa(x1-b，y1)，fb(x1+b，y1)表示光阑上两图形位置及图形形状，两图形的中心连线的中垂线位置为光阑中心，两图形中心连线距离为2b，b需要大于大孔的直径，2b在光阑的尺寸范围内即可。

所述的光栅7为与光阑5相对应使用的光栅，光栅常数f0＝b/λf，λ为激光器发射激光的波长，f为透镜6，透镜8的焦距，光栅的复振幅透过率为：

式中，f为傅里叶变换透镜的焦距；f0为光栅常数；表示光栅条纹的初位相，它决定了光栅相对于坐标原点的位置。

当光栅条纹初相位为π/2时，4f系统产生环形光，可看作环形滤波器，光场公式如下：

光场函数即可看做光瞳p2的变形体p2＝g(x3，y3)。

当光栅条纹初相位为0时，4f系统产生中间亮斑，可看作低通滤波器。

当控制fa与fb半径比时，可调谐环形光透光比例。

所述的扫描过程可由平移台移动物体实现，平移台通过控制器来实现移动。

所述的信号接收和解调具体过程为：对待测物体扫描后的光，通过透镜会聚后到达光电探测器，由光电探测器输出带有全息信息且与物体扫描位置相关的电流信号i：

其中p1z为光瞳函数，p2z为4f系统产生的光瞳，ω0为激光器发射的光束原有频率，ω为声光移频器产生的移频信号，γ0为物光场，(ω一般较小为10³)。

本发明的原理：本发明基于光学成像技术，通过4f系统图像相减的特性，使物光束依次通过4f系统，傅里叶透镜，调谐出环形光阑，通过改变光阑上孔的大小比例来控制最终不同孔径比的环形光束来实现物光的调制，实现对物体边缘不同程度的提取效果，这样可以有效的获取物体的边缘信息，同时简化操作难度且获得足够的光强强度；光阑可使用可调节小孔，可方便调节环形光的比例和大小；可以提高系统的分辨率，提高物光的利用率；还可以通过调节光栅位置，调制出低通滤波器使全息图变得平滑，降低图片噪声消除全息图中突兀的点。

本发明的有益效果：

(1)相对于使用高斯光束，涡旋光等，本发明可以通过简单的器件即可得到环形光，相对于空间光调制器等直接获得环形光的方法，本发明造价更低，上手简单，可操作性强，对于环形光瞳获得环形光。

(2)本发明对于光源的浪费少，且环形光瞳在实验中往往会由于衍射在图像中产生噪声，且环形光瞳的大小一般不可调制，本发明可以通过调制光阑中圆孔大小来控制环形光斑。

(3)本发明除了可以使用光阑产生环形光，也可通过调节光栅位置调制出可以降噪的低通滤波器，对图片的噪声消除产生一定的效果，起到平滑滤波，消除图片中突兀点的效果。

附图说明

图1是本发明用到的全息系统的结构图(针对透明物体)

图中：1-分束镜ⅰ；2-声光移频器；3-分束镜ⅱ；4-反射镜ⅰ；5-光阑；6-傅里叶透镜ⅰ；7-光栅；8-傅里叶透镜ⅱ；9-傅里叶透镜ⅲ；10-反射镜ⅱ；11-小孔光阑；12-分束镜ⅲ；13-傅里叶透镜ⅳ；14-平移台；15-傅里叶透镜ⅴ；16-光电二极管ⅰ；17-傅里叶透镜ⅵ；18-光电二极管ⅱ；19-带通滤波器；20-锁相放大器；21-计算机；22-激光器；23-扩束镜；24-傅立叶透镜ⅶ。

图2为4f系统实现环形光示意图。

图3为边缘提取仿真效果；其中a为原始图，b为边缘提取效果，c为图b的局部效果，d为图c的划线处归一化强度。

具体实施方式

下面结合具体实施例本发明作进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

为了详细阐明本发明的具体工作模式，接下来结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明，应当理解，此处所描述的具体实施方式仅适用于解释本发明，但本发明并不仅限于所述的表现形式。

实施例1

一种基于4f系统实现环形光进行边缘提取的方法，具体包括以下步骤：

(1)激光器22发出一束频率为ω的激光，经过扩束镜23扩束，后再经过傅立叶透镜ⅶ24准直为平行光束，将该平行光束通过分束镜i1分为第一路光和第二路光，第一路光经过声光移频器2调制为ω+ω的光束，该光束通过分束镜ⅱ3产生两束光，一束光经过反射镜i4后通过光阑5，另一束直接垂直通过光阑5，让这两束光通过光阑产生一大一小圆斑，这两个圆斑通过同一个傅里叶透镜i6得到干涉圆斑，干涉圆斑通过光栅7的滤波以后，经傅里叶透镜ⅱ8放大，再经过一个傅里叶透镜ⅲ9调成平行光束；

(2)第二路光通过反射镜ⅱ10反射后经过小孔光阑11变为球面波光束，球面波光束与步骤2得到的平行光束经过分束镜ⅲ12后干涉形成菲涅耳波带板，菲涅耳波带板经过傅里叶透镜ⅳ13汇聚后对物体进行扫描，扫描后的光束经过傅里叶透镜ⅴ15汇聚后进过光电二极管i16将光信号转换为电流信号，该电流信号经过带通滤波器19过滤成仅带有ω频率的信号，将该信号通过锁相放大器20之后信号分为sin信号和cos信号，将得到的信号通过低通滤波器保留ω频率的信号，最后将这两组信号经过数据采集卡记录到计算机，作为物光信息；

(3)由分束镜ⅲ12另一个面传出的光进过傅里叶透镜ⅵ17汇聚到光电二极管ⅱ18上，光电二极管ⅱ18将光信号转换为电信号后输入到锁相放大器20中，锁相放大器20将信号再传输给计算机形成参考光信号；最后由计算机实现物体的三维信息重建。

本实施例仿真所使用的激光波长为632.8nm的红光，透镜据物体的距离为90mm，待处理物体使用空心圆，分辨率大小为512×512pixels，由图3看出，边缘信息较粗，图像的边缘清晰，图像背景噪声不明显，说明本发明的边缘提取效果理想；归一化强度越高，说明物体进行边缘提取的效果越好，从图3d可以清晰的看到在所示位置处物体的光强归一化程度较好，也证明了本发明的边缘提取效果理想，可以看到重建边缘为双线性，边缘更加平滑，噪声弱，不仅减少了重建算法时为了消除噪声而对细节的破坏，还可以缩短重建时间，达到实时全息的目的。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。