一种获得仅水平视差全息图的扫描全息装置

本发明涉及一种获得仅水平视差全息图的扫描全息装置，属于全息光学。

背景技术：

1、全息术(optical holography)是一种由记录和重建两部分组成的成像技术。拍摄过程利用干涉原理记录物体光波信息，即：被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束；另一部分激光作为参考光束射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的相位和振幅转换成在空间上变化的强度，从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来；记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后，便成为一张全息图，或称全息照片；然后是利用衍射原理再现物体光波信息，即为成像过程：全息图犹如一个复杂的光全息光栅，在相干激光照射下，一张线性记录的正弦全息图的衍射光波一般可给出两个像，即原始像(又称初始像)和共轭像。再现的图像立体感强，具有真实的视觉效应。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像，通过多次曝光可在同一张底片上记录多个不同的图像，并分别显示出来。

2、要获得一幅高质量大尺寸的全息照片，高质量大尺寸全息图的配准和重建对于计算机一直是一项繁重的计算任务，一个高质量或者大尺寸的全息图需要几十亿甚至更多的像素，这就带来了大量的空间带宽积。空间带宽积的大量使用严重影响了全息图的存储和操作。为了减轻计算机的负担，获得大尺寸或高质量全息图，根据人眼对水平轴视差较为敏感但是对垂轴方向视差不敏感的特点，本发明提出了一种仅水平视差的全息图，仅水平视差全息图拥有x方向的大视角可以保持较高质量，同时保持较低的空间带宽积。

3、由此可见，如何获得仅水平视差全息图成为本发明取得高质量的仅水平视差全息图的关键所在。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的制约，本发明的目的在于提供一种获得仅水平视差全息图的扫描全息装置实现方法，弥补了现有技术中存在的不足。

2、为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种获得仅水平视差全息图的扫描全息装置，其特征在于：包括激光器1、分束镜2、声光调制器3、平面镜4、光瞳ⅰ5(记为p1(x,y))、光瞳ⅱ17(记为p2(x，y))、傅里叶透镜ⅰ6、傅里叶透镜ⅱ18、傅里叶透镜ⅲ19、合束镜7、柱面镜8、水平狭缝9、二维扫描振镜10、被扫描物体γ(x,y)11、光电传感器pd12、带通滤波器bpf13、电子乘法器cosωt14，电子乘法器sinωt20、低通滤波器15、电脑16，

4、激光器1发射一束频率ω的激光，通过分光镜2后，变成两道同频率光；一束光(记为上方光)通过声光调制器3将频率变为(ω+ω)，依次经过平面镜4、光瞳ⅱ17、傅里叶透镜ⅲ19到达合束镜7；另一束光(记为下方光)的频率不变仍为ω，依次经过光瞳ⅰ5、傅里叶透镜ⅱ18到达合束镜7；两束不同频率的光经过光瞳ⅰ5、光瞳ⅱ17完成调制，在合束镜7的位置产生干涉，干涉图样为菲涅尔波带环；干涉光经过柱面镜8和矩形水平狭缝9进行处理得到近似一维无曲率的窄带菲涅尔波带板，然后使用二维扫描振镜10让干涉光对目标物体γ(x,y)11进行扫描；包含物体幅度信息的光经过傅里叶透镜ⅰ6传播到光电传感器pd12，产生与物体幅度信息相关的电信号i(x,y)；电信号i(x,y)依次经过带通滤波器bpf13、电子乘法器cosωt14、电子乘法器sinωt20、低通滤波器15进入电脑16，电脑16对电信号i(x,y)进行图像的记录、再现及后期处理。

5、优选的，本发明所述光瞳ⅰ5的光瞳函数设置为p1(x,y)＝δ(x,y)，光瞳ⅱ17的光瞳函数设置为p2(x,y)＝1。

6、优选的，本发明所述光瞳ⅰ5位置位于傅里叶透镜ⅱ18的前焦面上，光瞳ⅱ17位置位于傅里叶透镜ⅲ19前焦面。

7、优选的，本发明所述二维扫描振镜10位置位于傅里叶透镜ⅰ6、傅里叶透镜ⅱ18的后焦面处。

8、优选的，本发明所述的分束镜2分光比为1:1。

9、本发明的原理：

10、设激光经过分束镜2分束后的两光场初相位相同，定义光线的传播方向为z，光线的传播距离为z的值，根据笛卡尔坐标系的方法分别定义x，y坐标，定义自激光源处经过的传播时间为t，则表达式分别为：

11、

12、

13、式中，表示上方光的复光场，表示下方光的复光场，a表示上方光的振幅，b表示下方光的振幅，j为虚数单位，ω表示激光的频率，ω表示声光调制器的外差频率，

14、其中上方光通过声光调制器3，频率变为ω+ω；下方光的频率不变仍为ω，若此时两光直接干涉，产生的干涉光场可表示为：

15、

16、而后使用pd接收光信号，光电传感器产生的电信号i只与光信号的振幅有关，即：

17、

18、式中包含振幅和相位相关信息，这就是光外差法的优势所在。

19、现已知位于焦距为f的凸透镜前d处的透明物体t(x，y)的在平面波照明下的情况如图2所示，由图可以看出平面光照射透明物体t(x，y)而后经过凸透镜并在后焦面成像。

20、而其计算框图如图3所示，由图可以看出透明物体t(x，y)经过衍射而后到达透镜，经过透镜的相位调制再继续衍射到后焦面的计算流程。

21、其中则可以得出：

22、ψp(x,y；f)＝{[t(x,y)*h(x,y；d)]tf(x,y)}*h(x,y；f)  (5)

23、其中“*”表示卷积运算，ψp(x,y；f)表示透镜后焦面的复光场信息，tf(x,y)表示透镜的相位因子，h(x,y；d)表示距离为d的菲涅尔衍射点扩散函数，h(x,y；f)表示距离为f的菲涅尔衍射点扩散函数，k表示光的波数，在忽略部分常数后，上式可写为：

24、

25、在本发明光路中，取d＝f的情况，通过忽略一些常数，上式变为：

26、

27、ky＝ky/f

28、式中kx，ky表示频域中的坐标，表示t(x,y)在经过图2系统后的复光场信息，同理下式的p1p2表示p1p2在经过图2系统后的复光场信息；由式(7)可得两光束在分别经过光瞳p1(x,y)、p2(x,y)与透镜l1、l2后，光场分别表示为

29、

30、

31、两光束在bs2处发生干涉后，合成的干涉光场表达式可表示为：

32、

33、此处形成二维菲涅尔波带板的形式，对菲涅尔波带板进行处理，转化为近似一维的窄带菲涅尔波带板，如下图3所示，由图可以看出经过处理的近似一维的窄带菲涅尔波带板的示意图样式。

34、如图3所示，本发明使用近似一维无曲率的窄带菲涅尔波带板代替光学扫描全息(osh)中的二维菲涅尔波带板对目标三维物体进行扫描，在仿真中，本发明使用平面波与球面波干涉的方法得到所需要的二维菲涅尔波带板，而后用大曲率的柱面镜使二维菲涅尔波带板消除y轴曲率，以此来得到y轴的数据补偿，这样可以有效增加全息的垂轴方向的在线效果，如下式：

35、

36、之后使用二维窗函数进行处理，限制其垂轴数据，得到保留x轴完整状态，y轴舍弃大部分数据的近似一维的窄带菲涅尔波带板

37、

38、其中rect表示窗口函数，1/η决定沿垂直方向1d fzp的范围，表示处理后的近似一维的窄带菲涅尔波带板的光场表达式。

39、而后消除y轴曲率，再经过窗函数rect处理后，近似一维的窄带菲涅尔波带板可表示为：

40、

41、其中表示经过处理后的似一维的窄带菲涅尔波带板的光场表达式。

42、使用干涉光扫描距离扫描振镜z处的物体，光电传感器pd所输出的电流信号为：

43、

44、其中γ代表物体的透过率函数，x',y'表示在光电传感器pd表面的坐标，上述电信号经一个中心频率为iω的bpf滤波，再取实部，得到的电流信号iω为：

45、

46、其中re代表取括号内复函数的实部，表示p1的共轭，上式反应了整个系统中，输入信号与输出信号之间存在的关系，若设iω(x,y；z；t)＝re(iωp(x,y；z；t)·ejωt)，其中则光学传递函数(optical transfer function,otf)可表示为：

47、

48、当光瞳函数设置为p1(x,y)＝δ(x,y)，p2(x,y)＝1时，可得：

49、

50、其中“*”表示卷积运算，由(12)式，利用卷积与傅里叶变换的关系可知，最后得到的电信号可表示为：

51、

52、电流信号经过调制器后，信号分别被sin(ωt)与cos(ωt)分别提取实部icos和虚部isin两个部分：

53、

54、

55、其中im代表取括号内复函数的虚部，hcos与hsin分别代表cos全息图与sin全息图；将以上两式合并，可得复合全息图hhpo(x,y；z)为：

56、

57、使用(21)得到了近似一维的窄带菲涅尔波带板与三维物体进行干涉得到包含物体仅水平视差信息的全息图，最后本发明用参考光对得到的全息图再现得到其再现效果。

58、此处本发明称(21)所记录的全息图为仅水平视差全息图；由于所记录的全息图是物体的强度与近似一维的窄带fzp之间用仅水平视差的编码的模式，因此本发明可以直接得到本发明所需要的仅水平视差扫描全息图；同时这个全息图也是用扫描全息的方式得到的，因此，该全息图可以在无双像噪声的情况下重建目标的三维图像；为了减少所需的数据量，本发明使用近似一维的窄带菲涅尔波带板进行扫描将全视差全息图转换为仅水平视差(hpo)全息图，提出了用于3d显示的hpo全息图；本发明认为这能成为减少3d显示所需数据量的一种极好的方法；3d物体的全视差全息图可以被认为是2d fzp的集合，而hpo全息图是1d fzp的集合；据此，hpo全息图可认为是物体的强度用1d fzp进行编码。

59、关于全息图像的再现过程，对已经完成记录的全息图像，若目标物体在距离扫描振镜z位置处，则应在其距离z处进行再现，利用菲涅尔衍射公式，再现像i(x,y；z)可表示为：

60、i(x,y；z)＝hhpo(x,y；z)*h(x,y；z) (22)

61、即全息图与空域中菲涅尔传递函数的卷积，其中h(x,y；z)表示在z处的菲涅尔衍射点扩散函数；同时cos全息图icos(x,y；z)和sin全息图isin(x,y；z)可表示为：

62、icos(x,y；z)＝hcos(x,y；z)*h(x,y；z)  (23)

63、isin(x,y；z)＝hsin(x,y；z)*h(x,y；z)  (24)

64、本发明的有益效果：

65、本发明所述装置成本低，光路搭建、操作简单，有效增加全息图的计算速度，利用扫描全息光路为基底，能够增加实验平台光路的抗干扰性；使用一维菲涅尔波带板进行扫描，能够得到精简数据量的同时获得较好再现效果的仅水平视差扫描全息图。