一种基于双孔光瞳的光学扫描全息图像边缘提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学全息成像领域，涉及光学扫描全息技术和三维成像技术。
【背景技术】
[0002] 光学扫描全息技术（OpticalScanningHolography，OSH)是数字全息技术中的 一种，通过将光束分成不同的两个波前进行干涉形成菲涅尔波带板（FresnelZonePlate， FZP)，进而实现对目标物体的高分辨率三维成像，它在生物医学成像、形变测量、粒子场测 试、光学显微和光学遥感等领域都有广泛的应用前景。
[0003] 通过光学扫描全息技术获得的二维全息图，包含了样品完整的三维信息，因此如 何由全息图提取出样品图像的边缘信息成为了光学扫描全息术的研宄热点。图像边缘是图 像的最基本的特征，图像的边缘检测也是图像处理的重要基础内容之一，具体对于光学扫 描全息术来说，其难点在于如何由二维的全息图中提取出有效的重现图像边缘信息。
[0004] 文献^Edgedetectionofthree-dimensionalobjectsbymanipulatingpupil functionsinanopticalscanningholographysystem,提出了一种基于光瞳设计的预 处理边缘提取方法，通过将OSH系统中的两个光瞳分别设计为点脉冲函数（Diracdelta function)和拉普拉斯高斯函数（LaplacianoftheGuassian)，从而实现物像的边缘提 取，但需要对实验系统做较大改动。
[0005] 文献 'Edge-preservingsectionalimagereconstructioninoptical scanningholography'提出了一种利用总变差的非负约束法和梯度投影的方法，该方法能 够强化切片物像，从而提取边缘信息，但是算法复杂度较高。
[0006] 文献'Edgeextractionusingatime-varyingvortexbeaminincoherent digitalholography'提出一种利用时变祸束来提取全息图边缘信息的方法，通过在OSH系 统中引入螺旋相位板作为其中一个光瞳，从而获得时变涡束来提取物像边缘。该方法能获 得较为清晰的边缘信息，但实验系统复杂度也有一定程度的上升。
【发明内容】
[0007] 本发明提供一种基于双孔光瞳的光学扫描全息图像边缘提取方法。在全息成像记 录阶段，通过引入双孔光瞳，从而分别产生两个不同的菲涅尔波带板，接着利用这两个菲涅 尔波带板对同一个被测样品进行扫描，获取两组全息图，以记录更多的物体高频信息；在全 息成像重现阶段，通过傅立叶变换，将空域的全息图转换到频域，接下来再利用共轭梯度法 和傅立叶逆变换，分别实现物像边缘及其本身的显像。该方法结构简单，便于操作，具有很 强的实用性，能够实现清晰的物像边缘提取。
[0008] 本发明的技术方案为：一种基于双孔光瞳的光学扫描全息图像边缘提取方法，其 系统结构如图1所示，包括以下步骤：
[0009] 步骤1 :偏振分束器（BeamSplitter，BS)将角频率为《的光分成两部分，其中一 部分通过第一光瞳Pi(x，y)形成平面波Pi(x，y) = 1 ;另一部分经过声光调制器（Acoustic OpticalFrequencyShifter,AOFS)产生Q的频移后再通过第二光瞳P2(x，y)。这里，第二 光瞳P2(x，y)由透射型液晶空间光调制器（SpacialLightModulator,SLM)实现。通过调 节空间光调制器的电压分布，可以使得第二光瞳P2(x，y)工作在两个状态：（l)P2a(x，y)= 8 (x-Xpy-y)，以及⑵P2b(x,y) = 5 (x_x2,y_y2)，以产生两个中心位置不同的球面波；其 中，x#x2,y#y2，分别代表第二光瞳P2(x,y)在X，y轴上的空间偏移量；第一次全息图 记录时，将分别通过第一光瞳？"^。和第二光瞳P2a(x，y)的两束光经偏振分束器合在一 起，在被测物体上产生干涉形成菲涅尔波带板h，利用二维扫描镜控制h的偏转，从而实现 对三维样品的二维扫描。透镜3用于收集通过样品的透射光和散射光，并将其送入光电探 测器。产生的外差电流输出经过混频、滤波、放大等处理，产生解调信息并储存于计算机中。 储存的信息为4编码图像，本质上为包含了样品三维信息的全息图。
[0010] 该光学扫描全息系统的空间脉冲响应，即菲涅尔波带板hi可以表示为
【主权项】
1. 一种基于双孔光瞳的光学扫描全息图像边缘提取方法，其特征在于：包括以下步 骤： 步骤一：光束通过偏振分束器，将角频率为《的光分成两部分，其中一部分通过第一 光瞳Pi(x，y)形成平面波Pi(x，y) = 1 ;另一部分经过声光调制器产生D的频移后再通过 第二光瞳P2 (x，y); 通过调节第二光瞳的电压分布，可以使得第二光瞳P2(x，y)工作在两个状态：（1)P2a(x，y) = 5 (x-x^y-yi)，以及（2)P2b(x，y) = 5 (x-x2，y-y2)，以产生两个中心位置不同的 球面波，其中，Xi#x2,yi#y2，分别代表第二光瞳P2(x,y)在X，y轴上的空间偏移量； 第一次全息图记录时，将分别通过第一光瞳？々^)和第二光瞳P2a(x，y)的两束光经 偏振分束器合在一起，在被测物体上产生干涉形成菲涅尔波带板h，利用二维扫描镜控制 h的偏转，从而实现对三维样品的二维扫描；透镜3用于收集通过样品的透射光和散射光， 并将其送入光电探测器；产生的外差电流输出经过混频、滤波、放大等处理，产生解调信息 并储存于计算机中；储存的信息为4编码图像，本质上为包含了样品三维信息的全息图； 该光学扫描全息系统的空间脉冲响应，即菲涅尔波带板h,可以表示为
⑴ 其中x，y，z代表空间坐标，k为光的波数；由（1)式可以看出，对于某一轴向位置z，菲 涅尔波带板是一个关于x，y的二维对称函数，对称中心为（Xl，yi); 假设复函数代表样品的幅度信息，则该样品经过光学系统扫描后得到的二维 全息图可以表示
(2) 其中*代表二维卷积；将待测样品看作一系列离散切片的集合，即可对轴向坐标z进行 离散化处理，表示为Zl，z2，...，zn，分别代表不同切片所在的轴向位置，那么（2)式表征的 二维全息图可以表示为
(3) 假设样品仅包含一个切片，则（3)式可以简化为
(4) 将|p〇、v;z1)|2转换为一维矢量矩阵边，如果待测样品为一个NXN的矩阵，则边为长度 为N2的一维矢量矩阵；同样，样品的二维全息图si(x，y)以及菲涅尔波带板h(x，y，Zl)也 可以分别转化为长度为N2的一维矢量矩阵S:和H1; 这样，（4)式可表示为 Si=H!边 +1^ (5) 其中1^代表系统的高斯白噪声，是长度为N2的一维矢量矩阵。 步骤二：调节第二光瞳调制器的电压，将P2(x，y)设置为P2b(x，y) = 8 (x-x2，y_y2)，其 中，x2, yi#y2，从而获得中心位置偏移的球面波，将新的球面波与另外一束平面波经 (6) 偏振分束器合在一起，在被测物体上产生干涉形成第二个菲涅尔波带板（h2); 该光学扫描全息系统的空间脉冲响应，即菲涅尔波带板（h2)可以表示为 通过对同一待测样品进行扫描，可获得第二组样品全息图，同样该过程可以表征为
(7) 矩阵方程为 S2 = H 2 也 +n2 (8) 将两次二维全息扫描的矩阵方程整合起来，可以表示为
(9) 步骤三：利用两次二维扫描的全息图进行全息成像的重现；全息成像重现，即要在已 知S的情况下，求解目标矢量！D，该问题的求解转化为如下的最小化问题，
(10) 其中11.11代表二阶范数，A>0为罚系数，C是拉普拉斯高斯算子，其本质为高通滤波 器，能够用于物像的边缘提取；该最小化问题的解表示为 (H+H+入C+C) f (边）=H+G (11) 其中H+为矩阵H的共轭转置；通过引入共轭梯度算法，即可实现边缘提取以及物像重 现。
2.如权利要求1所述的一种基于双孔光瞳的光学扫描全息图像边缘提取方法，其特征 在于：所述第二光瞳为透射型液晶空间光调制器。
【专利摘要】一种基于双孔光瞳的光学扫描全息图像边缘提取方法，属于光学扫描全息技术领域。技术方案包括：步骤1：将双孔光瞳设置为P2a(x,y)＝δ(x-x1,y-y1)，获得第一个菲涅尔波带板h1，进行第一次二维全息扫描，获取全息图s1。步骤2：将双孔光瞳设置为P2b(x,y)＝δ(x-x2,y-y2)，获得第二个菲涅尔波带板h2，进行第二次二维全息扫描，获取全息图s2，以记录更多的物体高频信息。步骤3：将两次二维全息扫描的全息图进行傅立叶变换，引入共轭梯度法进行逆问题求解。本发明结构简单，易操作，具有很强的实用性，能实现清晰的物像边缘提取，具有重要的应用价值。
【IPC分类】G03H1-12
【公开号】CN104614970
【申请号】CN201510080890
【发明人】欧海燕, 邵维, 王秉中
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年2月15日