多波长自适应数字全息成像系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及数字全息成像术，属于三维数字成像领域，更具体地说，本发明涉及一 种多波长可调谐的自适应数字全息成像系统及方法。
【背景技术】
[0002] 数字全息术作为一种新型三维数字成像技术，其记录和重构成像皆涉及数字化过 程。相对于使用全息干板进行波前记录的传统全息术，数字全息使用光电耦合器件（CMOS 或CCD)进行波前记录，使用计算机数值模拟衍射传播过程进行波前重构，进而获得待记录 物体真实的三维形貌信息。
[0003] 离轴数字全息术是一种为了解决孪生像问题而提出的全息术，其记录光路通常采 用马赫泽德干涉仪系统，实现离轴数字全息图的记录。全息图记录过程中，不依靠由物体直 接透射的光作为参考光波，而是引入另一光束作为参考光，参考光与物光成一定夹角传播， 而不是共线传播。由图像采集器记录所形成的干涉条纹，就得到离轴数字全息图。
[0004] 数字全息频谱滤波术特指于离轴数字全息术波前信息数值重构过程中，对经由傅 里叶变换获得的频谱图进行有效信息提取的过程。其目的在于，从全息图频谱中滤除孪生 项，提取出正一级频谱信息。
[0005] 多波长数字全息术是为了扩展数字全息成像探测范围而提出的一种新型数字全 息成像术，主要目的是克服单波长数字全息术对表面形貌复杂和具有较大起伏的物体再现 能力差的问题。常见的多波长数字全息术为双波长数字全息和三波长数字全息，但不仅限 于双波长和三波长情况。多波长数字全息术图像重构特点是将单波长数值重构所获得的不 同波长的相位图两两相减并相位补偿，进而获得等效波长相位图，以此实现多波长波前重 构。
[0006] 由于数字全息成像技术的有效成像探测深度受限于所使用的记录波长，故对于未 知深度信息的待测物体，无法快速确定其适用的记录波长，需要进行第三方检测（表面轮 廓仪、原子力显微镜等）来确定其深度信息分布范围后，方可选定记录波长，进行数字全息 波前重构。
[0007] CCD或CMOS图像采集器是由高感光度的半导体材料制成、能实现光信号向电信号 转化的图像采集设备，此类设备可以采集到照射于其靶面的图像，但是无法识别所记录图 像的照明光源波长。
【发明内容】
[0008] 本发明目的在于提供一种多波长自适应数字全息成像系统和方法，特别是通过一 种离轴数字全息图频谱扫描法识别所记录全息图的记录光波长，以及使用波长可调谐激光 光源进行多波长数字全息成像的系统，有利于对深度信息分布范围未知的待测物体实现准 确的多波长数字全息成像探测。
[0009] -种多波长自适应数字全息成像系统，其特征在于包括：多波可调谐激光器1、扩 束准直器2、光阑3、第一分光棱镜4、第一反射镜5、第二反射镜6、第二分光棱镜7、待测物 体8、图像采集器9以及计算机10,其中第一分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜和第二分光 棱镜构成马赫泽德干涉仪光路，由第一分光棱镜、第一反射镜和第二分光棱镜构成马赫泽 德干涉仪结构的物臂，由第一分光棱镜、第二反射镜和第二分光棱镜构成马赫泽德干涉仪 结构的参考臂；
[0010] 可调谐多波长激光器1出射的激光经扩束准直器2扩束后，照射到光阑3上，经由 光阑3调整光斑大小后，该光束照射到第一分光棱镜4处；光束由第一分光棱镜4分为两束 光束，其中透射光束为物光光束，反射光束为参考光光束；待测物体放置于第一反射镜和第 二分光棱镜之间或者放置在第一反射镜和第二分光棱镜的延长线上。
[0011] 应用所述系统的方法，其特征在于依次包括：首先经由Sl输入全息图导入单波长 数字全息图，其后进行S2波长关联识别获得对应单波长数字全息图的记录波长，然后将Sl 导入的单波长全息图和S3输出全息图记录波长一同导入S4单波长数字全息相位重构，最 终获得S5单波长相位图；完成一次完整的单波长数字全息图数值重构后，进行S6判断过 程，判断是否完成了经由多波长数字全息记录单元记录的所有单波长全息图的数值重构， 若未完成则返回Sl步骤，若完成则将所有单波长相位图导入S7多波长自适应相位重构中， 进行多波长相位重构和自适应筛选，实现S8多波长相位图获取。
[0012] 进一步，S2波长关联识别包括6个步骤：S2-1傅里叶变换，对全息图进行傅里叶 变换，获取其频谱分布信息；S2-2获得全息图的频谱图，用于获得并输出全息图的频谱图； S2-3零级频谱区域判定，用于在频谱域中判定划分出零级频谱的区域，并在之后S2-4正一 级频谱扫描中，不再对所述的零级频谱区域进行扫描；S2-4正一级频谱区域扫描，用于扫 描分析零级频谱区域之外的正一级频谱区域；S2-5获得正一级频谱中心点位置；S2-6记录 波长判定，用于在S2-5获得正一级频谱中心点位置后，根据频谱域波长分布关系进行记录 波长判断，计算得出记录波长值。
[0013] 进一步，S4单波长数字全息相位重构包括5个步骤：S4_1傅里叶变换，获得各全息 图的频谱图；由S4-2频谱滤波，提取各频谱图中正一级频谱信息；由S4-3傅里叶逆变换， 将正一级频谱还原为记录平面复振幅分布；由S4-4角谱自由空间传播，使用输入的各全息 图记录波长值，数值计算光波在自由空间中的传播，得到观察平面上的复振幅分布；然后， 进行S4-5Angle角函数处理，利用Angle角函数处理获得单波长相位图。
[0014] 进一步，S7多波长自适应相位重构包括以下步骤：S7-1等效波长合成，使用两个 波长进行等效波长合成；S7-2获得等效波长，得到等效波长值，并保存合成该等效波长的 两个单波长值；S7-3双波长相位重构，使用合成所述等效波长的两个波长对应的单波长相 位图进行相减，数值重构等效波长相位图；在S7-4等效波长相位图，获得等效波长相位图 信息，转化为人眼可识别的黑白图像并显示；S7-5包裹相位判定，判别所述的等效波长相 位图中是否包含包裹相位，若含有包裹相位，则返回S7-1等效波长合成，重新选取两个波 长合成一个新的等效波长，并进行相应的双波长相位重构，若不含有包裹相位，则将所述等 效波长相位图输出，该所述等效波长相位图即是待测物体的重建相位图。
[0015] 更为详细的：
[0016] -种多波长数字全息记录单元，配置为采用马赫泽德干涉仪结构的离轴菲涅尔数 字全息记录光路，使用不同波长激光记录多幅数字全息图。多波长数字全息记录单元对同 一待测物体记录其对应于不同波长记录光的数字全息图，之后使用所述波长关联识别模块 对这些不同波长记录的数字全息图进行波长关联识别，其后使用所述单波长数字全息相位 重构模块获得对应每个波长的相位图，然后使用多波长自适应相位重构模块筛选合适波长 的数字全息图进行双波长相位重构，最终得到待测物体的准确相位信息分布。
[0017] 所述多波长数字全息记录单元，配置为一种离轴菲涅尔数字全息记录光路，该光 路使用马赫泽德干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer)光路结构和波长可调谐激光器产 生不同波长的数字全息图，使用诸如CCD或者CMOS图像采集器记录对应于不同波长的数字 全息图，所述数字全息图为离轴菲涅尔数字全息图（Off-Axis Fresnel Hologram)。具体包 括：波长可调谐激光器出射的激光作为记录光，经由扩束准直器进行扩束准直，以及光阑调 整光斑大小后，入射进入所述马赫泽德干涉仪光路；经第一分光棱镜透射的物光束和反射 的参考光束分别经物光臂和参考光臂传播，其中物光束照射待测物体后加载上物信息，然 后所述物光束与所述参考光束在第二分光棱镜上形成一定夹角（即离轴干涉角）并继续传 播，然后在图像采集器的记录靶面干涉形成全息图。
[0018] 所述波长可调谐激光器，为可见光波段的多波长输出光源。用于产生不同波长的 激光，作为多波长数字全息图的记录光束。
[0019] 所述图像采集器采用通用接口通过图像采集卡连接到所述计算机，将图像采集器 的记录靶面上的单波长全息图传送到所述计算机中保存，完成不同波长的数字全息图像的 记录。
[0020] 本发明的一种多波长自适应数字全息成像方法包括：记录多个不同波长的数字全 息图，使用多波长可调谐激光器对同一待测物体记录其对应于不