一種基于高斯切趾的光學(xué)掃描全息邊緣檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)掃描全息領(lǐng)域與圖像重建領(lǐng)域，具體來說，涉及一種基于高斯光 束切趾的螺旋相位板光學(xué)掃描全息邊緣提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)掃描全息技術(shù)，簡稱0SH，它通過光學(xué)掃描技術(shù)將3維物體的信息存儲(chǔ)為2維 的全息圖。這項(xiàng)技術(shù)是在1979年，Poon和Korpel在他們的聲光外差圖像處理器中調(diào)研雙 極連續(xù)圖像過程的時(shí)候提出。自該項(xiàng)技術(shù)提出以來，已經(jīng)在掃描全息顯微鏡、3D圖像識(shí)別以 及3D光學(xué)遙感等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003] 邊緣提取在圖像預(yù)處理過程中是一項(xiàng)重要的技術(shù)，它屬于圖像底層特征提取，而 圖像底層圖像提取同時(shí)也是計(jì)算機(jī)視覺算法的重要基礎(chǔ)。因此，它在計(jì)算機(jī)視覺中也具有 重要的研究價(jià)值。研究證明，通過螺旋相位板進(jìn)行徑向希爾伯特變換可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像各項(xiàng) 同性的邊緣提取，但是由于螺旋相位板產(chǎn)生的渦旋光束因衍射而存在很多旁瓣，從而導(dǎo)致 圖像邊緣提取的效果變差。
[0004] 文獻(xiàn)〈〈Edgeextractionusingatime-varyingvortexbeaminincoherent digitalholography》提出了利用螺旋相位板產(chǎn)生潤旋光束在OSH系統(tǒng)中對(duì)物體進(jìn)行邊緣 提取的方法，并通過移動(dòng)螺旋相位板的位置獲得了較好的邊緣提取效果。但改進(jìn)的方法并 沒有給出一個(gè)合理的物理解釋，缺乏理論基礎(chǔ)。
[0005] 文獻(xiàn)《RadialHilberttransformwithLaguerre-Gaussianspatialfilters》 提出利用拉蓋爾高斯濾波來抑制渦旋光束旁瓣的方法，在一定程度上提高了邊緣提取的分 辨率，但是抑制比不高。
[0006] 文獻(xiàn)〈〈ImageedgeenhancementinopticalmicroscopywithaBessel-like amplitudemodulatedspiralphasefilter》提出了利用類貝塞爾濾波來抑制旁瓣，抑制 旁瓣的效果優(yōu)于拉蓋爾高斯，有效地提高了邊緣提取的效果，但其依然有較少的衍射噪聲 沒有被濾除。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于抑制潤旋光束的旁瓣，提出一種基于高斯切趾的光學(xué)掃描全息 邊緣檢測(cè)方法，該方法通過控制螺旋相位板的半徑R，使得渦旋光束的旁瓣被高斯光束切 趾，從而極大抑制旁瓣，同時(shí)，本發(fā)明改進(jìn)了渦旋光束的頻域表達(dá)式，由此提高系統(tǒng)邊緣提 取的分辨率。
[0008] 本發(fā)明采用的技術(shù)方法是：
[0009] -種基于高斯切趾的光學(xué)掃描全息邊緣檢測(cè)方法，其流程如圖1所示，包括以下 步驟：
[0010] 步驟1.第一偏振分束器將激光分為兩束，兩束光分別通過兩個(gè)不同的光瞳后，經(jīng) 過第二偏振分束器聚光后干涉形成渦旋光束；其中第一光瞳為螺旋相位板，所述螺旋相位 板可由液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)；第二光瞳為狄拉克S函數(shù)器件；
[0011] 步驟2.調(diào)節(jié)螺旋相位板的半徑，使得所生成的渦旋光束的旁瓣被完全抑制；
[0012] 步驟3.將旁瓣被抑制的渦旋光束對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行掃描，并利用光電檢測(cè)器接收 掃描后的光信息，從而獲得待測(cè)物體的全息圖信息H。；
[0013] 步驟4.將所得的全息圖信息做傅里葉變換后，與傳統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)的頻域表達(dá) 式的共軛相乘，最后經(jīng)過逆傅里葉變換，即可得到包含待測(cè)物體邊緣的切片信息。
[0014] 進(jìn)一步的，步驟1形成渦旋光束的具體過程如下：
[0015] 1-1?第一偏振器將激光分成兩束；
[0016] 1-2. -束光通過螺旋相位板形成潤旋光，另一束光通過第二光瞳形成平面波；螺 旋相位板通常定義如下：
[0017] ⑴
[0018] 其中，R表示螺旋相位板的半徑，P和供表示傅里葉平面的極坐標(biāo)，表示環(huán) 形孔函數(shù)；經(jīng)傅里葉變換后為點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，通常定義為如下：
[0019]
[0020]其中，x= 2RV(入f)，入表示光波波長，f表示凸透鏡的焦距，R表示螺旋相位 板的半徑，Jc和J:分別表示貝塞爾的零階和一階函數(shù)，H。和Hi分別表示司徒魯夫的零階和 一階函數(shù)；
[0021] 1-3.兩束光通過第二偏振分束器聚合，匯聚后的光束在待測(cè)物表面干涉形成時(shí)變 的渦旋光束，該渦旋光束的頻域表達(dá)式如下：
[0022]
[0023] 其中，z表示2D掃描鏡與待測(cè)物體間的距離，f表示凸透鏡的焦距，知表示波 /U- 數(shù)（入為激光波長），1和1表示頻域坐標(biāo)，/<(.\%>〇表示螺旋相位板點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)11&，0) 的共軛；
[0024] 在實(shí)際的情況下，激光光束不可能為理想的平面波，其光強(qiáng)的空間分布通常為高 斯分布，可以表示如下：
[0025]
[0026] 其中，表示高斯光束的腰；因此，第二光瞳p2(x，y)可以表示為：
[0027]
[0028] 其中，《p= ，入表示激光波長，f表示凸透鏡的焦距；
[0029] 考慮到激光光強(qiáng)是高斯分布，由公式（3)_(5)，可以得到修正后的渦旋光束的頻域 表達(dá)式：
[0034] 通過比較（3)式與（6)式，可以看出高斯光束相當(dāng)于一個(gè)高斯濾波器；光束經(jīng)過螺 旋相位板時(shí)，由于衍射而產(chǎn)生了較多旁瓣，這些旁瓣將因高斯光束的尺寸限制而被濾除，從 而提_獲得邊緣的分辨率；
[0035] 步驟3實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下：
[0036] 3-1.渦旋光束對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行二維掃描，得到待測(cè)物的二維全息圖：
[0037]
[0038]其中，|rQ(X，y;Z) |2表示待測(cè)物的復(fù)振幅函數(shù)；
[0039] 步驟4實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下：
[0040] 將全息圖與傳統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)的共軛相乘，以求解包含物體邊緣的切片信息：
[0041] Tr(x,y；z) |2=FMFtHjX0TF*(kx,ky；z)},
[0042] 其中，F(xiàn)1和F分別表示傅里葉逆變換和傅里葉變換；傳統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)為pi(x，y) =1且p2 (x,y) =S(x,y)時(shí)的光學(xué)傳遞函數(shù)：
[0043]
[0044] 本發(fā)明的有益效果是：
[0045] (1)本發(fā)明使用了光學(xué)掃描全息技術(shù)，通過渦旋光束掃描實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物體的高分 辨邊緣提取，邊緣提取技術(shù)應(yīng)用范圍包括生物、機(jī)械、光學(xué)、電學(xué)類等，因此本發(fā)明適用于各 個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用范圍非常廣；
[0046] (2)本發(fā)明利用激光光束本身固有的高斯強(qiáng)度分布實(shí)現(xiàn)對(duì)渦旋光束旁瓣的抑制， 是從根本上提高邊緣提取分辨率的技術(shù)手段；
[0047] (3)本發(fā)明只需要調(diào)節(jié)渦旋光束的半徑R，即可實(shí)現(xiàn)旁瓣的有效抑制；且本發(fā)明提 出了修正后的渦旋光束的頻域表