專利名稱：一種可有效抑制零級和共軛像的同軸數(shù)字全息方法
技術領域：
本發(fā)明涉及全息技術領域，特別涉及一種可有效抑制零級和共軛像的同軸數(shù)字全 息方法。
背景技術：
英籍學者伽柏在研究如何提高電子顯微鏡的分辨本領時，首次提出了同軸全息術 的思想。同軸全息術的特點是參考光波與物光波同軸，記錄光路簡單，對環(huán)境和光源的相干 性要求較低。但缺點是零級衍射(即直透光)和共軛像與原物場的再現(xiàn)像也同軸，從而使 原物場的再現(xiàn)像受到很強的背景干擾，再現(xiàn)像質(zhì)量下降。與同軸全息術相比，離軸全息術中 物光和參考光有一定的夾角，從而使全息圖再現(xiàn)過程中的零級衍射、再現(xiàn)像及其共軛像彼 此分開，但離軸全息術對全息圖記錄光路、環(huán)境震動及記錄介質(zhì)的要求較高，且并不適用于 粒子場測量等領域。近年來，數(shù)字全息術逐漸成為研究的熱點。數(shù)字全息術以固體成像 器件 CCD(Charge Coupled Device,電荷耦合器件)或 CMOS(Complementary Metal-OxideSemiconductor，金屬氧化物半導體)替代傳統(tǒng)的銀鹽干板來記錄全息圖，通 過計算機數(shù)值模擬全息圖的衍射過程，利用快速傅里葉變換算法及頻譜濾波處理等獲得物 光波場的振幅和相位信息，實現(xiàn)三維物光波場重構，避免了傳統(tǒng)的濕化學處理過程，具有快 速、實時等優(yōu)點。根據(jù)不同記錄光路結構，數(shù)字全息術也分為同軸和離軸兩類。同軸數(shù)字全 息術對CCD的空間分辨率要求較離軸數(shù)字全息術低，但與傳統(tǒng)的同軸光學全息術類似，同 軸數(shù)字全息術的再現(xiàn)像同樣受到零級衍射和共軛像的干擾，因而限制了其廣泛應用。目前，同軸數(shù)字全息術主要采用相移技術、HRO相減技術或者重建過程的數(shù)值迭代 算法等，來消除數(shù)值再現(xiàn)像中零級衍射和共軛像的影響。相移技術要求依次記錄有一定相 移差的四幅或多幅數(shù)字全息圖，并通過對所記錄的多幅全息圖進行數(shù)值計算，以消除零級 衍射和共軛像，但在多幅全息圖的記錄過程中往往難以精確控制相移，且對于快速變化的 物體無法利用該方法。HRO相減技術需要利用CCD分別記錄物光、參考光以及其所形成的數(shù) 字全息圖，并對其進行相應的數(shù)值計算，但與相移技術類似，同樣難以用于物體的動態(tài)變化 過程。重建過程的數(shù)值迭代算法通過在同軸數(shù)字全息圖的數(shù)值重建過程引入迭代因子，經(jīng) 過多步迭代計算獲得無完全無直透光和共軛像影響的全息再現(xiàn)像，但是其運算復雜，多步 運算耗時較久。
發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術問題為了避免現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明提出一種可有效抑制零級衍射和共軛像的 同軸全息方法，通過數(shù)字全息圖記錄過程的特殊設計，僅利用一幅數(shù)字全息圖，并經(jīng)過簡單 數(shù)值運算得到抑制零級衍射和共軛像的全息再現(xiàn)像，克服已有方法需記錄多幅全息圖或者 運算復雜等缺點。
技術方案一種漫反射型物體可有效抑制零級衍射和共軛像的同軸數(shù)字全息方法，其特征在 于步驟如下步驟1，在待測物體與全息干涉圖數(shù)字記錄位置之間設置一個小孔，激光照射并 透過待測物體或者從待測物體表面反射的激光束通過小孔，沿同一光軸方向到達記錄位置 形成物光波；該物光波在記錄位置與參考光波發(fā)生干涉，形成反映待測物體的全息干涉圖； 所述參考光波為與物光波相干的且光軸重合的激光光波；步驟2，以與參考光波共軛的光波作為數(shù)值模擬計算過程的再現(xiàn)照明光波，利用描 述光波衍射傳播的菲涅爾_基爾霍夫衍射積分公式
權利要求
一種漫反射型物體可有效抑制零級衍射和共軛像的同軸數(shù)字全息方法，其特征在于步驟如下步驟1，在待測物體與全息干涉圖數(shù)字記錄位置之間設置一個小孔，激光照射并透過待測物體或者從待測物體表面反射的激光束通過小孔，沿同一光軸方向到達記錄位置形成物光波；該物光波在記錄位置與參考光波發(fā)生干涉，形成反映待測物體的全息干涉圖；所述參考光波為與物光波相干的且光軸重合的激光光波；步驟2，以與參考光波共軛的光波作為數(shù)值模擬計算過程的再現(xiàn)照明光波，利用描述光波衍射傳播的菲涅爾 基爾霍夫衍射積分公式 <mrow><mi>U</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>ξ</mi> <mo>,</mo> <mi>η</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mo>-</mo><mfrac> <mi>i</mi> <mi>λ</mi></mfrac><msubsup> <mo>∫</mo> <mrow><mo>-</mo><mo>∞</mo> </mrow> <mo>∞</mo></msubsup><msubsup> <mo>∫</mo> <mrow><mo>-</mo><mo>∞</mo> </mrow> <mo>∞</mo></msubsup><mi>h</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>R</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mfrac> <mrow><mi>exp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mfrac><mrow> <mn>2</mn> <mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi> </mfrac> <msqrt><msup> <mi>d</mi> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>-</mo><mi>ξ</mi><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><mi>y</mi><mo>-</mo><mi>η</mi><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </msqrt> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <msqrt><msup> <mi>d</mi> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>-</mo><mi>ξ</mi><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><mi>y</mi><mo>-</mo><mi>η</mi><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </msqrt></mfrac><mo>×</mo><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn> </mfrac> <mi>cos</mi> <mi>θ</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>dxdy</mi> </mrow>得到復振幅分布U(ξ，η)，其中(ξ，η)為積分公式計算得到的平面，(x，y)為待測物體的全息干涉圖平面的坐標，λ為再現(xiàn)照明光波波長等于激光照射時激光的波長，R為再現(xiàn)照明光波的復振幅分布等于參考光波的復振幅的共軛，h(x，y)是全息圖的復振幅透射函數(shù)等于全息干涉圖的強度，cosθ是傾斜因子，d為衍射距離等于小孔到記錄位置的距離；然后對復振幅分布U(ξ，η)取模值并求平方，得到衍射圖樣H1的強度分布；步驟3，選取衍射圖樣H1的低頻部分對衍射圖樣H1進行濾波，獲得濾波后的衍射圖樣H2；所述的低頻部分為衍射圖樣H1的內(nèi)切圓半徑的1％～70％；步驟4，對衍射圖樣H2再次利用菲涅爾 基爾霍夫衍射積分公式計算得到有效抑制零級和共軛像的數(shù)字全息再現(xiàn)像的衍射圖樣H3；計算中衍射距離d取待測物體到小孔的距離。
2.一種透射型物體可有效抑制零級衍射和共軛像的同軸數(shù)字全息方法，其特征在于步 驟如下步驟1，以匯聚激光照射并透過待測物體到達記錄位置形成物光波，該物光波在記錄位 置與參考光波發(fā)生干涉，形成反映待測物體的全息干涉圖；所述參考光波為與物光波相干 的且光軸重合的激光光波；所述的記錄位置設置于匯聚激光照射并透過待測物體后形成的 匯聚點之后；步驟2，以與參考光波共軛的光波作為數(shù)值模擬計算過程的再現(xiàn)照明光波，利用描述光 波衍射傳播的菲涅爾_基爾霍夫衍射積分公式Hy-η ) ！ {υ(ξ,η) = --[ Γ h(x,y)R(x,y)——fx(- + -cose)dxdy義 H^ 2+(χ-ξ)2+{γ-η)22 2得到復振幅分布υ(ξ，n)，其中(ξ，η)為積分公式計算得到的平面，(x,y)為待測 物體的全息干涉圖平面的坐標，λ為再現(xiàn)照明光波波長等于激光照射時激光的波長，R為 再現(xiàn)照明光波的復振幅分布等于參考光波的復振幅的共軛，h(x，y)是全息圖的復振幅透射 函數(shù)等于全息干涉圖的強度，cos θ是傾斜因子，d為衍射距離等于匯聚激光照射并透過待 測物體后形成的匯聚點到記錄位置的距離；然后對復振幅分布υ( ξ，η)取模值并求平方，得到衍射圖樣H1的強度分布；步驟3，選取衍射圖樣H1的低頻部分對衍射圖樣H1進行濾波，獲得濾波后的衍射圖樣 H2 ；所述的低頻部分為衍射圖樣H1的內(nèi)切圓半徑的 70% ；步驟4，對衍射圖樣H2再次利用菲涅爾_基爾霍夫衍射積分公式計算得到有效抑制零 級和共軛像的數(shù)字全息再現(xiàn)像的衍射圖樣H3 ；計算中衍射距離d取待測物體到匯聚激光照 射并透過待測物體后形成的匯聚點的距離。
3. —種透射型物體可有效抑制零級衍射和共軛像的同軸數(shù)字全息方法，其特征在于步 驟如下步驟1，在待測物體與全息干涉圖數(shù)字記錄位置之間設置一個透鏡，以平行激光照射 并透過待測物體，經(jīng)過透鏡匯聚后到達記錄位置形成物光波；該物光波在記錄位置與參考 光波發(fā)生干涉，形成反映待測物體的全息干涉圖；所述參考光波為與物光波相干的且光軸 重合的激光光波；所述的記錄位置設置于匯聚激光照射并透過待測物體后形成的匯聚點之 后；步驟2，以與參考光波共軛的光波作為數(shù)值模擬計算過程的再現(xiàn)照明光波，利用描述光波衍射傳播的菲涅爾_基爾霍夫衍射積分公式/ -----CXPd-^d2 Ηχ-ξ)2+(γ-η)2) 1 1 υ(ξ,η) = — \ Γ Kx,y)R{x,y)——f=x( ;+-cos0dxdv得到復振幅分布υ(ξ，n)，其中(ξ，η)為積分公式計算得到的平面，(x,y)為待測 物體的全息干涉圖平面的坐標，λ為再現(xiàn)照明光波波長等于激光照射時激光的波長，R為 再現(xiàn)照明光波的復振幅分布等于參考光波的復振幅的共軛，h(x，y)是全息圖的復振幅透射 函數(shù)等于全息干涉圖的強度，cos θ是傾斜因子，d為衍射距離等于匯聚激光照射并透過待 測物體后形成的匯聚點到記錄位置的距離；然后對復振幅分布υ( ξ，η)取模值并求平方，得到衍射圖樣H1的強度分布； 步驟3，選取衍射圖樣H1的低頻部分對衍射圖樣H1進行濾波，獲得濾波后的衍射圖樣 H2 ；所述的低頻部分為衍射圖樣H1的內(nèi)切圓半徑的 70% ；步驟4，對衍射圖樣H2再次利用菲涅爾_基爾霍夫衍射積分公式計算衍射圖樣H4 ；計 算中的衍射距離d取透鏡到匯聚激光照射并透過待測物體后形成的匯聚點的距離；步驟5，對衍射圖樣H4的強度分布乘以P(U)eXp -\~(x2+y2)，其中P(x，y)為透鏡的光瞳函數(shù)，_ 丄J_exp -iMx2+y2)為透鏡引入的相位變換，之后繼續(xù)利用菲涅爾-基爾霍夫衍射積分公式_ 丄J_計算得到有效抑制零級和共軛像的數(shù)字全息再現(xiàn)像的H3 ；計算中的衍射距離d取透鏡到待 測物體的距離。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可有效抑制零級和共軛像的同軸數(shù)字全息方法，其技術特征在于針對漫反射型物體或透射型物體，通過數(shù)字全息圖記錄過程的特殊設計，僅利用一幅數(shù)字全息圖，并經(jīng)過簡單數(shù)值運算得到抑制零級衍射和共軛像的全息再現(xiàn)像，在全息圖的再現(xiàn)過程中，光闌或者低通濾波操作可以擋掉0級+1級以及所有高次衍射光波，僅僅讓-1級衍射光波透過，從而使-1級全息像得到分離重現(xiàn)。相比于通常的同軸數(shù)字全息圖，其再現(xiàn)像受到零級和共軛像的嚴重干擾，本方法全息再現(xiàn)像的效果理想，其避免了相移和HRO相減等方法不可實時性以及數(shù)值迭代算法復雜且需要多步計算等的缺點。
文檔編號G01B9/021GK101957171SQ20101025831
公開日2011年1月26日 申請日期2010年8月19日 優(yōu)先權日2010年8月19日
發(fā)明者趙建林, 邸江磊 申請人:西北工業(yè)大學