一种高质量的弱相干光数字全息位相再现图的获取方法

专利名称：：一种高质量的弱相干光数字全息位相再现图的获取方法
技术领域：
：本发明涉及数字全息
技术领域：
，特别涉及一种高质量的弱相干光数字全息位相再现图的获取方法。
背景技术：
：数字全息(DigitalHolography),是普通全息术、计算机技术、电子成像技术相结合的产物。数字全息术和普通全息术的记录过程基本相同，不同的是用CCD摄像机、CMOS摄像机等电子成像器件代替全息干版来记录全息图，并将记录的全息图存人计算机；数字全息术的再现过程和普通全息术完全不同，是用数字计算方法对存人计算机的全息图进行数字再现。和普通全息术比较，有以下明显优点(一)由于用电子成像器件代替全息干版来记录全息图，所需的曝光时间可以很短，没有化学银盐干版的湿处理过程，可连续记录运动物体的各个瞬间过程，实现视频下的连续实时在线全息记录；(二)通过数字再现，可以再现出物光波的复振幅，根据物光波复振幅中的位相信息可以定量显示物体的三维分布，获得物体的三维分布图像是全息照相相对于普通照相的最大优点，而定量的三维分布显示，又是数字全息相对于普通全息的优点，使传统的全息术又焕发出新的应用活力。由于激光的高相干性，使得激光全息图中不可避免地带有激光散斑噪声和记录光路中光学元件所产生的寄生干涉噪声，严重影响数字全息再现图的质量。为了抑制这些噪声，弱相干光数字全息技术引起了人们的兴趣，但由于弱相干光源的空间相干性差，一般只适用于同轴数字全息。为了消去孪生像和零级衍射，一般采用相移的方法来数字再现同轴数字全息图。在数字全息的许多应用中，主要是利用再现的物光波位相，物光波位相的再现质量直接影响到其应用效果。影响数字全息位相再现质量的因素有很多，如何评价其再现质量是一个非常重要的问题。由于物光波的真实位相是不知道的，因此对数字全息再现获得的位相图进行评价就非常困难，目前一般采用对标准物进行数字再现来进行评价。但采用对标准物进行数字再现来进行评价的3方法不是实时评价方法。在实际应用过程中，弱相干光源峰值波长的漂移容易受环境温度、电源电压的影响，全息记录装置、相移器的不稳定性等，都会对相移器的相移角产生影响，从而影响到全息图的记录和对被测物体的高质量位相再现。采用对标准物进行数字再现来进行评价的方法在这种情况下将会失效。因此，对数字全息位相再现的质量进行实时评价就显得非常必要，可以优化和实时调整数字全息再现技术参数，获得高质量的数字全息位相再现图，这对数字全息的应用具有非常重要的意义。
发明内容本发明的目的是针对现有技术的不足提供一种高质量的数字全息位相再现图的获取方法。本发明的技术方案如下一种高质量的弱相干光数字全息位相再现图的获取方法，数字全息的光源为弱相干光源，其特征在于包括以下步骤(1)用普通照相方式得到全息记录面处的强度图；(2)进行数字全息记录和再现，得到全息记录面处的强度再现图和位相再现图；(3)对强度图和强度再现图进行相关运算，得到相关系数；(4)多次通过相移器改变相移角，重复步骤(2)(3);得到一系列的强度再现图、位相再现图及对应的相关系数；(5)最大的相关系数对应的位相再现图即为高质量的数字全息位相再现图。用普通照相方式得到的全息记录面处的强度图，即为关闭数字全息记录装置中的参考光，只让物光波进入摄像机，用摄像机将全息记录面处的物光波的强度用普通的照相方式记录下来，传输至计算机并用图像文件形式存储下来。进行数字全息记录和再现，得到全息记录面处的强度再现图和位相再现图，即为在保证物光波不变以及摄像机不动的情况下，打开参考光用摄像机进行数字全息记录，将摄像机记录到的数字全息图传输至计算机，计算机将记录到的数字全息图进行物光波数字再现，获得全息记录面处的强度再现图和位相再现图。进一步的，步骤(4)所述的相移器为压电陶瓷相移器，通过改变压电陶瓷相移器的驱动电压来改变相移角。本发明的工作原理如下首先用光开关关闭数字全息记录装置中的参考光，只让物光波进入摄像机，用摄像机将全息记录面处的物光波强度用普通的照相方式记录下来，传输至计算机并用图像文件的形式存储下来。在保证物光波不变、摄像机不动的情况下，打开参考光用摄像机进行全息记录，将摄像机记录到的全息图传输至计算机，计算机将记录到的数字全息图进行数字全息再现，获得全息记录面处的强度再现图和位相再现图。再将上述摄像机用普通的照相方式拍摄到的强度图和通过数字全息再现获得的强度再现图进行相关运算，得到相关系数。多次改变相移角，重复上述步骤。相关系数越大，说明通过数字全息再现获得的强度再现图再现质量越好，又因为强度再现图和位相再现图是关联的，所以普通的照相方式拍摄到的强度图和通过数字全息再现获得的强度再现图之间的相关系数越大，说明通过数字全息再现获得的位相再现图再现质量也越好。数字全息再现可以同时获得强度再现图和位相再现图。由于强度再现图和用普通照相方式得到的强度图相比，在图像质量方面并没有优势而很少被利用；用普通照相方式无法得到的位相图，由于反映了被测物体的三维信息，而倍受关注。本发明就是利用了普通照相方式得到的强度图和数字全息强度再现图之间的关联，数字全息强度再现图和位相再现图的关联，不需要标准对照物，通过被测物本身的强度信息实时评价位相再现图的质量。本发明不需要用标准物来进行对照评价，而是根据对被测物本身的数字全息数字再现结果，可即时给出位相再现质量的评价，获得最优的数字全息位相再现图。图1是数字全息记录装置示意图。图2是实施例的实验装置示意图。图中，l-LED光源；2-扩束准直镜；3-分束镜；4-物光束；5-待测物体；6-光开关；7-参考光束；8-反射镜；9-摄像机；lO-计算机；ll-相移驱动器；12-相移器。图3是实施例中摄像机拍摄到的强度图。图4是实施例中在6.0V的相移驱动电压下获得的强度再现图。图5是实施例中在6.6V的相移驱动电压下获得的强度再现图。图6是实施例中在7.2V的相移驱动电压下获得的强度再现图。图7是实施例中在不同的相移驱动电压下的相关系数。图8是实施例中在6.0V的相移驱动电压下获得的位相再现图。图9是实施例中在6.6V的相移驱动电压下获得的位相再现图。图10是实施例中在7.2V的相移驱动电压下获得的位相再现图。图11是实施例中在不同的相关系数下获得的图8、图9、图IO虚线列的数字全息再现位相值。具体实施例方式以如图l所示数字全息记录光路为例，但不限于此记录光路。开启光源l，关闭光开关6，光源1发出的光束经扩束准直镜2、分束镜3照射到待测物体4，光束被待测物体4反射后形成物光束5，物光束5经分束镜3射入摄像机9中，用普通照相方式拍摄物光波的强度图，再将该强度图像传输至计算机10并存储。在保证装置中与物光波有关的部件不动的情况下，打开光开关6，让参考光7经分光镜3和物光束6进行干涉，用摄像机9进行全息图拍摄，将摄像机9记录到的全息图传输至计算机10，计算机10再将记录到的数字全息图进行物光波数字再现，获得全息记录面处的物光波强度再现图和位相再现图。再将上述摄像机10用普通的照相方式拍摄到的强度图和通过数字全息再现获得的强度再现图进行相关运算，进行相关运算可采用以下公式(1)扁，=i户i鹏-s附"'产i其中X、^表示进行相关运算的两幅图像的矩阵；P〃为要计算的相关系数，0《；9^^1;附、"分别表示图像矩阵总行数和总列数；4、R分别表示两幅图像矩阵的矩阵元；2、》分别表示两幅图像矩阵的矩阵元平均值。相关运算P^越大，说明通过数字全息再现获得的位相再现图再现质量越好。实施例在用LED为光源的弱相干光相移数字全息位相再现中，由于经常容易出现6不稳定的相移误差，相移误差又对位相再现质量影响较大，本技术方案可应用于其位相再现质量实时评价，并实时较正相移误差、优选再现图像。图2为本实施例的实验装置示意图。相移器12是用压电陶瓷(PZT)制作的，用氦氖激光器(波长632.8nm)对其定标，在驱动电压为6.3V时，对应的相移角为2。当用LED作为光源时，由于LED的峰值波长会随着温度和注入电流漂移，2并且LED的峰值波长发散性较大，即使是同一厂家生产的同一型号，每个LED的峰值波长也略有不同，这使得相移器的标定出现困难，另外，压电陶瓷相移器也存在非线性和随机误差。我们在6.3V附近对相移器施加不同的驱动电压以连续改变相移器的相移角，按照以下步骤进行相移数字全息记录和再现。开启LED光源1，关闭光开关6，用摄像机9拍摄物光波的强度图(如图3所示)，再将该强度图像传输至计算机10并存储。在保证装置中与物光波有关的部件不动的情况下，打开光开关6，用摄像机9进行四步相移全息图拍摄，将摄像机9记录到的全息图传输至计算机10，计算机10再将记录到的数字全息图进行物光波数字再现。图4、图5、图6分别为6.0V、6.6V、7.2V相移驱动电压的情况下，获得的四步相移数字全息再现强度图。表l相移驱动电压与相关系数的对应关系<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表l为在不同的相移驱动电压的情况下，获得的四步相移数字全息再现强度图与图3进行相关运算后得到的相关系数，图7是表1中数据对应的图，从图7可看出，在6.6V相移驱动电压的情况下相关系数最大，这就说明，在6.6V时相移误差最小，数字全息再现的位相图像质量最好。图8、图9、图10分别为6.0V、6.6V、7.2V相移驱动电压的情况下，获得的四步相移数字全息再现位相图。图11为图8、图9、图10中虚线所在列的数字全息再现位相值，图11中，从上往下的3条曲线分别为相移驱动电压为7.2V、6.6V、6.0V所对应的位相值。权利要求1、一种高质量的弱相干光数字全息位相再现图的获取方法，数字全息的光源为弱相干光源，其特征在于包括以下步骤(1)用普通照相方式得到全息记录面处的强度图；(2)进行数字全息记录和再现，得到全息记录面处的强度再现图和位相再现图；(3)对强度图和强度再现图进行相关运算，得到相关系数；(4)多次通过相移器改变相移角，重复步骤(2)～(3)；得到一系列的强度再现图、位相再现图及对应的相关系数；(5)最大的相关系数对应的位相再现图即为高质量的数字全息位相再现图。2、根据权利要求1所述的高质量的弱相干光数字全息位相再现图的获取方法，其特征在于用普通照相方式得到的全息记录面处的强度图，即为关闭数字全息记录装置中的参考光，只让物光波进入摄像机，用摄像机将全息记录面处的物光波的强度用普通的照相方式记录下来，传输至计算机并用图像文件形式存储下来。3、根据权利要求2所述的高质量的弱相干光数字全息位相再现图的获取方法，其特征在于进行数字全息记录和再现，得到全息记录面处的强度再现图和位相再现图，即为在保证物光波不变以及摄像机不动的情况下，打开参考光用摄像机进行数字全息记录，将摄像机记录到的数字全息图传输至计算机，计算机将记录到的数字全息图进行物光波数字再现，获得全息记录面处的强度再现图和位相再现图。4、根据权利要求1至3任一项所述的高质量的弱相干光数字全息位相再现图的获取方法，其特征在于步骤(4)所述的相移器为压电陶瓷相移器，通过改变压电陶瓷相移器的驱动电压来改变相移角。全文摘要本发明公开了一种高质量的弱相干光数字全息位相再现图的获取方法，数字全息的光源为弱相干光源，其特征在于包括以下步骤(1)用普通照相方式得到全息记录面处的强度图；(2)进行数字全息记录和再现，得到全息记录面处的强度再现图和位相再现图；(3)对强度图和强度再现图进行相关运算，得到相关系数；(4)多次通过相移器改变相移角，重复步骤(2)～(3)；得到一系列的强度再现图、位相再现图及对应的相关系数；(5)最大的相关系数对应的位相再现图即为高质量的数字全息位相再现图。本发明不需要标准对照物，通过被测物本身的强度信息实时评价位相再现图的质量，获得高质量的位相再现图，对数字全息的应用具有非常重要的意义。文档编号G03H1/00GK101576731SQ20091004011公开日2009年11月11日申请日期2009年6月9日优先权日2009年6月9日发明者怡秦,钟金钢申请人:暨南大学