CN108645336B - 一种无参考光数字全息相机及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无参考光数字全息相机及标定方法。所述相机包括：图像传感器、分光镜、随机相位板和光阑；图像传感器前依次平行固定有分光镜、随机相位板和光阑；分光镜的分光面与图像传感器的接收面呈45度夹角，当光束从分光镜的下部以垂直分光镜的下表面的方向入射时，光束经过分光镜的分光面反射后垂直入射至图像传感器的接收面；随机相位板利用微纳米加工技术制作而成，随机相位板的表面刻有多个已知深度和坐标的凹陷单元；光阑的中心设置有通光孔，当光束从光阑的通光孔以垂直光阑表面的方向入射时，光束依次经过随机相位板和分光镜后垂直入射至图像传感器的接收面。采用本发明的相机并进行标定后，可以提高无参考光数字全息成像的质量。

Description

一种无参考光数字全息相机及标定方法

技术领域

本发明涉及数字全息成像领域，特别是涉及一种无参考光数字全息相机及标定方法。

背景技术

数字全息是一种能同时获取物光波的定量振幅和相位信息的成像技术。一般的数字全息成像是基于光的干涉原理实现的，需要用一束已知的参考光波与未知的物光波发生干涉，形成并记录全息图后，再利用已知的参考光波信息和全息图信息通过再现方法得到物体的再现像。其干涉光路结构较为复杂，对环境要求高。在实际应用中，受环境等因素的影响，很难准确知道参考光波的准确信息。因此在实际应用中受到一定的限制。

现有的无参考光全息成像方法采用光学毛玻璃作为扩散元件，其微结构是未知的，需要进行精确且复杂的标定过程来测定全息相机的传输矩阵。类似于采样理论，对全息成像分辨率要求越高，则需要测量的传输矩阵数量就越多。但是，受标定系统精度的限制及标定过程中环境干扰的影响，测量数量的增加也可能使传输矩阵的误差增大，使得目前这种方法得到的成像结果分辨率较低，存在较严重的散斑噪声。而且波长不同时，全息相机的传输矩阵也不同，当用不同光波成像时，需要进行重新标定，不利于实现彩色全息成像。

发明内容

本发明的目的是提供一种无参考光数字全息相机及标定方法，以提高无参考光数字全息成像的质量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种无参考光数字全息相机，所述相机包括：图像传感器、分光镜、随机相位板、光阑和外壳；所述图像传感器前依次平行固定有所述分光镜、所述随机相位板和所述光阑，所述分光镜、所述随机相位板和所述光阑均置于所述外壳内；

所述图像传感器为彩色数码相机的图像传感器；所述分光镜的分光面与所述图像传感器的接收面呈45度夹角，当光束从所述分光镜的下部以垂直所述分光镜的下表面的方向入射时，光束经过所述分光镜的分光面反射后垂直入射至所述图像传感器的接收面；

所述随机相位板利用微纳米加工技术制作而成，所述随机相位板的表面刻有多个已知深度和坐标的凹陷单元；

所述光阑的中心设置有通光孔，当光束从所述光阑的通光孔以垂直所述光阑表面的方向入射时，光束依次经过所述随机相位板和所述分光镜后垂直入射至所述图像传感器的接收面。

可选的，所述相机还包括：偏振片，所述偏振片固定于所述随机相位板与所述分光镜之间，且所述偏振片、所述随机相位板与所述分光镜之间均平行。

可选的，所述随机相位板的厚度为1～2mm，所述凹陷单元的深度各不相同，所有凹陷单元的深度值满足随机分布规律，且深度值的分布范围在(0,1]μm之间；所述凹陷单元的大小均为1～100μm。

可选的，所述外壳包括通光窗口，所述通光窗口位于所述分光镜的下表面的中心位置。

可选的，所述外壳还包括封闭板，用于封闭所述通光窗口。

一种无参考光数字全息相机的标定方法，所述标定方法包括：

利用平面照射光垂直入射光阑；所述平面照射光通过光阑的通光孔入射，依次经过随机相位板和分光镜，垂直到达图像传感器；

获得图像传感器记录的同轴全息图；

利用平面参考光垂直入射所述分光镜；所述平面参考光通过外壳的通光窗口入射，经过所述分光镜的分光面反射后，垂直到达所述图像传感器；

获得所述图像传感器记录的离轴全息图；

根据所述离轴全息图的低分辨率信息引导所述同轴全息图的高分辨率重建，得到所述随机相位板的强度像和相位像；

根据所述随机相位板的强度像和相位像确定所述随机相位板与所述图像传感器之间的相对位置关系；所述相对位置关系包括所述随机相位板上每个凹陷单元在所述图像传感器上的投影位置，还包括所述随机相位板与所述图像传感器之间的垂直距离；

根据随机相位板的参数和所述相对位置关系，利用数值计算的方法获得所有输入基模的散斑响应，得到所述相机的红、绿、蓝三种颜色的传输矩阵，完成标定；所述随机相位板的参数包括所述随机相位板的厚度和所有凹陷单元的位置、深度与大小。

可选的，所述平面照射光与所述平面参考光具有相干性。

可选的，所述得到所述相机的红、绿、蓝三种颜色的传输矩阵，完成标定，之后还包括：

封闭所述外壳上的通光窗口。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

由于本发明中作为扩散元件的随机相位板的微观结构是已知的，在标定过程中只需要经过简单的过程确定随机相位板与图像传感器之间的相对位置，然后通过数值计算的方式得到无参考光数字全息相机的传输矩阵。标定过程更为简单，且传输矩阵的误差不会因输入量的增加而增大，可以获得更好的成像质量。而且确定随机相位板与图像传感器之间的相对位置后，通过数值计算的方式可以方便地得到无参考光数字全息相机的红、绿、蓝三种颜色的传输矩阵。同时，利用彩色图像传感器记录物光进入无参考光数字全息相机后形成的散斑图像，可以重建出物体的彩色强度像和相位像。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明无参考光数字全息相机的结构示意图；

图2为本发明无参考光数字全息相机的标定方法的流程示意图；

图3为使用本发明无参考光数字全息相机的第一示意图；

图4为使用本发明无参考光数字全息相机的第二示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明无参考光数字全息相机的结构示意图。如图1所示，所述相机包括：

图像传感器1、分光镜2、偏振片3、随机相位板4、光阑5和外壳6；所述图像传感器1为彩色数码相机的图像传感器；在彩色数码相机的图像传感器1前面依次装有分光镜2、偏振片3、随机相位板4、光阑5，组成无参考光数字全息相机。光阑5、随机相位板4、偏振片3、分光镜2安装于圆柱形外壳6内(图中的外壳6只画了一半)，外壳6与数码相机相连固定。光阑5、随机相位板4、偏振片3、分光镜2与数码相机的图像传感器1的中心处于圆柱形外壳6的轴线上，光阑5、随机相位板4、偏振片3与数码相机的图像传感器1平行。

分光镜2的分光面2-1与图像传感器1的接收面呈45度夹角，当光束从所述分光镜2的下部以垂直所述分光镜2的下表面的方向入射时，光束经过所述分光镜2的分光面2-1反射后垂直入射至所述图像传感器1的接收面。图像传感器1的接收面为与分光镜相邻的表面。

所述外壳6包括通光窗口，所述通光窗口位于所述分光面2-1以下的部分，且位于所述分光镜2的下表面的中心位置。外壳6还包括封闭板，用于封闭所述通光窗口。

随机相位板4利用微纳米加工技术制作而成。随机相位板4为圆形透明薄板(厚度约为1～2mm)，利用精密微纳加工技术在表面刻有很多正方形或圆形的已知深度和坐标的凹陷单元(小坑)，凹陷单元的大小约为1到几十微米，例如1～100μm，或者1～50μm，具体根据实际需求设定。此处的大小是指凹陷单元的上表面的大小。例如，凹陷单元的上表面为圆形时，凹陷单元的大小是指上表面圆形的直径，当凹陷单元的上表面为矩形时，凹陷单元的大小是指矩形的长边的边长，当凹陷单元的上表面为不规则形状时，凹陷单元的大小是指上表面不规则形状中的最长直径。各凹陷单元的深度各不相同，所有凹陷单元的深度值满足随机分布规律，分布范围在0～1μm之间。这些凹陷单元的位置和深度是根据计算机随机生成的，作为已知数据存储起来，这些微观结构数据将用于计算无参考光全息相机的传输矩阵。

光阑5的中心设置有通光孔，通光孔可为方形或圆形。当光束从所述光阑5的通光孔以垂直所述光阑5表面的方向入射时，光束依次经过所述随机相位板4和所述分光镜2后垂直入射至所述图像传感器4的接收面。

无参考光数字全息相机在使用前需要先进行标定，得到其传输矩阵。图2为本发明无参考光数字全息相机的标定方法的流程示意图。标定过程包括两部分：

第一，利用平面光照明随机相位板，在没有参考光时记录一幅同轴全息图，加入平面参考光后记录一幅离轴全息图，利用离轴全息图得到的低分辨率信息引导同轴全息图的高分辨率重建，得到随机相位板的强度像和相位像，从而确定随机相位板与图像传感器之间的相对位置关系。如图所示，包括步骤100-步骤600，步骤如下：

步骤100：利用平面照射光垂直入射光阑。所述平面照射光通过光阑的通光孔入射，依次经过随机相位板和分光镜，垂直到达图像传感器。平面照明光垂直照射到随机相位板上，其透射光穿过分光镜到达数码相机的图像传感器上，这束光称为物光。

步骤200：获得图像传感器记录的同轴全息图。

步骤300：利用平面参考光垂直入射分光镜。所述平面参考光通过外壳的通光窗口入射，经过分光镜的分光面反射后，垂直到达所述图像传感器。平面参考光照射到分光镜的分光面上，再反射到数码相机的图像传感器上，这束光称为平面参考光。

步骤400：获得图像传感器记录的离轴全息图。

平面照射光与所述平面参考光具有相干性，即物光与平面参考光具有相干性，照射到图像传感器上时两束光之间存在一个微小的夹角(约为几十mrad)。两束光在图像传感器上形成的图像即得到离轴数字全息图。挡住平面参考光，只有物光在图像传感器上形成的图像即得到同轴数字全息图。

步骤500：根据离轴全息图的低分辨率信息引导同轴全息图的高分辨率重建，得到随机相位板的强度像和相位像。具体过程如下：

1：根据离轴数字全息图确定图像传感器平面内的物光波的第一相位的分布和随机相位板平面内的物光波的第二相位的分布；

2：根据同轴数字全息图的强度和第一相位，确定图像传感器平面内的物光波的第一复振幅；具体地，根据公式：

确定图像传感器平面内的物光波的第一复振幅，其中，O'表示第一复振幅，I_in表示同轴数字全息图的强度，

表示物光波的第一相位，j表示虚数符号。

3：利用角谱传播法将所述第一复振幅反向传播到所述随机相位板平面内，得到所述随机相位板平面内的所述物光波的第二复振幅，将所述第二复振幅中大于1的振幅对应的像素点的振幅更新为1，并根据所述第二相位的分布中对应像素点的相位更新所述大于1的振幅对应的像素点的相位。具体地，根据第二相位的分布中对应像素点的相位更新大于1的振幅对应的像素点的相位具体包括：将大于1的振幅对应的像素点的相位对应更新为第二相位的分布中对应像素点的相位。

4：利用角谱传播法将所述第二复振幅正向传播至所述图像传感器平面内，得到所述图像传感器平面内的所述物光波的第三复振幅，并根据所述同轴数字全息图的强度更新所述第三复振幅中的振幅；

5：判断所述第三复振幅与所述第一复振幅的差值是否小于设定阈值；若否，执行步骤3，若是，根据第二复振幅确定随机相位板的强度像和相位像。

步骤600：根据随机相位板的强度像和相位像确定随机相位板与图像传感器之间的相对位置关系。所述相对位置关系包括所述随机相位板上每个凹陷单元在所述图像传感器上的投影位置，还包括所述随机相位板与所述图像传感器之间的垂直距离。

具体的，调节步骤500数值计算中图像传感器平面与随机相位板平面之间的距离参数，当得到最清晰的强度像时，该数值计算中的距离参数即为图像传感器与随机相位板之间的垂直距离。将强度像和相位像与已知的随机相位板微观结构参数进行对比，找到它们的对应关系，从而根据随机相位板微观结构参数得到随机相位板平面内每一点的相移量

(n表示随机相位板折射率，d表示不同点的凹陷单元的深度，λ表示光波波长。

第二，根据已知的随机相位板微观结构数据和测得的随机相位板与图像传感器之间的相对位置关系数据，通过数值计算的方法得到所有输入基模的散斑响应，即得到其红、绿、蓝三种颜色的传输矩阵。步骤如下：

步骤700：根据随机相位板的参数和相对位置关系，利用数值计算的方法获得所有输入基模的散斑响应，得到相机的红、绿、蓝三种颜色的传输矩阵，完成标定。所述随机相位板的参数包括所述随机相位板的厚度和所有凹陷单元的位置、厚度与大小。具体如下：

1、通过软件模拟在成像观测范围内不同点源发出的球面光波，每一个点源发出的球面光波照射到无参考光数字全息相机上即形成为一个输入基模。根据无参考光数字全息相机的视场和分辨率要求确定点源的数量和间隔。设成像观测范围为一长方体空间，则所有点源可按3维点阵分布，即沿z轴方向排为L层，每一层又排成N行和M列，共M×N×L个点，并将所有点源按顺序编号。相应地可产生M×N×L个输入基模。

2、由于已确定随机相位板平面内每一点的相移量。利用角谱传播算法(也可采用其它算法)计算出每一个点源发出的球面光波透过随机相位板后在图像传感器平面内形的复振幅分布，即为该输入基模的散斑响应。

3、点源发出红色球面波时，将第1个输入基模的散斑响应的数据按逐行首尾相连的形式排列成一行，即得到传输矩阵的第1行的数据；将第2个输入基模的散斑响应的数据按逐行首尾相连的形式排列成一行，即得到传输矩阵的第2行的数据；依此类推，最后一个输入基模的散斑响应排列在传输矩阵的最后一行。即得到红光的传输矩阵。

4、将第3步中点源发出的球面波设为绿色和蓝色，用同样的方法分别得到绿光的传输矩阵和蓝光的传输矩阵。

至此，标定过程完成。完成标定后，封闭外壳上的通光窗口。

图3为使用本发明无参考光数字全息相机的第一示意图，透射型样品放置于相机前方的成像观测范围内，即可实现透射型的无参考光数字全息图像。图4为使用本发明无参考光数字全息相机的第二示意图，反射型样品放置于相机前方的成像观测范围内，即可实现反射型的无参考光数字全息图像。

如图3和图4所示，使用无参考光数字全息相机进行成像时，利用红、绿、蓝三种颜色的激光照明样品，经过样品透射或反射的物光进入无参考光数字全息相机，经过随机相位板后形成红、绿、蓝三种颜色的激光散斑，由彩色数码相机记录下红、绿、蓝三种颜色的散斑图像。然后，在计算机中，由标定得到的无参考光数字全息相机的传输矩阵和记录的散斑图像经过重建算法得到红、绿、蓝三种光波的复振幅信息。最后，合成得到样品的彩色强度像和相位像。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种无参考光数字全息相机，其特征在于，所述相机包括：图像传感器、分光镜、随机相位板、光阑和外壳；所述图像传感器前依次平行固定有所述分光镜、所述随机相位板和所述光阑，所述分光镜、所述随机相位板和所述光阑均置于所述外壳内；

所述图像传感器为彩色数码相机的图像传感器；所述分光镜的分光面与所述图像传感器的接收面呈45度夹角，当光束从所述分光镜的下部以垂直所述分光镜的下表面的方向入射时，光束经过所述分光镜的分光面反射后垂直入射至所述图像传感器的接收面；

所述随机相位板利用微纳米加工技术制作而成，所述随机相位板的表面刻有多个已知深度和坐标的凹陷单元；所述凹陷单元的深度各不相同，所有凹陷单元的深度值满足随机分布规律，且深度值的分布范围在(0,1]μm之间；所述凹陷单元的微观结构数据用于计算无参考光全息相机的传输矩阵，所述微观结构数据包括凹陷单元的位置和深度；

所述光阑的中心设置有通光孔，当光束从所述光阑的通光孔以垂直所述光阑表面的方向入射时，光束依次经过所述随机相位板和所述分光镜后垂直入射至所述图像传感器的接收面。

2.根据权利要求1所述的相机，其特征在于，所述相机还包括：偏振片，所述偏振片固定于所述随机相位板与所述分光镜之间，且所述偏振片、所述随机相位板与所述分光镜之间均平行。

3.根据权利要求1所述的相机，其特征在于，所述随机相位板的厚度为1～2mm；所述凹陷单元的大小均为1～100μm。

4.根据权利要求1所述的相机，其特征在于，所述外壳包括通光窗口，所述通光窗口位于所述分光镜的下表面的中心位置。

5.根据权利要求4所述的相机，其特征在于，所述外壳还包括封闭板，用于封闭所述通光窗口。

6.一种无参考光数字全息相机的标定方法，其特征在于，所述标定方法包括：

利用平面照射光垂直入射光阑；所述平面照射光通过光阑的通光孔入射，依次经过随机相位板和分光镜，垂直到达图像传感器；

获得图像传感器记录的同轴全息图；

利用平面参考光垂直入射所述分光镜；所述平面参考光通过外壳的通光窗口入射，经过所述分光镜的分光面反射后，垂直到达所述图像传感器；

获得所述图像传感器记录的离轴全息图；

根据所述离轴全息图的低分辨率信息引导所述同轴全息图的高分辨率重建，得到所述随机相位板的强度像和相位像；

根据所述随机相位板的强度像和相位像确定所述随机相位板与所述图像传感器之间的相对位置关系；所述相对位置关系包括所述随机相位板上每个凹陷单元在所述图像传感器上的投影位置，还包括所述随机相位板与所述图像传感器之间的垂直距离；

根据随机相位板的参数和所述相对位置关系，利用数值计算的方法获得所有输入基模的散斑响应，得到所述相机的红、绿、蓝三种颜色的传输矩阵，完成标定；所述随机相位板的参数包括所述随机相位板的厚度和所有凹陷单元的位置、深度与大小。

7.根据权利要求6所述的标定方法，其特征在于，所述平面照射光与所述平面参考光具有相干性。

8.根据权利要求6所述的标定方法，其特征在于，所述得到所述相机的红、绿、蓝三种颜色的传输矩阵，完成标定，之后还包括：

封闭所述外壳上的通光窗口。

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