一種離軸數(shù)字全息波前記錄和再現(xiàn)方法及實施裝置制造方法【專利摘要】本發(fā)明公開了一種離軸數(shù)字全息波前記錄和再現(xiàn)方法及實施裝置，在離軸數(shù)字全息中，如果參考波的空間頻率大于物波的空間頻率，那么物波相對相位的微分符號具有保持不變的特性；本發(fā)明利用這一相位微分的特點，成功實現(xiàn)了離軸數(shù)字全息波前相位信息的非積分再現(xiàn)。由于該方法僅要求參考波的空間頻率大于被記錄物波的空間頻率，所以可適用于包括微離軸全息的各種離軸全息波前再現(xiàn)；同時，該方法還避免了傳統(tǒng)離軸全息技術(shù)中所涉及的傅立葉變換等積分運算，因此可以大大降低對數(shù)據(jù)處理裝置的內(nèi)存要求，提高波前再現(xiàn)效率，該特點使這種方法特別適用于大尺寸離軸數(shù)字全息圖的波前再現(xiàn)。【專利說明】一種離軸數(shù)字全息波前記錄和再現(xiàn)方法及實施裝置【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明涉及一種離軸數(shù)字全息波前記錄和再現(xiàn)方法及實施裝置?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]隨著計算機和數(shù)字圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展，近年來數(shù)字全息（DH)技術(shù)得到很大發(fā)展，并在輪廓測量、數(shù)字顯微成像、圖像識別、粒子測試、太赫茲成像等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。[0003]基于全息記錄過程中物波和參考波的相對取向，數(shù)字全息記錄光路通常可分為兩類：同軸全息記錄和離軸全息記錄。[0004]在同軸全息中，物波和參考波的夾角接近零；理論上，這種記錄方式能夠充分利用全息記錄中所用的圖像傳感器的分辨率，實現(xiàn)高分辨全息再現(xiàn)。但同軸全息圖的波前再現(xiàn)往往受自相關(guān)項和共軛項的干擾，需要采用相移技術(shù)或其他耗時的算法來消除這種干擾，計算量大、過程繁復。[0005]在離軸全息中，物波和參考波的角度設(shè)定得能夠使所記錄的物波波前信息在空間頻率域與其自相關(guān)項和共軛項分開，這樣被測試樣品的波前信息（包括振幅和相位）只需通過一個空間濾波算法（參見文獻1)就能從離軸全息圖中再現(xiàn)出來；這使它可以廣泛用于運動物體或動態(tài)過程的全息測量（參見文獻2-5)。然而，要使物波的空間頻率與自相關(guān)項和共軛項的空間頻率分開，需要參考波的載波頻率至少是物波最大空間頻率的三倍，要求圖像傳感器的帶寬至少是記錄物波帶寬的四倍。[0006]為了提高離軸全息再現(xiàn)像的分辨率，最近有人提出了一種微離軸數(shù)字全息記錄和再現(xiàn)技術(shù)（參見文獻6-9)。這種技術(shù)不要求物波的空間頻譜與自相關(guān)項的空間頻譜完全分離，只需要它與共軛項的空間頻譜分離就可以了；也就是說，參考波的空間頻率只需要大于或等于物波的最大空間頻率。但已有的微離軸全息技術(shù)的波前再現(xiàn)主要采用的是積分算法(傅里葉和希爾伯特變換）或者相移算法，對系統(tǒng)硬件要求高，計算量也較大。[0007]綜上所述，如何通過更簡單的裝置和算法消除自相關(guān)項和共軛項的干擾，提高波前再現(xiàn)的分辨率，仍是一個亟待解決的問題。[0008]所提到的文獻為：[0009]文獻I.E.Stinchez-Ortiga，A.Doblas，G.Saavedra，M.Martinez-Corral,andJ.Garcia-Sucerquia，〃0ff-axisdigitalholographicmicroscopy!practicaldesignparametersforoperatingatdiffractionlimit，^AppLOpt.53(10),2058-2066(2014).[0010]文獻2.D.Kim，R.Magnusson，M.Jin，J.Lee，andW.Chegal，"Complexobjectwavedirectextractionmethodinoff-axisdigitalholography，〃0pt.Express21(3)，3658-3668(2013).[0011]文獻3.P.Girshovitz，andN.T.Shaked，''Compactandportablelow-coherenceinterferometerwithoff-axisgeometryforquantitativephasemicroscopyandnanoscopy，"Opt.Express21(5)，5701-5714(2013).[0012]文獻4.J.Hong，andΜ.K.Kim,^Single-shotself-interferenceincoherentdigitalholographyusingoff-axisconfiguration，^Opt.Lett.38(23),5196-5199(2013).[0013]文獻5.I·Frenklach，P.Girshovitz，andN.T.Shaked，〃0ff_axisinterferometricphasemicroscopywithtripledimagingarea，〃0pt.Lett.39(6)，1525-1528(2014).[0014]文獻6.J.Han，P.Gao，B.Yao，Y.Gu，andM.Huang，"Slightlyoff-axisinterferometryformicroscopywithsecondwavelengthassistance,^AppLOpt.50(17)，2793-2798(2011).[0015]文獻7.N.T.Shaked，Y.Zhu，Μ.T.Rinehart，andA.Wax，〃Tw〇-step-〇nlyphase-shiftinginterferometrywithoptimizeddetectorbandwidthformicroscopyoflivecells，"Opt.Express17(18)，15585-15591(2009)[0016]文獻8.J.Min，B.Yao，P.Gao，R.Guo，B.Ma，J.Zheng，M.Lei，S.Yan，D.Dan，T.Duan，Y.Yang，andT.Ye，''Dual-wavelengthslightlyoff-axisdigitalholographicmicroscopy，"Appl.Opt.51(2)，191-196(2012)·[0017]文獻9.LXue，J.Lai，*S.Wang，andZ.Li，"Single-shotslightly-〇ff-axisinterferometrybasedHilbertphasemicroscopyofredbloodcells,^Biomed.Opt.Express2(4),987-995(2011).【
發(fā)明內(nèi)容】[0018]本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種離軸數(shù)字全息波前記錄和再現(xiàn)方法及實施裝置，本方法利用物波波前的相對相位的微分特性，成功實現(xiàn)了離軸數(shù)字全息波前相位信息的非積分再現(xiàn)，避免了傳統(tǒng)離軸全息技術(shù)中所涉及的傅立葉變換等積分運算，降低對數(shù)據(jù)處理裝置的內(nèi)存要求，提高波前再現(xiàn)效率。[0019]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：[0020]一種離軸數(shù)字全息波前記錄和再現(xiàn)方法，包括以下步驟：[0021](1)在記錄平面上分別記錄物波強度、參考波強度和物波參考波疊加后的干涉波強度圖像；[0022](2)利用所記錄的物波強度、參考波強度和干涉波強度計算出物波相對相位的絕對值；[0023](3)沿參考波的傾斜方向?qū)ξ锊ㄏ鄬ο辔坏慕^對值進行微分運算；[0024](4)根據(jù)物波相對相位的絕對值及其微分符號，計算物波波前的相對相位。[0025]所述步驟（1)中，具體方法為：[0026]設(shè)記錄平面上物波和參考波的復振幅分布分別為=AexpCM1)和?=4.exp(M.)，則所記錄[0027]【權(quán)利要求】1.一種離軸數(shù)字全息波前記錄和再現(xiàn)方法，其特征是：包括以下步驟：(1)在記錄平面上分別記錄物波強度、參考波強度和物波參考波疊加后的干涉波強度圖像；(2)利用所記錄的物波強度、參考波強度和干涉波強度計算出物波相對相位的絕對值；(3)沿參考波的傾斜方向?qū)ξ锊ㄏ鄬ο辔坏慕^對值進行微分運算；(4)根據(jù)物波相對相位的絕對值及其微分符號，計算物波波前的相對相位。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是：所述步驟（1)中，具體方法為：設(shè)記錄平面上物波和參考波的復振幅分布分別為K=4,e>qX.m,)和％=4exPC/外），則所記錄的干涉波強度分布可表示為：其中，7。=4?，A=42和隊=%-$;1〇為物波強度，I1?為參考波強度，I為干涉波強度；%為物波的相位，化為參考波的相位；為物波相對于參考波的相位，稱為物波的相對相位。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是：所述步驟（2)中，具體方法為：基于所述步驟（1)中的物波強度1〇、參考波強度L和干涉波強度I，物波相對相位的絕對值由以下公式計算得出：其中，〇表示物波相對相位的絕對值，其取值范圍被限制在O到。4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是：所述步驟（3)中，具體方法為：假設(shè)參考波為沿X方向傾斜的平面波，即假設(shè)參考波在記錄平面的相位分布為外=W(q>〇)，其中q為參考波的空間頻率，也就是離軸全息圖的載頻，則物波相對相位絕對值〇的微分可表示為考波的空間頻率q大于物波的最大空間頻率，上述物波相對相位絕對值〇的微分具有以下特點：5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是：所述步驟（4)中，物波波前的相對相位由以下公式計算：所述步驟（4)中，物波相對相位中存在的參考波相位，通過離軸全息通常采用的與背景相對相位相減的方法來消除。6.-種使用如權(quán)利要求1-5中任一項所述的方法的實施離軸全息記錄裝置，其特征是：包括光源，以及用于將光源發(fā)出的光波分成兩束光的光柵和4f系統(tǒng)，所述兩束光分別為參考波和物波，其中，光柵的+1級衍射光作為參考波，光柵的〇級衍射光用來照明被測物體；在4f系統(tǒng)的兩個透鏡間設(shè)置有光學斬波器，所述光學斬波器上設(shè)有兩個圓弧形狹縫，分別控制物波光路和參考光路的通斷，4f系統(tǒng)后設(shè)有用來實現(xiàn)物波和參考波分光和干涉的馬赫-澤德干涉光路，馬赫-澤德干涉光路的入射分光棱鏡與兩個全反射鏡之間均設(shè)置有4f濾波系統(tǒng)，圖像傳感器記錄各個光波強度分布。7.如權(quán)利要求6所述的一種離軸全息記錄裝置，其特征是：所述馬赫-澤德干涉光路中的出射分光棱鏡與用于反射入射光中的零級衍射波的全反射鏡之間設(shè)有被測物體。8.如權(quán)利要求6所述的一種離軸全息記錄裝置，其特征是：所述4f?濾波系統(tǒng)，包括4f系統(tǒng)和設(shè)置于4f?系統(tǒng)的兩個透鏡之間的針孔濾波屏。9.如權(quán)利要求6所述的一種離軸全息記錄裝置，其特征是：所述圖像傳感器連接有計算機，對采集的圖像數(shù)據(jù)進行處理?！疚臋n編號】G03H1/16GK104345626SQ201410689705【公開日】2015年2月11日申請日期:2014年11月25日優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日【發(fā)明者】國承山,沙貝,王本義,魯玉潔申請人:山東師范大學