基于双折晶体透镜的自干涉数字全息成像系统

本发明属于自干涉数字全息，具体涉及一种基于双折晶体透镜的自干涉数字全息成像系统。

背景技术：

1、数字全息术是一种记录并重建物体波前信息的方法，通常需要使用相干光源，如激光。而自干涉数字全息术则打破了这一限制，允许使用非相干光源，如白光或led，为物体提供带有三维信息的高质量成像。在相干全息术中，相干光源的特性限制了其在实际应用中的广泛性。然而自干涉数字全息术通过使用非相干光源，打破了全息成像对于相干光源的依赖。其原理在于利用非相干光源照射物体并记录产生的干涉图样，再利用数字图像处理技术来重建物体的形貌与三维信息。这种方法的突出优势在于可以使用常见的白光或led等光源，降低了成像系统的复杂性和成本，同时为人与动物的实时成像提供了可能性。自干涉数字全息术的发展对多个领域产生了深远影响。在医学领域，它被用于生物医学成像，例如细胞学研究、医学诊断和病理学。其优秀的性能使得医学影像学获得更高的分辨率和更准确的信息。此外，在工业领域，它在三维形貌测量和工业检测中有着重要的应用，尤其是对微小器件和表面缺陷的检测。在虚拟现实和增强现实方面，自干涉数字全息术为实现更真实、更生动的图像和影像提供了新的可能性。尽管自干涉数字全息术具有诸多优势，它也始终面临一些挑战。由于非相干光源本身的特性，所得到的干涉图像的分辨率和对比度受到限制，需要进一步改进和优化。总的来说，非相干数字全息术作为一种新兴的成像技术，以其应用广泛和克服了传统相干全息术的限制而备受关注，但仍然需要进一步的研究和发展来实现其在不同领域中的最大潜力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于双折晶体透镜的自干涉数字全息成像系统，克服传统相干全息成像中散斑噪声对成像质量的影响，克服被动波前分割元件对于不同波长的不均匀响应现象，改善当前非相干白光干涉全息图质量较低问题，通过α-bbo双折射晶体透镜的偏振特性与四分之一波片和偏振相机的组合实现单发成像。对捕获非相干照明情况下真实世界物体较大视场的3d图像具有重要意义。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于双折晶体透镜的自干涉数字全息成像系统，包括非相干光源、内置波前分割装置的光程差补偿光路、图像采集系统和图像重建模块(图像重建模块为计算机或内置于计算机等设备中)；所述非相干光源照射至成像目标物产生光信号经半透半反镜、光程差补偿光路，由图像采集系统接收，并传输给图像重建模块进行图像重建。

3、在本发明一实施例中，所述非相干光源采用包括led光源、生物荧光光源的具有自相关特性的非相干光源。

4、在本发明一实施例中，所述波前分割装置为α-bbo双折射晶体透镜，其采用α-bbo双折射晶体透镜为材料，磨制成平凸透镜，晶体光轴与透镜的平面平行，双面镀400-700nm增透膜。

5、在本发明一实施例中，所述光程差补偿光路通过波前分割装置即α-bbo双折射晶体透镜自身补偿光程差。

6、在本发明一实施例中，所述光程差补偿光路包括α-bbo双折射晶体透镜、可见光波段的宽带四分之一波片和反射银镜；所述α-bbo双折射晶体透镜、可见光波段的宽带四分之一波片和反射银镜等高共轴放置，光轴方向与半透半反镜平面成45°。

7、在本发明一实施例中，所述图像采集系统包括第二可见光波段的宽带四分之一波片和偏振相机，第二可见光波段的宽带四分之一波片和偏振相机与光程差补偿光路等高共轴放置。

8、在本发明一实施例中，所述偏振相机每一个像素都镶嵌有微偏振器栅格能够独立的采集不同偏振态的光，微偏振器栅格具有四个等距的偏振方向(0,π/2,π,3π/2)，精确地以重复的方形图案排列在传感器上。

9、在本发明一实施例中，所述图像重建模块内置图像重建算法，首先读取采集到的四幅具有精确相移的全息图，通过四步相移法计算得到复值全息图，之后再进行对应重构距离的菲涅尔衍射得到重建图像。

10、在本发明一实施例中，该系统具体实现图像重建的步骤如下：

11、步骤s1、搭建光程差补偿光路，即将α-bbo双折射晶体透镜、可见光波段的宽带四分之一波片和反射银镜等高共轴放置，旋转可见光波段的宽带四分之一波片使可见光波段的宽带四分之一波片光轴方向与α-bbo双折射晶体透镜光轴成45°，主光轴方向与半透半反镜平面成45°；

12、步骤s2、将成像目标物放于载物台上，在成像目标物与半透半反镜之间放置线偏振片并调整高度与光程差补偿光路等高，使用非相干光源反射或透射式照明，光线入射方向与半透半反镜平面成45°，与光程差补偿光路主光轴垂直；

13、步骤s3、构建图像采集系统，即将第二可见光波段的宽带四分之一波片置于偏振相机前且与光程差补偿光路等高共轴放置，偏振相机的输出端连接至图像重建模块，拍摄得到成像目标物的四幅包含有不同相移值的全息图；

14、步骤s4、构建图像重建模块中的图像重建算法，将采集的成像目标物图像输入图像重建算法，得到重建图像。

15、在本发明一实施例中，所述图像重建算法采用首先读取采集到四幅具有精确相移的全息图，通过四步相移法计算得到复值全息图，之后再进行对应重构距离的菲涅尔衍射得到重建图像，其中，获取复值全息图与重构距离的方法如下：

16、α-bbo双折射晶体透镜利用其能够产生双折射的特性，使得当入射线偏振光的偏振方向与α-bbo双折射晶体透镜的光轴方向不一致时，能够将入射光分解为存在一定相位延迟且偏振态相互正交的两束光；两束偏振方向正交的光通过α-bbo双折射晶体透镜与光程差补偿光路后分离，并在通过可见光波段的宽带四分之一波片后转化为左右旋光在偏振相机成像面上合束形成干涉全息图；o光与e光的相位延迟相差0°，90°，180°和270°时，合成的线偏振光分别处于0°，45°，90°和135°方向，再利用线偏振相机进行采集；假设eo和ee为o光与e光的电场，则各个偏振方向上偏振相机采集到的光强为：

17、i0＝|ee+e0|2

18、i45＝|ee+je0|2

19、i90＝|ee-e0|2

20、i135＝|ee-je0|2

21、因而从光强中能够计算出复振幅光场：

22、

23、式子中j为虚数符号。偏振相机在相邻像素点上集成0°，45°，90°和135°四个方向的线偏振光栅，能够-通过单发成像对这些偏振方向的图像进行同时采集；

24、在近轴近似下，基于所需要的分辨率与视场的权衡情况选择光束重合条件，将偏振相机放置于产生相应光束重合条件的位置；假设α-bbo双折射晶体透镜产生的o光与e光的焦距分别为fe与fo，则对于处在物距为zs的成像目标物由几何光学成像公式获得像距vi与放大率mi分别为：

25、

26、

27、式中i＝e,o，假设偏振相机的感光面与α-bbo双折射晶体透镜的距离为zh，而两束光也能够描述为从像点位置发出的两束波，则从o光与e光像点到偏振相机感光面的距离：

28、

29、从像点发出的光通过菲涅尔传播到达相机感光面，而在偏振相机上的光场表示为：

30、

31、其中eiθ表示像点上的光强，j是虚数符号，λ是光的波长，k为波数，x、y是偏振相机感光界面上的坐标，xs、ys表示在光源所在平面发光点的坐标；因为偏振相机平面将处于像点之前所以传播方向是相反的，忽略掉与x、y坐标无关的相位，最终在偏振相机感光面上的光强为o光与e光的相干叠加；通过偏振相机的测量能够计算出复振幅光场为：

32、

33、其中：

34、

35、

36、所以，只要知道o光与e光像点所在位置就能够计算出最终图像再现距离，当成像目标物被放置在物理深度zs处时，必须在zr处重建图像；zr与zs的差异也体现所获得的深度并非真实的物理深度而是真实场景的转换深度；在此基础上还能够计算出横向放大率m′。

37、相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

38、1、本发明采用非相干光源照明，可以消除散斑噪声对图像质量的影响，实现安全且适用性广的成像条件；

39、2、本发明光学元件对可见光波段的所有波长均匀响应，配合使用晶体透镜自身进行光程差补偿的方法，可以满足对于非相干白光照明情况下的成像需要；

40、3、本发明通过α-bbo双折射晶体透镜的偏振特性与四分之一波片和镶嵌有微偏振阵列的偏振相机的组合实现单发成像，可以快速实时的捕捉动态物体的三维图像。