[发明专利]基于涡旋透镜的相移数字全息单次曝光成像装置及方法

说明书

一种基于涡旋透镜的相移数字全息单次曝光成像装置及方法，包括光源、分束器、涡旋聚焦透镜、针孔、第一聚焦透镜、第一反射镜、合束器、第一三维平移台、成像探测器、第二反射镜、扩束器、第二三维平移台、被测物体、第二聚焦透镜、分束光栅、第三聚焦透镜和计算机。本发明操作简单，只需要记录单幅干涉全息图，可实时在线快速地实现被测物体的准确再现，特别适用于动态物体的成像和观测；本发明具有相移数字全息和单次曝光成像的优点，即能够有效抑制再现结果中的共轭像，明显提高被测物体再现结果像的质量；也可以避免多次操作带来的误差，抑制空气湍流和系统振动，大大提高成像装置的鲁棒性。

技术领域

本发明属于数字全息成像，特别是一种基于涡旋透镜的相移数字全息单次曝光成像装置及成像方法。

背景技术

数字全息是一种利用图像传感器和计算机记录和重构物体复振幅分布的技术，该技术因在显微成像、三维显示和物体识别等方面的潜在应用而备受关注。在显微成像中，数字全息技术的三维体积成像可实现超焦深显微术；在三维显示中，数字全息技术能够记录物光波的振幅和相位信息，能够在线显示包含物体全部信息的三维像；在物体识别中，数字全息技术可利用相移数字全息或同轴数字全息重构得到一幅或多幅物体重构振幅像，进而组成非线性滤波器对多物体进行相关识别。数字全息技术在各个领域中的应用日益增加，而对数字全息成像装置和成像方法的研究也日趋重要。

在数字全息中，最重要的是防止重建的图像被零级项和共轭项模糊。虽然已经有多种方法能够有效地消除或抑制重构图像中的这些项，但相移技术由于充分利用了探测器阵列的空间带宽积，已经成为应用最为广泛的方法之一。1979年，L.M.Frantz等提出了相移全息技术，这种技术不仅能够充分利用成像探测器的空间带宽积，还能够快速实时地实现被测物体的准确再现，能够有效抑制探测样品图像中的共轭像，提高干涉全息图的质量，得到高保真度的重构物体复振幅图像。一般情况下，相移数字全息技术需要通过二、三或四等多次曝光获得一幅以上的全息图，且重构误差随着曝光次数的增加而增加，因此单次曝光相移数字全息是最好的选择。除此以外，单次曝光相移数字全息技术可以避免多次操作带来的误差，可以抑制空气湍流和系统振动，大大提高成像装置的鲁棒性。

太赫兹波是频率在0.1到10THz范围内的电磁波，在电磁波谱中位于微波和红外之间，在生物检测、安全检测、通信技术等科学领域有着巨大的潜在价值；X射线是波长介于0.01到范围内的电磁波，在电磁波谱中介于紫外线和γ射线之间，在医学成像诊断、X射线结晶学、X射线治疗等领域有着巨大的应用价值。本装置所使用的涡旋聚焦透镜是振幅型元件，它可用于包括X射线到太赫兹波段在内的相干波段，且成本低、使用效率高。

发明内容

本发明提供一种基于涡旋透镜的相移数字全息单次曝光成像装置及方法，以实现快速、实时的重构物体复振幅图像，该方法通过简单地记录一副干涉全息图再利用多步相移数字全息算法快速重构物体复振幅图像。该方法能够充分利用成像探测器的空间带宽积，能够有效抑制再现结果中的共轭像，明显提高被测物体的重构像的质量；且该方法能够避免多次操作带来的误差，抑制空气湍流和系统振动，大大提高成像装置的鲁棒性。

本发明的技术解决方案

一种基于涡旋透镜的相移数字全息单次曝光成像装置，其特点在于,包括光源、分束器、涡旋聚焦透镜、针孔、第一聚焦透镜、第一反射镜、合束器、第一三维平移台、固定在该第一三维平移台上的成像探测器、第二反射镜、扩束器、供被测物体放置的第二三维平移台、第二聚焦透镜、分束光栅、第三聚焦透镜和计算机；

所述的光源发出的光脉冲经过所述的分束器分为透射光束和反射光束，透射光束作为参考光束，反射光束作为物光束；

所述的参考光束经过所述的涡旋聚焦透镜和针孔到达所述的第一聚焦透镜，经第一聚焦透镜准直后的光束经过所述的第一反射镜反射后到达所述的合束器，并通过合束器反射进入所述的成像探测器；