[发明专利]一种连续太赫兹波的同轴数字全息相位复原成像方法

摘要

本发明涉及一种同轴数字全息成像方法，特别是涉及一种连续太赫兹波的同轴数字全息相位复原成像方法。包括完成全息图和背景图的负像素消除、正像素叠加的重建预处理过程和累加全息图归一化重建预处理过程。其相位重建迭代算法包括四步步骤：完成插值缺失数据，记录面到物面的太赫兹复振幅传播，消除孪生像的波前振幅阈值处理，物面传播回记录面抽取正像素相位数据集完成重建。通过计算得到的物体复振幅被用作下一轮迭代计算的输入值，迭代过程为步骤二开始至步骤四，多次迭代的最终效果将消除孪生像，得到高保真度的物面复振幅。

主权项

一种连续太赫兹波的同轴数字全息相位复原成像方法，其特征在于：系统光路包括CO2泵浦太赫兹激光器（1），He‑Ne激光器（2），分光棱镜（3），反射镜（4），第一镀金抛物面镜（5）、第二镀金抛物面镜（6），样品（7），热致电图像采集器（8）；CO2泵浦太赫兹激光器（1）用于输出连续太赫兹波；He‑Ne激光器（2）用于输出连续红色激光；分光棱镜（3）用于反射He‑Ne激光器（2）的输出光波（2a）和透射CO2泵浦太赫兹激光器（1）的输出光波（1a）；反射镜（4）用于偏转CO2泵浦太赫兹激光器（1）和He‑Ne激光器输出光的角度，得到反射光（4a）；第一镀金抛物面镜和第二镀金抛物面镜组成一个扩束单元，将反射镜的反射光（4a）直径扩束，传播方向平行；样品放置在第二镀金抛物面镜和热致电图像采集器之间，且需保证样品被测面积小于光束直径，光束照射在样品上散射的部分光波具有物体形貌信息称为物光波（7a），未散射的部分光波称为参考光波（6a），物光波（7a）和参考光波（6a）干涉形成的同轴全息图被热致电图像采集器采集，称为全息图Hi(x,y)，其中i表示采集的幅数；其它情况保持不变，在第二镀金抛物面镜和热致电图像采集器之间移去样品，热致电图像采集器记录的图像，称为背景图像Bi(x,y)，其中i表示采集的幅数；分光棱镜用于将He‑Ne激光器的输出光波（2a）顺时针90度反射，依次穿过CO2泵浦太赫兹激光器的出射窗口玻璃进入CO2泵浦太赫兹激光器的谐振腔，在CO2泵浦太赫兹激光器的谐振腔内原路返回，穿过CO2泵浦太赫兹激光器的出射窗口玻璃，竖直穿过分光棱镜，用于校准分光棱镜，反射镜，第一镀金抛物面镜，第二镀金抛物面镜，和热致电图像采集器的相对位置；全息图Hi(x,y)和背景图像Bi(x,y)的负像素消除、正像素叠加的重建预处理过程：当共m帧全息图Hi(x,y)中负像素出现的频率大于阈值ε时，替换取值为‑1： H s ( x , y ) = Σ i = 1 m H i ( x , y ) / T x , y [ H i ( x , y ) ≥ 0 ] ∩ [ f H ( x , y ) < ϵ ] - 1 [ f H ( x , y ) ≥ ϵ ] , 其中，m为复用帧数，Hi(x,y)为第i幅全息图，i的取值在1到m之间；fH(x,y)为像素点(x,y)在所有m帧全息图中负像素出现的频率，ε为负像素出现频率的阈值，设为0.1；Tx,y为像素点(x,y)处的无负像素全息图帧数的累加值，Hs(x,y)为根据上述公式叠加后的全息图；当共m帧背景图像Bi(x,y)中负像素出现的频率大于阈值ε时，替换取值为‑1： B s ( x , y ) = Σ i = 1 m B i ( x , y ) / S x , y [ B i ( x , y ) ≥ 0 ] ∩ [ f B ( x , y ) < ϵ ] - 1 [ f B ( x , y ) ≥ ϵ ] , 其中，Bi(x,y)为第i幅背景图像，i的取值在1到m之间；fB(x,y)为像素点(x,y)在所有m帧背景图像中负像素出现的频率，ε为负像素出现频率的阈值，设为0.1；Sx,y为像素点(x,y)处的无负像素背景图像帧数的累加值，Bs(x,y)为根据上述公式叠加后的背景图像；其中赋值‑1为标记幅值缺失像素；累加全息图归一化重建预处理过程：下述公式中的‑1代表全息图Hs(x,y)或背景图像Bs(x,y)的幅值缺失像素；当全息图Hs(x,y)或背景图像Bs(x,y)为‑1时，归一化后的全息图Hn(x,y)取值为‑1，当全息图Hs(x,y)和背景图像Bs(x,y)不为‑1时，做如下处理过程： H n ( x , y ) = H s ( x , y ) / B s ( x , y ) [ H s ( x , y ) ≠ - 1 ] ∩ [ B s ( x , y ) ≠ - 1 ] - 1 [ H s ( x , y = = - 1 ] ∪ [ B s ( x , y ) = - 1 ] . Hn(x,y)为归一化后的全息图，Hs(x,y)为原全息图，Bs(x,y)为背景图像；相位重建迭代方法四步步骤：（1）将归一化全息图Hn(x,y)的非负值称为已知像素，将归一化全息图Hn(x,y)的‑1值称为缺失像素；通过记录面上缺失像素附近的已知像素值，线性插值补回缺失数据，得到插值后的记录面强度分布H'n(x,y)；常数0设为记录面的初始相位值，记录面强度分布H'n(x,y)的平方根设为记录面的初始幅值，初始相位值和初始幅值的乘积作为记录面的初始复振幅Ud(x,y)，开始迭代计算；（2）采用角谱积分传播算法将记录面复振幅Ud(x,y)模拟传播到物面，得到物面复振幅U0(ξ,η)；（3）为消除孪生像，物面复振幅U0(ξ,η)需做阈值处理，当振幅大于1时替换取值为1，其对应相位值为0，当振幅小于等于1时，保持原值： U 0 ′ ( ξ , η ) = U 0 ( ξ , η ) [ | U 0 ( ξ , η ) | ≤ 1 ] 1 [ | U 0 ( ξ , η ) | > 1 ] U0(ξ,η)为阈值处理前的物面复振幅，U0'(ξ,η)为阈值处理后的物面复振幅；（4）采用角谱积分传播算法将物面复振幅U0'(ξ,η)模拟传播到记录面，得到记录面复振幅Ud'(x,y)；对于Ud'(x,y)已知像素，即归一化全息图Hn(x,y)的非负值像素，提取出复振幅Ud'(x,y)的相位值φd'(x,y)，与归一化全息图的幅值，即归一化全息图Hn(x,y)的平方根相乘，得到更新后的记录面复振幅Ud"(x,y)；对于Ud'(x,y)缺失像素，即归一化全息图Hn(x,y)的‑1值像素，复振幅Ud'(x,y)保持不变，即Ud"(x,y)=Ud'(x,y)： U d ′ ′ ( x , y ) = U d ′ ( x , y ) [ H n ( x , y ) = - 1 ] H n ( x , y ) exp [ jφ d ′ ( x , y ) ] [ H n ( x , y ) ≠ - 1 ] Ud'(x,y)为阈值更新前的物面复振幅，Ud"(x,y)为阈值更新后的物面复振幅，φd'(x,y)为阈值更新前的物面相位值，j为复数符号，Hn(x,y)表示归一化全息图；通过计算得到的物体复振幅Ud"(x,y)被用作下一轮迭代计算的输入值，即替换步骤（2）中的Ud(x,y)，迭代过程从步骤（2）开始至步骤（4），经过100次以上迭代后，将最终消除孪生像。