一种基于约束欠定方程的三波长数字全息成像光路及方法技术

本发明专利技术公开了一种基于约束欠定方程的三波长数字全息成像光路及方法。该基于约束欠定方程的三波长数字全息成像光路包括第一激光器11、第二激光器12、第三激光器13、第一反射镜2、第二反射镜4、第三反射镜7、第四反射镜8、第一分光棱镜3、第二分光棱镜5、第三分光棱镜9、准直扩束系统6及CCD图像传感器10。用本发明专利技术所提出的基于约束欠定方程的三波长数字全息成像方法，显著的提高了传统数字全息技术的抗噪音性能。本发明专利技术实验操作简单快捷，可操作性强，以菲涅尔算法和搜寻欠定方程组唯一解求解算法有效融合的方法，扩大了测量范围，且减少了噪声对实验的影响以及样本的恢复效果。噪声对实验的影响以及样本的恢复效果。噪声对实验的影响以及样本的恢复效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于约束欠定方程的三波长数字全息成像光路及方法


[0001]本专利技术涉及光学干涉成像
，具体涉及一种三波长数字全息光路及方法，该方法基于搜寻欠定方程组实现。

技术介绍

[0002]双波长数字全息技术近年来已经有了许多发展，它是通过用两束不同波长的光束合成一束等效波长，该等效波长大于光束经过物体后所产生的最大光程差，此时物体得到的相位图即为物体的真实相位图，然后再通过相位与物体形貌之间的关系恢复出物体的三维形貌，已经广泛应用于生物细胞检测和物体表面形貌的体积测量中。
[0003]参见(Optics express,27(22)(2019)；Optics and Lasers in Engineering,117(2019)；Opt.Lett.42,73(2016))
[0004]双波长数字全息技术通过合成等效波长，测量范围可以达到微米甚至毫米范围，在等效波长的范围内，可以解决单一波长条件下存在的相位包裹问题，使测量范围大大增加，并且对相邻像素梯度问题较大的物体仍然有良好的成像效果。
[0005]参见(Optics letters,45(15)，(2020)；Laser Physics,30(3)(2020)；Opt.Lett.43,4469-4472(2018)；Opt.Lett.43,3449-3452(2018))
[0006]但上述这些技术方案，他们有如下缺陷：当物体的表面厚度大于一个等效波长时，双波长数字全息的方法由于超出测量范围而失效，所以在光源的选择上有很大的限制，与此同时在实验中，双波长数字全息技术的噪声被明显放大，导致测量精度大大降低，这些方法固有的局限性严重的阻碍了双波长数字全息技术的应用。
[0007]CN201710589245.6公开了一种题为“基于透射式点衍射的三波长数字全息检测装置与方法”的专利技术专利，该案将波分复用技术和频谱角分复用技术相结合，在透射式点衍射结构基础上，引入波分复用技术和频谱角分复用技术，通过一次曝光采集一幅三波长载频角分复用的全息图，并通过频域分离完成待测相位恢复；同时，该案通过合色棱镜分离三波长，利用三平面反射镜偏转不同方向在全息图中引入三波长角分载频，使三波长光束共用一个光路，全息图对比度相同，只需黑白图像传感器记录全息图，并借助逆傅里叶变换的方法完成三波长全息图分离。该案虽然对三波长数字全息技术有一定的技术启示，但该案中提供的技术方案易受噪音影响，且不适用于频差过大的情况，最终可能导致无法恢复出相位图。

技术实现思路

[0008]为了克服现有技术的上述问题，本专利技术提供一种基于约束欠定方程的三波长数字全息成像光路及方法。该光路及方法提高了系统的时效性和可操作性，改进了需要通过寻找两个频差较小的激光器或可调谐激光器作为光源，克服了测量范围不可改变的问题，降低了噪声对实验的影响，避免了测量范围不可变化，难以实现动态测量的问题，使具体实验操作简单易实现。
[0009]本专利技术的具体技术解决方案如下：
[0010]该基于约束欠定方程的三波长数字全息成像光路，其特征在于：包括第一激光器11、第二激光器12、第三激光器13、第一反射镜2、第二反射镜4、第三反射镜7、第四反射镜8、第一分光棱镜3、第二分光棱镜5、第三分光棱镜9、准直扩束系统6及CCD图像传感器10；所述第一激光器11的出射光经第一反射镜2反射入第一分光棱镜3合束，第二激光器12的出射光直接进入第一分光棱镜3合束，第三激光器13的出射光经第二反射镜4反射入第一分光棱镜3合束；第一分光棱镜3出射光经准直扩束系统6后进入第二分光棱镜5分为两束，一束经第三反射镜7及待测物体后进入第三分光棱镜9合束，另一束经第四反射镜8后直接进入第三分光棱镜9合束；第三分光棱镜9合束后于CCD图像传感器10中形成干涉条纹图。
[0011]进一步的，第一激光器11、第二激光器12、第三激光器13的出射光为平行光。也可以不为平行光，不为平行光时，应调节相关反射镜的角度，使从反射镜出射的各路光能够在分光棱镜的作用下汇聚同轴。
[0012]进一步的，第二分光棱镜5分束的两束光，经第三反射镜7、第四反射镜8后入射第三分光棱镜9合束为同轴或离轴。
[0013]该基于约束欠定方程的三波长数字全息成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0014]1】搭建如签署基于约束欠定方程的三波长数字全息技术的光路，并加入待测样品；
[0015]2】同时开启三路入射光，采集三个不同波长下待测样品所获得的全息图；
[0016]3】利用步骤2】得到的待测样品的全息图，以菲涅尔算法和搜寻欠定方程组唯一解的求解算法有效融合的方法，对待测样品进行相位恢复重建，得到所要测量的三维形貌图。欠定方程组理论上一般有无穷多解，物理真实解是无穷多解中的一个。要从无穷多个解中确定哪个为物理真实解近乎是不可能完成的。所以理论上，要找到物理真实解，首先得缩减解的搜索空间。目前，欠定方程组唯一解的证明问题已被解决。
[0017]进一步的，所述步骤3】中所述的搜寻欠定方程如下：
[0018][0019][0020]式(1)(2)中，为波长为λ1、波长λ2和波长λ3所对应的折射率，和为从干涉图获得的包裹相位，和是整数，H
x
为物体的表面高度分布函数，H
max
为物体的最大厚度，此点可以根据预估取出合理的最大值。
[0021]进一步的，所述步骤3】中以菲涅尔算法和搜寻欠定方程组唯一解的求解算法有效融合，是搜寻唯一整数解并获取物体的三维形貌分布,和直接提取的物体相
位；
[0022]设物体的表面形貌分布函数是H(pΔx,qΔy)，其中p＝1,2
…
,P,q＝1,2,
…
Q，向量X
k
(i)(i＝1,2,...,N；k＝1,2,
…
,)是一个元素数量为N的零向量。
[0023]进一步的，步骤3】中对待测样品进行相位恢复重建具体是：
[0024]步骤一：令b为小于当前迭代次数的任意整数；
[0025]步骤二：执行操作
[0026]其中，
[0027]步骤三：进行操作
[0028]步骤四:重复第二步至第三步直至i＝N，于是停止循环；
[0029]步骤五：继续进行下述操作：
[0030]Z1(pΔx,qΔy)＝fivemin{|X1(i)-round(X1(i))|,b}
ꢀꢀ
(3)
[0031]其中，fivemin{}表示取向量的最小值，round{}表示对一个向量中所有元素进行取整操作；
[0032]步骤六：b为小于当前迭代次数的任意整数；
[0033]步骤七：执行操作
[0034]其中，
[0035]步骤八：进行操作
[0036]步骤九：重复第七步至第八步直至i＝N，于是停止循环；
[0037]步骤十：继续进行下述操作：
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于约束欠定方程的三波长数字全息成像光路，其特征在于：包括第一激光器(11)、第二激光器(12)、第三激光器(13)、第一反射镜(2)、第二反射镜(4)、第三反射镜(7)、第四反射镜(8)、第一分光棱镜(3)、第二分光棱镜(5)、第三分光棱镜(9)、准直扩束系统(6)及CCD图像传感器(10)；所述第一激光器(11)的出射光经第一反射镜(2)反射入第一分光棱镜(3)合束，第二激光器(12)的出射光直接进入第一分光棱镜(3)合束，第三激光器(13)的出射光经第二反射镜(4)反射入第一分光棱镜(3)合束；第一分光棱镜(3)出射光经准直扩束系统(6)后进入第二分光棱镜(5)分为两束，一束经第三反射镜(7)及待测物体后进入第三分光棱镜(9)合束，另一束经第四反射镜(8)后直接进入第三分光棱镜(9)合束；第三分光棱镜(9)合束后于CCD图像传感器(10)中形成干涉条纹图。2.根据权利要求1所述的三波长数字全息光路，其特征在于：所述第一激光器(11)、第二激光器(12)、第三激光器(13)的出射光为平行光。3.根据权利要求2所述的三波长数字全息光路，其特征在于：所述第二分光棱镜(5)分束的两束光，经第三反射镜(7)、第四反射镜(8)后入射第三分光棱镜(9)合束为同轴或离轴。4.一种基于约束欠定方程的三波长数字全息成像方法，其特征在于，包括以下步骤：1】搭建如权利要求1至3任一所述的基于约束欠定方程的三波长数字全息技术的光路，并加入待测样品；2】同时开启三路入射光，采集三个不同波长下所获得的全息图；3】利用步骤2】得到的全息图，以菲涅尔算法和搜寻欠定方程组唯一解的求解算法有效融合的方法，对待测样品进行相位恢复重建，得到所要测量的三维形貌图。5.根据权利要求4所述的基于约束欠定方程的三波长数字全息成像方法，其特征在于：所述步骤3】中所述的搜寻欠定方程如下：所述步骤3】中所述的搜寻欠定方程如下：式(1)(2)中，为波长为λ1、波长λ2和波长λ3所对应的折射率，和为从干涉图获得的包裹相位，和是整数，H
x
为物体的表面高度分布函数，H
max
为物体的最大厚度，此点可以根据预估取出合理的最大值。6.根据权利要求5所述的基于约束欠定方程...

【专利技术属性】
技术研发人员：李拓，雷文秀，董军，张朵，
申请(专利权)人：西安邮电大学，
类型：发明
国别省市：