【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及非相干全息成像方法，属于计算光学成像领域，具体涉及一种基于二值化相位掩模的编码孔径相关全息成像方法。
技术介绍
1、计算光学成像是通过光学器件、图像传感器以及计算机处理的新一代成像技术，相干数字全息成像技术具有快速获取物体三维信息的能力，但传统的相干全息成像技术需要高度相干性的光源，这样不仅会受到相干散斑噪声的影响，也无法拓展至被动式成像领域。
2、编码孔径相关全息术作为一种非相干全息成像技术，除了具有传统全息成像技术的立体成像能力，还能应用于被动式成像。由于编码孔径相关全息术的重建噪声取决于点扩展全息图的自相关性，不同的点扩展全息图对重建效果有很大的影响，尤其是对复杂物体进行重建时会产生大量的噪声。二值化相位全息图的相位掩模是一种通过将相位0到2π的相位迭代为两个恒定数值的掩膜，通常两个数值相差一个π的相位。相较于传统的相位掩模，二值化相位掩模能有效扩展成像的光谱范围，还能通过二元搜索算法优化点扩展全息图的自相关性，降低重建时由于点扩展全息图的自相关背景信号产生的重建噪声。
3、但互相关重建时的重建噪声不仅取决于点扩展全息图的自相关背景信号，还受到点扩展全息图的直流分量影响。在常见的图像处理中，减去图像的平均值使信号的平均值接近于零是一种很好抑制直流分量的方法，在编码孔径相关全息术中则表现为至少需要拍摄2幅点扩展函数进行相减以抑制直流分量。在使用常见的直接二元搜索法在对二值化相位掩模进行降低背景信号的优化时，合成的点扩展全息图直流分量的变化会导致优化时重建质量的变化和自相关背景信号的变化不
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提出了一种基于二值化相位掩膜的高信噪比编码孔径相关全息成像方法。
2、本专利技术的目的可以通过以下技术措施实现：
3、本专利技术提供一种基于二值化相位掩膜的高信噪比编码孔径相关全息成像方法，包括led光源、准直扩束系统、透镜、偏振片、分光棱镜、空间光调制器(spatial lightmodulator)和图像传感器。
4、本专利技术提供一种基于二值化相位掩膜的高信噪比编码孔径相关全息成像方法，具体步骤如下：
5、步骤一，基于g-s(gerchberg-saxton)算法和菲涅尔衍射生成二值化全息图相位；
6、定义物体到cpm(coded phase mask)平面距离为zs，cpm平面到传感器平面为zh。
7、采用基于菲涅尔衍射的g-s逐步迭代算法，在cpm平面加入的入射光复振幅u(zs)与在传感器平面加入全息图的约束进行迭代，随着迭代次数的增加将相位逐渐归于两个数值。因为采用无透镜成像系统，可以在全息图加上一个小倾角的锥透镜相位消除迭代时的零级衍射。
8、采用g-s逐步迭代算法获取的两幅不同的cpm，因为至少需要通过拍摄两幅点扩展函数进行相减的形式获取合成点扩展全息图，使信号平均值接近零，以降低重建时的直流分量。
9、步骤二，采用交替随机二元搜索优化算法对合成点扩展全息图的相关性进行优化。
10、编码孔径相关全息术的互相关重建公式为：
11、
12、其中，为互相关操作，“*”为卷积操作，“′”为共轭操作，(x,y)为垂直于光轴平面上的横坐标和纵坐标，iimg(x,y)为重建图像，h(x,y)为物体散斑全息图，psh(x,y)为点扩展全息图，iobj(x,y)为目标物。重建时采用相位滤波，互相关时只保留psh(x,y)的傅里叶变换相位部分。
13、可以看出物体的互相关重建效果取决于点扩展全息图psh(x,y)的自相关性，所以将psh(x,y)信号背景比sbr(signal-to-background ratio)作为二元搜索法的误差判断条件，而将物体重建结果通过峰值信噪比psnr(peak signal-to-noise ratio)作为优化结果的评价指标。
14、直流分量也是影响互相关重建的因素之一。对m×m的cpm进行优化时，通过每迭代1次替换为另一张cpm，确保相关重建时的直流分量在一定范围内波动，并采用随机遍历搜索法加快收敛，减少震荡。
15、步骤三：选择非相干光作为光源，经过准直透镜组后，放置针孔作为点光源，并按照针孔、空间光调制器、图像传感器的顺序摆放，针孔到cpm平面距离为zs，cpm平面到传感器平面为zh。将优化后的两幅cpm依次加载于空间光调制器上，获取相应的点扩展函数psf1和psf2，再将针孔替换为目标物体并获取物体全息图hobj1和hobj2，通过相减获得合成点扩展全息图psh和合成物体全息图hobj，采用相位滤波重建获得目标原图。
16、
17、其中，为傅里叶变换，“arg(a)”为获取函数a的相位函数，范围为-π到π。
18、本专利技术的有益效果是：
19、本专利技术方法通过提高合成点扩展全息图的自相关sbr来降低重建噪声，采用两幅cpm进行交替迭代约束合成全息图中的直流分量，并使用随机遍历搜索来提高优化速度与降低评价指标迭代时的震荡。
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1.一种基于二值化相位掩膜的高信噪比编码孔径相关全息成像方法，其特征在于，包括以下三个步骤：步骤1，通过菲涅尔衍射和改进的G-S(Gerchberg-Saxton)逐步迭代算法，获得两幅二值化相位掩模。步骤2，通过交替随机二元搜索法对编码相位掩模CPM(CodedPhase Mask)进行优化，通过提高合成点扩展全息图的自相关图的信号背景比来降低重建噪声。步骤3，将优化后的CPM作为编码孔径相关全息术的编码相位掩模生成散斑全息图，对物体散斑全息图进行相位滤波重建。
2.根据权利要求1所述的一种基于二值化相位掩膜的高信噪比编码孔径相关全息成像方法，其特征在于：通过对二值化相位掩模进行优化来提高编码孔径相关成像系统的重建信噪比。
3.根据权利要求1所述的一种基于二值化相位掩膜的高信噪比编码孔径相关全息成像方法，其特征在于：在步骤2中，采用二元搜索法对采用二值化相位掩模编码孔径相关成像系统的两幅CPM生成的合成点扩展全息图的自相关图的信号背景比进行优化。
4.根据权利要求2所述的一种基于二值化相位掩膜的高信噪比编码孔径相关全息成像方法，其特征在于：在
5.根据权利要求3所述的一种基于二值化相位掩膜的高信噪比编码孔径相关全息成像方法，其特征在于：在步骤2中，采用随机选取像素点翻转的方法提高该优化算法的信号背景比的迭代收敛速度与目标物重建评价指标的优化效果。
...【技术特征摘要】
1.一种基于二值化相位掩膜的高信噪比编码孔径相关全息成像方法，其特征在于，包括以下三个步骤：步骤1，通过菲涅尔衍射和改进的g-s(gerchberg-saxton)逐步迭代算法，获得两幅二值化相位掩模。步骤2，通过交替随机二元搜索法对编码相位掩模cpm(codedphase mask)进行优化，通过提高合成点扩展全息图的自相关图的信号背景比来降低重建噪声。步骤3，将优化后的cpm作为编码孔径相关全息术的编码相位掩模生成散斑全息图，对物体散斑全息图进行相位滤波重建。
2.根据权利要求1所述的一种基于二值化相位掩膜的高信噪比编码孔径相关全息成像方法，其特征在于：通过对二值化相位掩模进行优化来提高编码孔径相关成像系统的重建信...
【专利技术属性】
技术研发人员：于雪莲，潘立辉，于振波，王政贤，程绪坤，赵丽杭，尹皓，李佳，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：
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