一种彩色数字全息像的实时记录装置及方法

申请号 CN201610244237.3 申请日 2016-04-18 公开(公告)号 CN105717774A 公开(公告)日 2016-06-29
申请人 中国工程物理研究院激光聚变研究中心; 发明人 姜宏振; 刘勇; 李东; 刘旭; 郑芳兰; 郑垠波; 杨一; 陈竹; 张霖; 石振东; 原泉; 马骅; 马玉荣; 冯晓璇; 马可; 任寰; 李文洪; 于德强; 巴荣声; 周信达; 袁静; 丁磊; 陈波; 杨晓瑜;
摘要 本 发明 公开了一种彩色数字全息像的实时记录装置及方法,属于彩色数字全息像技术领域,解决 现有技术 中所使用的光路系统无法同时完成红光、绿光及蓝光数字全息图的记录;现有技术中彩色数字全息像的数值重建 算法 较为繁琐复杂,不利于彩色数字全息像的高效快速数值重建,不能满足对于动态彩色物体的实时全息记录与再现问题。本发明包括按光路依次放置的红、绿、蓝三色 激光器 Laser1~Laser3,分光棱镜BS1~BS8,反射镜M1~M8,可调 衰减器 Filter1~Filter6,直 角 三棱镜Prism1~Prism4,消色差显微物镜MO1~MO4,针孔PH1~PH4,消色差透镜L1~L4,计算机Computer,CCD相机和待测物体Object。本发明用于得到彩色数字全息像。
权利要求

1.一种彩色数字全息像的实时记录装置,其特征在于:包括按光路依次放置的红、绿、蓝三色激光器Laser1~Laser3,分光棱镜BS1~BS8,反射镜M1~M8,可调衰减器Filter1~Filter6,直三棱镜Prism1~Prism4,消色差显微物镜MO1~MO4,针孔PH1~PH4,消色差透镜L1~L4,计算机Computer,CCD相机CCD和待测物体;
红、绿、蓝三色激光器Laser1~Laser3:分别用于红光激光器发出红色激光束,绿光激光器发出绿色激光束,蓝光激光器发出蓝色激光束,作为光源进行数字全息图的记录;
分光棱镜BS1~BS8:分别用于透射红光激光器发出的红色激光束、绿光激光器发出的绿色激光束、蓝光激光器发出的蓝色激光束,透射反射镜反射的红色激光束、绿色激光束和蓝色激光束,透射已经过分光棱镜的激光束以及反射经过可调衰减器的激光束;
反射镜M1~M8:分别用于反射经过可调衰减器后的红色激光束、绿色激光束和蓝色激光束;
可调衰减器Filter1~Filter6:分别用于调节照明待测物体的红色、绿色和蓝色激光束的强度和记录待测物体红色、绿色和蓝色强度信息的数字全息图的参考光束的强度;
直角三棱镜Prism1~Prism4:分别用于与反射镜组成光程延迟系统;
消色差显微物镜MO1~MO4:分别用于与针孔将分光棱镜接收的反射的红色激光束、绿色激光束和蓝色激光束进行扩束后变为球面点光源;
针孔PH1~PH4:分别用于与消色差显微物镜将分光棱镜接收的反射的红色激光束、绿色激光束和蓝色激光束进行扩束后变为球面点光源;
消色差透镜L1~L4:分别用于将针孔发出的球面光束准直为平行光束;
计算机Computer:用于存储CCD相机采集的数字全息图并对其进行数值重建得到再现像;
CCD相机CCD:用于采集数字全息图;
待测物体Object:用于彩色数字全息像记录和再现的彩色物体。
2.根据权利要求1所述的一种彩色数字全息像的实时记录装置,其特征在于:所述红、绿、蓝三色激光器Laser1~Laser3中的红光激光器Laser1发出红色激光束,绿光激光器Laser2发出绿色激光束,蓝光激光器Laser3发出蓝色激光束;
所述红光激光器Laser1发出的红色激光束经过分光棱镜BS1后的透射光束,在经过可调衰减器Filter1调节后,由反射镜M1反射后依次经过分光棱镜BS4和分光棱镜BS5,然后由消色差显微物镜MO4和针孔PH4扩束后变为球面点光源,消色差透镜L4的焦点位于针孔PH4上,由针孔PH4发出的球面光束经消色差透镜L4后准直为平行光束;
所述绿光激光器Laser2发出的绿色激光束经过分光棱镜BS2后的透射光束,在经过可调衰减器Filter3调节后,由分光棱镜BS4反射后经过分光棱镜BS5,然后由消色差显微物镜MO4和针孔PH4扩束后变为球面点光源,消色差透镜L4的焦点位于针孔PH4上,由针孔PH4发出的球面光束经消色差透镜L4后准直为平行光束;
所述蓝光激光器Laser3发出蓝色激光束经过分光棱镜BS3后的透射光束,在经过可调衰减器Filter5调节后,由分光棱镜BS5反射,然后由消色差显微物镜MO4和针孔PH4扩束后变为球面点光源,消色差透镜L4的焦点位于针孔PH4上,由针孔PH4发出的球面光束经消色差透镜L4后准直为平行光束;
所述平行光束用于照明待测物体,待测物体的反射光由分光棱镜BS8反射后到达CCD相机靶面,作为记录数字全息图时的红、绿、蓝色物光束;
所述红光激光器Laser1发出的红色激光束经过分光棱镜BS1后的反射光束,在经过可调衰减器Filter2后,经过由反射镜M2、直角三棱镜Prism1和反射镜M3组成的光程延迟系统,然后由消色差显微物镜MO1和针孔PH1扩束后变为球面点光源,消色差透镜L1的焦点位于针孔PH1上,由针孔PH1发出的球面光束经消色差透镜L1后准直为平行光束,该光束由反射镜M8反射后,依次经过分光棱镜BS6、分光棱镜BS7和分光棱镜BS8后到达CCD相机靶面,作为记录待测物体红色强度信息的数字全息图的参考光束;
所述绿光激光器Laser2发出的绿色激光束经过分光棱镜BS2后的反射光束,在经过可调衰减器Filter4后,经过由反射镜M4、直角三棱镜Prism2和反射镜M5组成的光程延迟系统,然后由消色差显微物镜MO2和针孔PH2扩束后变为球面点光源,消色差透镜L2的焦点位于针孔PH2上,由针孔PH2发出的球面光束经消色差透镜L2后准直为平行光束,该光束由分光棱镜BS6反射后,依次经过分光棱镜BS7和分光棱镜BS8后到达CCD相机靶面,作为记录待测物体绿色强度信息的数字全息图的参考光束;
所述蓝光激光器Laser3发出蓝色激光束经过分光棱镜BS3后的反射光束,在经过可调衰减器Filter6后,经过由反射镜M6、直角三棱镜Prism3和反射镜M7组成的光程延迟系统,然后由消色差显微物镜MO3和针孔PH3扩束后变为球面点光源,消色差透镜L3的焦点位于针孔PH3上,由针孔PH3发出的球面光束经消色差透镜L3后准直为平行光束,该光束由分光棱镜BS7反射后,经过分光棱镜BS8后到达CCD相机靶面,作为记录待测物体蓝色强度信息的数字全息图的参考光束;
调节反射镜M8、分光棱镜BS6和分光棱镜BS7,使得红色、绿色、蓝色三束参考光束以不同的角度照射到CCD靶面。
3.根据权利要求2所述的一种彩色数字全息像的实时记录装置,其特征在于:所述反射镜M1、分光棱镜BS4和分光棱镜BS5分别反射的红、绿、蓝色激光束严格共路重合。
4.根据权利要求2所述的一种彩色数字全息像的实时记录装置,其特征在于:所述可调衰减器Filter1用于调节照明待测物体的红色激光束的强度;
所述可调衰减器Filter3用于调节照明待测物体的绿色激光束的强度;
所述可调衰减器Filter5用于调节照明待测物体的蓝色激光束的强度;
通过调节可调衰减器Filter1,可调衰减器Filter3和可调衰减器Filter5,使得照明待测物体的红色、绿色和蓝色激光束的强度相等。
5.根据权利要求4所述的一种彩色数字全息像的实时记录装置,其特征在于:所述可调衰减器Filter2用于调节记录待测物体红色强度信息的数字全息图的参考光束的强度;
所述可调衰减器Filter4用于调节记录待测物体绿色强度信息的数字全息图的参考光束的强度;
所述可调衰减器Filter6用于调节记录待测物体蓝色强度信息的数字全息图的参考光束的强度;
通过调节调衰减器Filter2,可调衰减器Filter4和可调衰减器Filter6,使得参考光束与物光束的强度相等,保证所记录的数字全息图具有较高的干涉条纹对比度
6.一种彩色数字全息像的实时记录方法,其特征在于,具体如下:
(1)使用红光、绿光、蓝光三种单色激光器Laser1~Laser3分别发出红光、绿光和蓝光;
(2)将红光激光器发出的红光、绿光激光器发出的绿光和蓝光激光器发出的蓝光分别处理为强度相等的平行光束,平行光束用于照明待测物体,得到待测物体的反射光;
(3)将待测物体的反射光经过反射后到达CCD相机靶面,作为记录数字全息图时的物光束;
(4)将红光激光器发出的红光、绿光激光器发出的绿光和蓝光激光器发出的蓝光分别处理为记录待测物体红色、绿色和蓝色强度信息的数字全息图的参考光束;
(5)将红色、绿色和蓝色强度信息的数字全息图的参考光束调节为不同角度参考光束,其中参考光束的强度与物光束强度相等,并照射到CCD相机靶面,作为记录数字全息图时的参考光束;
(6)调节步骤(3)中得到的物光束和步骤(5)中得到的参考光束,使得到达CCD相机靶面的物光束与参考光束的光程相等,以形成具有不同空间频率干涉条纹的数字全息图,并记录数字全息图相应颜色的强度信息;
(7)对记录的数字全息图相应颜色的强度信息进行傅里叶变换运算,得到与待测物体红、绿、蓝色强度信息所对应的各个空间频谱
(8)将与待测物体红、绿、蓝色强度信息所对应的各个空间频谱分别移至频谱平面的中心,采用角谱算法分别重建得到对应的红、绿、蓝各单色数字全息像;
(9)将红、绿、蓝各单色数字全息像进行合成,得到相应的彩色数字全息像。
7.根据权利要求6所述的一种彩色数字全息像的实时记录方法,其特征在于:所述步骤(2)中,将红光激光器发出的红光、绿光激光器发出的绿光和蓝光激光器发出的蓝光分别处理为强度相等的平行光束,具体如下:
将红光激光器Laser1发出的红色激光束经过分光棱镜BS1后的透射光束,在经过可调衰减器Filter1调节后,由反射镜M1反射后依次经过分光棱镜BS4和分光棱镜BS5,然后由消色差显微物镜MO4和针孔PH4扩束后变为球面点光源,消色差透镜L4的焦点位于针孔PH4上,由针孔PH4发出的球面光束经消色差透镜L4后准直为平行光束;
将绿光激光器Laser2发出的绿色激光束经过分光棱镜BS2后的透射光束,在经过可调衰减器Filter3调节后,由分光棱镜BS4反射后经过分光棱镜BS5,然后由消色差显微物镜MO4和针孔PH4扩束后变为球面点光源,消色差透镜L4的焦点位于针孔PH4上,由针孔PH4发出的球面光束经消色差透镜L4后准直为平行光束;
将蓝光激光器Laser3发出蓝色激光束经过分光棱镜BS3后的透射光束,在经过可调衰减器Filter5调节后,由分光棱镜BS5反射,然后由消色差显微物镜MO4和针孔PH4扩束后变为球面点光源,消色差透镜L4的焦点位于针孔PH4上,由针孔PH4发出的球面光束经消色差透镜L4后准直为平行光束。
8.根据权利要求6所述的一种彩色数字全息像的实时记录方法,其特征在于:所述步骤(4)中,将红光激光器发出的红光、绿光激光器发出的绿光和蓝光激光器发出的蓝光分别处理为记录待测物体红色、绿色和蓝色强度信息的数字全息图的参考光束,具体如下:
将红光激光器Laser1发出的红色激光束经过分光棱镜BS1后的反射光束,在经过可调衰减器Filter2后,经过由反射镜M2、直角三棱镜Prism1和反射镜M3组成的光程延迟系统,然后由消色差显微物镜MO1和针孔PH1扩束后变为球面点光源,消色差透镜L1的焦点位于针孔PH1上,由针孔PH1发出的球面光束经消色差透镜L1后准直为平行光束,该光束由反射镜M8反射后,依次经过分光棱镜BS6、分光棱镜BS7和分光棱镜BS8后到达CCD相机靶面,作为记录待测物体红色强度信息的数字全息图的参考光束;
将绿光激光器Laser2发出的绿色激光束经过分光棱镜BS2后的反射光束,在经过可调衰减器Filter4后,经过由反射镜M4、直角三棱镜Prism2和反射镜M5组成的光程延迟系统,然后由消色差显微物镜MO2和针孔PH2扩束后变为球面点光源,消色差透镜L2的焦点位于针孔PH2上,由针孔PH2发出的球面光束经消色差透镜L2后准直为平行光束,该光束由分光棱镜BS6反射后,依次经过分光棱镜BS7和分光棱镜BS8后到达CCD相机靶面,作为记录待测物体绿色强度信息的数字全息图的参考光束;
将蓝光激光器Laser3发出蓝色激光束经过分光棱镜BS3后的反射光束,在经过可调衰减器Filter6后,经过由反射镜M6、直角三棱镜Prism3和反射镜M7组成的光程延迟系统,然后由消色差显微物镜MO3和针孔PH3扩束后变为球面点光源,消色差透镜L3的焦点位于针孔PH3上,由针孔PH3发出的球面光束经消色差透镜L3后准直为平行光束,该光束由分光棱镜BS7反射后,经过分光棱镜BS8后到达CCD相机靶面,作为记录待测物体蓝色强度信息的数字全息图的参考光束。
9.根据权利要求8所述的一种彩色数字全息像的实时记录方法,其特征在于:所述步骤(6)中,调节步骤(3)中得到的物光束和步骤(5)中得到的参考光束,使得到达CCD相机靶面的物光束与参考光束的光程相等,具体如下:
调节反射镜M2、直角三棱镜Prism1和反射镜M3组成的光程延迟系统,使得记录待测物体红色强度信息的数字全息图的红色物光束与参考光束的光程相等;
调节反射镜M4、直角三棱镜Prism2和反射镜M5组成的光程延迟系统,使得记录待测物体绿色强度信息的数字全息图的绿色物光束与参考光束的光程相等;
调节反射镜M6、直角三棱镜Prism3和反射镜M7组成的光程延迟系统,使得记录待测物体蓝色强度信息的数字全息图的蓝色物光束与参考光束的光程相等。
10.根据权利要求6所述的一种彩色数字全息像的实时记录方法,其特征在于:所述步骤(8)中,将与待测物体红、绿、蓝色强度信息所对应的各个空间频谱分别移至频谱平面的中心,采用角谱算法分别重建得到对红、绿、蓝各单色数字全息像的公式如下:
其中,uR(x',y'),uG(x',y')和uB(x',y')红、绿、蓝各单色数字全息像,F‐1{}代表逆傅里叶变换运算,UR(fx,fy)、UG(fx,fy)和UB(fx,fy)为与待测物体红、绿、蓝色强度信息所对应的各个空间频谱,λR、λG、λB分别为数字全息图的红、绿、蓝色记录波长,fx和fy分别为x和y方向的空间频率,d为数字全息图的重建距离。

说明书全文

一种彩色数字全息像的实时记录装置及方法

技术领域

[0001] 一种彩色数字全息像的实时记录装置及方法,用于得到彩色数字全息像,属于彩色数字全息像技术领域。

背景技术

[0002] 利用数字全息技术,可以快速、高效的对待测物体的强度、相位信息进行定量测量。其实现流程为,记录待测物体的数字全息图,然后根据光学衍射积分对数字全息图进行数值重建,进而得到待测物体的强度、相位信息。数字全息技术在光学测量及显示领域均具有重要的应用。在显示领域方面,由于数字全息技术通常采用单一波长的激光以及高分辨率的黑白型CCD记录数字全息图,因此一般只能得到与记录波长相应的所记录物体的单色数字全息像,而无法获得所记录物体的彩色数字全息像,这限制了数字全息技术在光学成像与显示方面的应用。多波长数字全息技术是解决这一问题的一项有效技术途径,其根据三原色合成原理,通过采用红光、绿光、蓝光激光以及高分辨率的黑白型CCD,分别记录与再现所记录物体的红光、绿光及蓝光数字全息像,进而进行颜色合成以得到所记录物体的彩色数字全息像。
[0003] 例如申请号为ZL200710188455.0的发明专利就公开了一种彩色数字全息像的获取方法,该方法通过采用多波长无透镜傅里叶变换全息光路,分别记录待测物体的红光、绿光和蓝光数字全息图,进而通过数值重建得到所记录物体的彩色数字全息像。该方法虽然通过多波长数字全息技术获得了彩色数字全息像,但是所使用的光路系统无法同时完成红光、绿光及蓝光数字全息图的记录(需要在光路系统中通过电子控制各单色激光的通过与否,以对各个单色数字全息图分别进行记录),因此无法实现对于所测物体彩色数字全息像的实时记录;另外,该方法在数值重建过程中,需要根据数字全息图的记录波长和记录距离对各单色全息图分别进行相应的补零运算操作以对各单色数字全息像的显示分辨率进行调整,使得各单色数字全息像的显示分辨率一致以用于彩色数字全息像的合成,这一运算操作较为繁琐复杂,不利于彩色数字全息像的高效快速数值重建。因此,该方法不能满足对于动态彩色物体的实时全息记录与再现要求。

发明内容

[0004] 本发明针对上述不足之处提供了一种彩色数字全息像的实时记录装置及方法,解决现有技术中所使用的光路系统无法同时完成红光、绿光及蓝光数字全息图的记录;现有技术中彩色数字全息像的数值重建算法较为繁琐复杂,不利于彩色数字全息像的高效快速数值重建,不能满足对于动态彩色物体的实时全息记录与再现的问题。
[0005] 为了实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
[0006] 一种彩色数字全息像的实时记录装置,其特征在于:包括按光路依次放置的红、绿、蓝三色激光器Laser1~Laser3,分光棱镜BS1~BS8,反射镜M1~M8,可调衰减器Filter1~Filter6,直三棱镜Prism1~Prism4,消色差显微物镜MO1~MO4,针孔PH1~PH4,消色差透镜L1~L4,计算机Computer,CCD相机CCD和待测物体;
[0007] 红、绿、蓝三色激光器Laser1~Laser3:分别用于红光激光器发出红色激光束,绿光激光器发出绿色激光束,蓝光激光器发出蓝色激光束,作为光源进行数字全息图的记录;
[0008] 分光棱镜BS1~BS8:分别用于透射红光激光器发出的红色激光束、绿光激光器发出的绿色激光束、蓝光激光器发出的蓝色激光束,透射反射镜反射的红色激光束、绿色激光束和蓝色激光束,透射已经过分光棱镜的激光束以及反射经过可调衰减器的激光束;
[0009] 反射镜M1~M8:分别用于反射经过可调衰减器后的红色激光束、绿色激光束和蓝色激光束;
[0010] 可调衰减器Filter1~Filter6:分别用于调节照明待测物体的红色、绿色和蓝色激光束的强度和记录待测物体红色、绿色和蓝色强度信息的数字全息图的参考光束的强度;
[0011] 直角三棱镜Prism1~Prism4:分别用于与反射镜组成光程延迟系统;
[0012] 消色差显微物镜MO1~MO4:分别用于与针孔将分光棱镜接收的反射的红色激光束、绿色激光束和蓝色激光束进行扩束后变为球面点光源;
[0013] 针孔PH1~PH4:分别用于与消色差显微物镜将分光棱镜接收的反射的红色激光束、绿色激光束和蓝色激光束进行扩束后变为球面点光源;
[0014] 消色差透镜L1~L4:分别用于将针孔发出的球面光束准直为平行光束;
[0015] 计算机Computer:用于存储CCD相机采集的数字全息图并对其进行数值重建得到再现像;
[0016] CCD相机CCD:用于采集数字全息图;
[0017] 待测物体Object:用于彩色数字全息像记录和再现的彩色物体。
[0018] 进一步,所述红、绿、蓝三色激光器Laser1~Laser3中的红光激光器Laser1发出红色激光束,绿光激光器Laser2发出绿色激光束,蓝光激光器Laser3发出蓝色激光束;
[0019] 所述红光激光器Laser1发出的红色激光束经过分光棱镜BS1后的透射光束,在经过可调衰减器Filter1调节后,由反射镜M1反射后依次经过分光棱镜BS4和分光棱镜BS5,然后由消色差显微物镜MO4和针孔PH4扩束后变为球面点光源,消色差透镜L4的焦点位于针孔PH4上,由针孔PH4发出的球面光束经消色差透镜L4后准直为平行光束;
[0020] 所述绿光激光器Laser2发出的绿色激光束经过分光棱镜BS2后的透射光束,在经过可调衰减器Filter3调节后,由分光棱镜BS4反射后经过分光棱镜BS5,然后由消色差显微物镜MO4和针孔PH4扩束后变为球面点光源,消色差透镜L4的焦点位于针孔PH4上,由针孔PH4发出的球面光束经消色差透镜L4后准直为平行光束;
[0021] 所述蓝光激光器Laser3发出蓝色激光束经过分光棱镜BS3后的透射光束,在经过可调衰减器Filter5调节后,由分光棱镜BS5反射,然后由消色差显微物镜MO4和针孔PH4扩束后变为球面点光源,消色差透镜L4的焦点位于针孔PH4上,由针孔PH4发出的球面光束经消色差透镜L4后准直为平行光束;
[0022] 所述平行光束用于照明待测物体,待测物体的反射光由分光棱镜BS8反射后到达CCD相机靶面,作为记录数字全息图时的红、绿、蓝色物光束;
[0023] 所述红光激光器Laser1发出的红色激光束经过分光棱镜BS1后的反射光束,在经过可调衰减器Filter2后,经过由反射镜M2、直角三棱镜Prism1和反射镜M3组成的光程延迟系统,然后由消色差显微物镜MO1和针孔PH1扩束后变为球面点光源,消色差透镜L1的焦点位于针孔PH1上,由针孔PH1发出的球面光束经消色差透镜L1后准直为平行光束,该光束由反射镜M8反射后,依次经过分光棱镜BS6、分光棱镜BS7和分光棱镜BS8后到达CCD相机靶面,作为记录待测物体红色强度信息的数字全息图的参考光束;
[0024] 所述绿光激光器Laser2发出的绿色激光束经过分光棱镜BS2后的反射光束,在经过可调衰减器Filter4后,经过由反射镜M4、直角三棱镜Prism2和反射镜M5组成的光程延迟系统,然后由消色差显微物镜MO2和针孔PH2扩束后变为球面点光源,消色差透镜L2的焦点位于针孔PH2上,由针孔PH2发出的球面光束经消色差透镜L2后准直为平行光束,该光束由分光棱镜BS6反射后,依次经过分光棱镜BS7和分光棱镜BS8后到达CCD相机靶面,作为记录待测物体绿色强度信息的数字全息图的参考光束;
[0025] 所述蓝光激光器Laser3发出蓝色激光束经过分光棱镜BS3后的反射光束,在经过可调衰减器Filter6后,经过由反射镜M6、直角三棱镜Prism3和反射镜M7组成的光程延迟系统,然后由消色差显微物镜MO3和针孔PH3扩束后变为球面点光源,消色差透镜L3的焦点位于针孔PH3上,由针孔PH3发出的球面光束经消色差透镜L3后准直为平行光束,该光束由分光棱镜BS7反射后,经过分光棱镜BS8后到达CCD相机靶面,作为记录待测物体蓝色强度信息的数字全息图的参考光束;
[0026] 调节反射镜M8、分光棱镜BS6和分光棱镜BS7,使得红色、绿色、蓝色三束参考光束以不同的角度照射到CCD靶面。
[0027] 进一步,所述反射镜M1、分光棱镜BS4和分光棱镜BS5分别反射的红、绿、蓝色激光束严格共路重合。
[0028] 进一步,所述可调衰减器Filter1用于调节照明待测物体的红色激光束的强度;
[0029] 所述可调衰减器Filter3用于调节照明待测物体的绿色激光束的强度;
[0030] 所述可调衰减器Filter5用于调节照明待测物体的蓝色激光束的强度;
[0031] 通过调节可调衰减器Filter1,可调衰减器Filter3和可调衰减器Filter5,使得照明待测物体的红色、绿色和蓝色激光束的强度相等。
[0032] 进一步,所述可调衰减器Filter2用于调节记录待测物体红色强度信息的数字全息图的参考光束的强度;
[0033] 所述可调衰减器Filter4用于调节记录待测物体绿色强度信息的数字全息图的参考光束的强度;
[0034] 所述可调衰减器Filter6用于调节记录待测物体蓝色强度信息的数字全息图的参考光束的强度;
[0035] 通过调节调衰减器Filter2,可调衰减器Filter4和可调衰减器Filter6,使得参考光束与物光束的强度相等,保证所记录的数字全息图具有较高的干涉条纹对比度
[0036] 一种彩色数字全息像的实时记录方法,其特征在于,具体如下:
[0037] (1)使用红光、绿光、蓝光三种单色激光器Laser1~Laser3分别发出红光、绿光和蓝光;
[0038] (2)将红光激光器发出的红光、绿光激光器发出的绿光和蓝光激光器发出的蓝光分别处理为强度相等的平行光束,平行光束用于照明待测物体,得到待测物体的反射光;
[0039] (3)将待测物体的反射光经过反射后到达CCD相机靶面,作为记录数字全息图时的物光束;
[0040] (4)将红光激光器发出的红光、绿光激光器发出的绿光和蓝光激光器发出的蓝光分别处理为记录待测物体红色、绿色和蓝色强度信息的数字全息图的参考光束;
[0041] (5)将红色、绿色和蓝色强度信息的数字全息图的参考光束调节为不同角度参考光束,其中参考光束的强度与物光束强度相等,并照射到CCD相机靶面,作为记录数字全息图时的参考光束;
[0042] (6)调节步骤(3)中得到的物光束和步骤(5)中得到的参考光束,使得到达CCD相机靶面的物光束与参考光束的光程相等,以形成具有不同空间频率干涉条纹的数字全息图,并记录数字全息图相应颜色的强度信息;
[0043] (7)对记录的数字全息图相应颜色的强度信息进行傅里叶变换运算,得到与待测物体红、绿、蓝色强度信息所对应的各个空间频谱
[0044] (8)将与待测物体红、绿、蓝色强度信息所对应的各个空间频谱分别移至频谱平面的中心,采用角谱算法分别重建得到对应的红、绿、蓝各单色数字全息像;
[0045] (9)将红、绿、蓝各单色数字全息像进行合成,得到相应的彩色数字全息像。
[0046] 进一步,所述步骤(2)中,将红光激光器发出的红光、绿光激光器发出的绿光和蓝光激光器发出的蓝光分别处理为强度相等的平行光束,具体如下:
[0047] 将红光激光器Laser1发出的红色激光束经过分光棱镜BS1后的透射光束,在经过可调衰减器Filter1调节后,由反射镜M1反射后依次经过分光棱镜BS4和分光棱镜BS5,然后由消色差显微物镜MO4和针孔PH4扩束后变为球面点光源,消色差透镜L4的焦点位于针孔PH4上,由针孔PH4发出的球面光束经消色差透镜L4后准直为平行光束;
[0048] 将绿光激光器Laser2发出的绿色激光束经过分光棱镜BS2后的透射光束,在经过可调衰减器Filter3调节后,由分光棱镜BS4反射后经过分光棱镜BS5,然后由消色差显微物镜MO4和针孔PH4扩束后变为球面点光源,消色差透镜L4的焦点位于针孔PH4上,由针孔PH4发出的球面光束经消色差透镜L4后准直为平行光束;
[0049] 将蓝光激光器Laser3发出蓝色激光束经过分光棱镜BS3后的透射光束,在经过可调衰减器Filter5调节后,由分光棱镜BS5反射,然后由消色差显微物镜MO4和针孔PH4扩束后变为球面点光源,消色差透镜L4的焦点位于针孔PH4上,由针孔PH4发出的球面光束经消色差透镜L4后准直为平行光束。
[0050] 进一步,所述步骤(4)中,将红光激光器发出的红光、绿光激光器发出的绿光和蓝光激光器发出的蓝光分别处理为记录待测物体红色、绿色和蓝色强度信息的数字全息图的参考光束,具体如下:
[0051] 将红光激光器Laser1发出的红色激光束经过分光棱镜BS1后的反射光束,在经过可调衰减器Filter2后,经过由反射镜M2、直角三棱镜Prism1和反射镜M3组成的光程延迟系统,然后由消色差显微物镜MO1和针孔PH1扩束后变为球面点光源,消色差透镜L1的焦点位于针孔PH1上,由针孔PH1发出的球面光束经消色差透镜L1后准直为平行光束,该光束由反射镜M8反射后,依次经过分光棱镜BS6、分光棱镜BS7和分光棱镜BS8后到达CCD相机靶面,作为记录待测物体红色强度信息的数字全息图的参考光束;
[0052] 将绿光激光器Laser2发出的绿色激光束经过分光棱镜BS2后的反射光束,在经过可调衰减器Filter4后,经过由反射镜M4、直角三棱镜Prism2和反射镜M5组成的光程延迟系统,然后由消色差显微物镜MO2和针孔PH2扩束后变为球面点光源,消色差透镜L2的焦点位于针孔PH2上,由针孔PH2发出的球面光束经消色差透镜L2后准直为平行光束,该光束由分光棱镜BS6反射后,依次经过分光棱镜BS7和分光棱镜BS8后到达CCD相机靶面,作为记录待测物体绿色强度信息的数字全息图的参考光束;
[0053] 将蓝光激光器Laser3发出蓝色激光束经过分光棱镜BS3后的反射光束,在经过可调衰减器Filter6后,经过由反射镜M6、直角三棱镜Prism3和反射镜M7组成的光程延迟系统,然后由消色差显微物镜MO3和针孔PH3扩束后变为球面点光源,消色差透镜L3的焦点位于针孔PH3上,由针孔PH3发出的球面光束经消色差透镜L3后准直为平行光束,该光束由分光棱镜BS7反射后,经过分光棱镜BS8后到达CCD相机靶面,作为记录待测物体蓝色强度信息的数字全息图的参考光束。
[0054] 进一步,所述步骤(6)中,调节步骤(3)中得到的物光束和步骤(5)中得到的参考光束,使得到达CCD相机靶面的物光束与参考光束的光程相等,具体如下:
[0055] 调节反射镜M2、直角三棱镜Prism1和反射镜M3组成的光程延迟系统,使得记录待测物体红色强度信息的数字全息图的红色物光束与参考光束的光程相等;
[0056] 调节反射镜M4、直角三棱镜Prism2和反射镜M5组成的光程延迟系统,使得记录待测物体绿色强度信息的数字全息图的绿色物光束与参考光束的光程相等;
[0057] 调节反射镜M6、直角三棱镜Prism3和反射镜M7组成的光程延迟系统,使得记录待测物体蓝色强度信息的数字全息图的蓝色物光束与参考光束的光程相等。
[0058] 进一步,所述步骤(8)中,将与待测物体红、绿、蓝色强度信息所对应的各个空间频谱分别移至频谱平面的中心,采用角谱算法分别重建得到对红、绿、蓝各单色数字全息像的公式如下:
[0059]
[0060]
[0061]
[0062] 其中,uR(x',y'),uG(x',y')和uB(x',y')红、绿、蓝各单色数字全息像,F‐1{}代表逆傅里叶变换运算,UR(fx,fy)、UG(fx,fy)和UB(fx,fy)为与待测物体红、绿、蓝色强度信息所对应的各个空间频谱,λR、λG、λB分别为数字全息图的红、绿、蓝色记录波长,fx和fy分别为x和y方向的空间频率,d为数字全息图的重建距离。
[0063] 与现有技术相比,本发明的优点在于:
[0064] (一)通过光路系统的合理优化设计以实现对于红光、绿光及蓝光各单色数字全息图的同时记录,即在物光束照明角度一致的条件下,通过调节参考光束的照射角度,以不同的空间频率分别记录红、绿、蓝各单色数字全息图;
[0065] (二)彩色数字全息像的数值重建算法方面,不需要对各单色数字全息像进行显示分辨率的调整以节省运算时间,从而可以完成对于动态彩色物体的实时全息记录与再现。附图说明
[0066] 图1为本发明的框架示意图;
[0067] 其中,Laser—激光器、BS—分光棱镜、M—反射镜、Filter—可调衰减器、Prism—直角三棱镜、MO—消色差显微物镜、PH—针孔、L—消色差透镜、Computer—计算机、CCD—CCD相机、Object—待测物体。

具体实施方式

[0068] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0069] 一种彩色数字全息像的实时记录装置,包括按光路依次放置的红、绿、蓝三色激光器Laser1~Laser3,分光棱镜BS1~BS8,反射镜M1~M8,可调衰减器Filter1~Filter6,直角三棱镜Prism1~Prism4,消色差显微物镜MO1~MO4,针孔PH1~PH4,消色差透镜L1~L4,计算机Computer,CCD相机CCD和待测物体Object;可设置Laser1对应红光激光器,Laser2对应绿光激光器,Laser3对应蓝光激光器,使用的各单色激光器的波长可为:632.8nm的He‐Ne激光器(红光),532nm的半导体固体激光器(绿光)以及473nm的半导体固体激光器(蓝光),也可使用其他波长的红、绿、蓝单色激光器;
[0070] 所述红、绿、蓝三色激光器Laser1~Laser3中的红光激光器Laser1发出红色激光束,绿光激光器Laser2发出绿色激光束,蓝光激光器Laser3发出蓝色激光束;
[0071] 所述红光激光器Laser1发出的红色激光束经过分光棱镜BS1后的透射光束,在经过可调衰减器Filter1调节后,由反射镜M1反射后依次经过分光棱镜BS4和分光棱镜BS5,然后由消色差显微物镜MO4和针孔PH4扩束后变为球面点光源,消色差透镜L4的焦点位于针孔PH4上,由针孔PH4发出的球面光束经消色差透镜L4后准直为平行光束;
[0072] 所述绿光激光器Laser2发出的绿色激光束经过分光棱镜BS2后的透射光束,在经过可调衰减器Filter3调节后,由分光棱镜BS4反射后经过分光棱镜BS5,然后由消色差显微物镜MO4和针孔PH4扩束后变为球面点光源,消色差透镜L4的焦点位于针孔PH4上,由针孔PH4发出的球面光束经消色差透镜L4后准直为平行光束;
[0073] 所述蓝光激光器Laser3发出蓝色激光束经过分光棱镜BS3后的透射光束,在经过可调衰减器Filter5调节后,由分光棱镜BS5反射,然后由消色差显微物镜MO4和针孔PH4扩束后变为球面点光源,消色差透镜L4的焦点位于针孔PH4上,由针孔PH4发出的球面光束经消色差透镜L4后准直为平行光束;
[0074] 所述平行光束用于照明待测物体,待测物体的反射光由分光棱镜BS8反射后到达CCD相机靶面,作为记录数字全息图时的红、绿、蓝色物光束;
[0075] 所述红光激光器Laser1发出的红色激光束经过分光棱镜BS1后的反射光束,在经过可调衰减器Filter2后,经过由反射镜M2、直角三棱镜Prism1和反射镜M3组成的光程延迟系统,然后由消色差显微物镜MO1和针孔PH1扩束后变为球面点光源,消色差透镜L1的焦点位于针孔PH1上,由针孔PH1发出的球面光束经消色差透镜L1后准直为平行光束,该光束由反射镜M8反射后,依次经过分光棱镜BS6、分光棱镜BS7和分光棱镜BS8后到达CCD相机靶面,作为记录待测物体红色强度信息的数字全息图的参考光束;
[0076] 所述绿光激光器Laser2发出的绿色激光束经过分光棱镜BS2后的反射光束,在经过可调衰减器Filter4后,经过由反射镜M4、直角三棱镜Prism2和反射镜M5组成的光程延迟系统,然后由消色差显微物镜MO2和针孔PH2扩束后变为球面点光源,消色差透镜L2的焦点位于针孔PH2上,由针孔PH2发出的球面光束经消色差透镜L2后准直为平行光束,该光束由分光棱镜BS6反射后,依次经过分光棱镜BS7和分光棱镜BS8后到达CCD相机靶面,作为记录待测物体绿色强度信息的数字全息图的参考光束;
[0077] 所述蓝光激光器Laser3发出蓝色激光束经过分光棱镜BS3后的反射光束,在经过可调衰减器Filter6后,经过由反射镜M6、直角三棱镜Prism3和反射镜M7组成的光程延迟系统,然后由消色差显微物镜MO3和针孔PH3扩束后变为球面点光源,消色差透镜L3的焦点位于针孔PH3上,由针孔PH3发出的球面光束经消色差透镜L3后准直为平行光束,该光束由分光棱镜BS7反射后,经过分光棱镜BS8后到达CCD相机靶面,作为记录待测物体蓝色强度信息的数字全息图的参考光束;
[0078] 调节反射镜M8、分光棱镜BS6和BS7,使得红色、绿色、蓝色三束参考光束以不同的角度照射到CCD靶面。
[0079] 作为优选,所述反射镜M1、分光棱镜BS4和分光棱镜BS5分别反射的红、绿、蓝色激光束严格共路重合。
[0080] 光路延迟系统由两个反射镜以及一个直角三棱镜所组成,其作为一种实施例,需要使得两个反射镜镜面互相垂直放置,直角三棱镜的底角为45度,两条直角边分别与两个反射镜的镜面平行放置,入射光束以45度的入射角照射到其中某一反射镜,以保证出射光束在经过该光路延迟系统后,继续沿原方向传播;调节直角三棱镜与两反射镜之间的间距,使得上述到达CCD相机靶面的物光束与参考光束的光程相等;直角三棱镜可以用与其直角边平行的两个反射镜所代替。
[0081] 作为优选,所述可调衰减器Filter1用于调节照明待测物体的红色激光束的强度;所述可调衰减器Filter3用于调节照明待测物体的绿色激光束的强度;所述可调衰减器Filter5用于调节照明待测物体的蓝色激光束的强度;通过调节可调衰减器Filter1,可调衰减器Filter3和可调衰减器Filter5,使得照明待测物体的红色、绿色和蓝色激光束的强度相等。
[0082] 作为优选,所述可调衰减器Filter2用于调节记录待测物体红色强度信息的数字全息图的参考光束的强度;所述可调衰减器Filter4用于调节记录待测物体绿色强度信息的数字全息图的参考光束的强度;所述可调衰减器Filter6用于调节记录待测物体蓝色强度信息的数字全息图的参考光束的强度;通过调节调衰减器Filter2,可调衰减器Filter4和可调衰减器Filter6,使得参考光束与物光束的强度相等,保证所记录的数字全息图具有较高的干涉条纹对比度。
[0083] 一种彩色数字全息像的实时记录方法,具体步骤如下:
[0084] (1)使用红光、绿光、蓝光三种单色激光器Laser1~Laser3分别发出红光、绿光和蓝光;
[0085] (2)将红光激光器发出的红光、绿光激光器发出的绿光和蓝光激光器发出的蓝光分别处理为强度相等的平行光束,平行光束用于照明待测物体,得到待测物体的反射光;将红光激光器发出的红光、绿光激光器发出的绿光和蓝光激光器发出的蓝光分别处理为强度相等的平行光束,具体如下:
[0086] 将红光激光器Laser1发出的红色激光束经过分光棱镜BS1后的透射光束,在经过可调衰减器Filter1调节后,由反射镜M1反射后依次经过分光棱镜BS4和分光棱镜BS5,然后由消色差显微物镜MO4和针孔PH4扩束后变为球面点光源,消色差透镜L4的焦点位于针孔PH4上,由针孔PH4发出的球面光束经消色差透镜L4后准直为平行光束;
[0087] 将绿光激光器Laser2发出的绿色激光束经过分光棱镜BS2后的透射光束,在经过可调衰减器Filter3调节后,由分光棱镜BS4反射后经过分光棱镜BS5,然后由消色差显微物镜MO4和针孔PH4扩束后变为球面点光源,消色差透镜L4的焦点位于针孔PH4上,由针孔PH4发出的球面光束经消色差透镜L4后准直为平行光束;
[0088] 将蓝光激光器Laser3发出蓝色激光束经过分光棱镜BS3后的透射光束,在经过可调衰减器Filter5调节后,由分光棱镜BS5反射,然后由消色差显微物镜MO4和针孔PH4扩束后变为球面点光源,消色差透镜L4的焦点位于针孔PH4上,由针孔PH4发出的球面光束经消色差透镜L4后准直为平行光束。
[0089] (3)将待测物体的反射光经过反射后到达CCD相机靶面,作为记录数字全息图时的物光束;
[0090] (4)将红光激光器发出的红光、绿光激光器发出的绿光和蓝光激光器发出的蓝光分别处理为记录待测物体红色、绿色和蓝色强度信息的数字全息图的参考光束;将红光激光器发出的红光、绿光激光器发出的绿光和蓝光激光器发出的蓝光分别处理为记录待测物体红色、绿色和蓝色强度信息的数字全息图的参考光束,具体如下:
[0091] 将红光激光器Laser1发出的红色激光束经过分光棱镜BS1后的反射光束,在经过可调衰减器Filter2后,经过由反射镜M2、直角三棱镜Prism1和反射镜M3组成的光程延迟系统,然后由消色差显微物镜MO1和针孔PH1扩束后变为球面点光源,消色差透镜L1的焦点位于针孔PH1上,由针孔PH1发出的球面光束经消色差透镜L1后准直为平行光束,该光束由反射镜M8反射后,依次经过分光棱镜BS6、分光棱镜BS7和分光棱镜BS8后到达CCD相机靶面,作为记录待测物体红色强度信息的数字全息图的参考光束;
[0092] 将绿光激光器Laser2发出的绿色激光束经过分光棱镜BS2后的反射光束,在经过可调衰减器Filter4后,经过由反射镜M4、直角三棱镜Prism2和反射镜M5组成的光程延迟系统,然后由消色差显微物镜MO2和针孔PH2扩束后变为球面点光源,消色差透镜L2的焦点位于针孔PH2上,由针孔PH2发出的球面光束经消色差透镜L2后准直为平行光束,该光束由分光棱镜BS6反射后,依次经过分光棱镜BS7和分光棱镜BS8后到达CCD相机靶面,作为记录待测物体绿色强度信息的数字全息图的参考光束;
[0093] 将蓝光激光器Laser3发出蓝色激光束经过分光棱镜BS3后的反射光束,在经过可调衰减器Filter6后,经过由反射镜M6、直角三棱镜Prism3和反射镜M7组成的光程延迟系统,然后由消色差显微物镜MO3和针孔PH3扩束后变为球面点光源,消色差透镜L3的焦点位于针孔PH3上,由针孔PH3发出的球面光束经消色差透镜L3后准直为平行光束,该光束由分光棱镜BS7反射后,经过分光棱镜BS8后到达CCD相机靶面,作为记录待测物体蓝色强度信息的数字全息图的参考光束。
[0094] (5)将红色、绿色和蓝色强度信息的数字全息图的参考光束调节为不同角度参考光束,其中参考光束的强度与物光束强度相等,并照射到CCD相机靶面,作为记录数字全息图时的参考光束;
[0095] (6)调节步骤(3)中得到的物光束和步骤(5)中得到的参考光束,使得到达CCD相机靶面的物光束与参考光束的光程相等,以形成具有不同空间频率干涉条纹的数字全息图,并记录数字全息图相应颜色的强度信息;调节步骤(3)中得到的物光束和步骤(5)中得到的参考光束,使得到达CCD相机靶面的物光束与参考光束的光程相等,具体如下:
[0096] 调节反射镜M2、直角三棱镜Prism1和反射镜M3组成的光程延迟系统,使得记录待测物体红色强度信息的数字全息图的红色物光束与参考光束的光程相等;
[0097] 调节反射镜M4、直角三棱镜Prism2和反射镜M5组成的光程延迟系统,使得记录待测物体绿色强度信息的数字全息图的绿色物光束与参考光束的光程相等;
[0098] 调节反射镜M6、直角三棱镜Prism3和反射镜M7组成的光程延迟系统,使得记录待测物体蓝色强度信息的数字全息图的蓝色物光束与参考光束的光程相等。
[0099] (7)对记录的数字全息图相应颜色的强度信息进行傅里叶变换运算,得到与待测物体红、绿、蓝色强度信息所对应的各个空间频谱;由于与红、绿、蓝各色强度信息对应的数字全息图是以不同空间频率的干涉条纹所记录的,因此频谱平面上各个空间频谱彼此分离,可以对其进行分别提取。
[0100] (8)将得到与待测物体红、绿、蓝色强度信息所对应的各个空间频谱分别移至频谱平面的中心,采用角谱算法分别重建得到对红、绿、蓝各单色数字全息像;将空间频谱分别移至频谱平面的中心,采用角谱算法分别重建得到对红、绿、蓝各单色数字全息像的公式如下:
[0101]
[0102]
[0103]
[0104] 其中,uR(x',y'),uG(x',y')和uB(x',y')红、绿、蓝各单色数字全息像,F‐1{}代表逆傅里叶变换运算,UR(fx,fy)、UG(fx,fy)和UB(fx,fy)为与待测物体红、绿、蓝色强度信息所对应的各个空间频谱,λR、λG、λB分别为数字全息图的红、绿、蓝色记录波长,fx和fy分别为x和y方向的空间频率,d为数字全息图的重建距离。
[0105] (9)将红、绿、蓝各单色数字全息像通过合成方法(可采用现有的方法)进行合成,得到相应的彩色数字全息像。
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