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      一種基于非相干數(shù)字全息技術(shù)的三維光譜成像裝置及方法

      文檔序號(hào):8456840閱讀:392來(lái)源:國(guó)知局
      一種基于非相干數(shù)字全息技術(shù)的三維光譜成像裝置及方法
      【技術(shù)領(lǐng)域】
      [0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)衍射成像和非相干數(shù)字全息技術(shù)領(lǐng)域,具體公開(kāi)了一種基于非相 干數(shù)字全息技術(shù)的三維光譜成像裝置及方法。
      【背景技術(shù)】
      [0002] 全息成像是帶有真實(shí)維度的成像技術(shù),是真正意義上的3D成像技術(shù)。傳統(tǒng)全息 術(shù)受制于對(duì)光源相干性及防震等條件的嚴(yán)苛要求而無(wú)法得到更廣泛的應(yīng)用。隨著高分辨 率CCD (或CMOS)的出現(xiàn),結(jié)合不同的分光方式,各種非相干數(shù)字全息技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。最為 典型的是2007年J. Rosen提出的菲涅耳非相干相關(guān)數(shù)字全息術(shù)(Fresnel Incoherent Correlation Digital Holography,F(xiàn)INCH),它采用純相位空間光調(diào)制器(SLM)將來(lái)自于3D 物體表面上每一點(diǎn)發(fā)出的光分成兩束自相干的光,這兩束光相互干涉并與其它物點(diǎn)的自干 涉圖形非相干疊加后被CCD記錄生成全息圖,在計(jì)算機(jī)中對(duì)全息圖處理后得到物體的3D再 現(xiàn)像。FINCH系統(tǒng)中為了獲得部分時(shí)間相干光束需引入一個(gè)窄帶濾光片,因此,嚴(yán)格意義上 來(lái)說(shuō)FINCH系統(tǒng)是準(zhǔn)單色系統(tǒng),只能得到物體的單色3D像,無(wú)法得到物體的光譜信息。而 傳統(tǒng)光譜成像技術(shù)是2D成像技術(shù)與光譜技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,能同時(shí)獲得物體的光譜信息和 2D像,對(duì)實(shí)現(xiàn)物體的3D成像無(wú)能為力。

      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0003] 本發(fā)明提出一種基于非相干數(shù)字全息技術(shù)的三維光譜成像裝置及方法,同時(shí)獲得 物體的三維空間信息和光譜信息,解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題。
      [0004] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明采用以下技術(shù)方案: 一種基于非相干數(shù)字全息技術(shù)的三維光譜成像裝置,其特征在于:包括白光光源、第一 立方分束器、3D待測(cè)物體、可調(diào)濾波器、偏振片、準(zhǔn)直透鏡、第二立方分束器、反射式空間光 調(diào)制器、高分辨率單色CCD、一維精密位移臺(tái)以及計(jì)算機(jī),其中,所述高分辨率單色CCD被 固定在所述一維精密位移臺(tái)上;所述計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線與所述可調(diào)濾波器、所述反射式空 間光調(diào)制器、所述高分辨率單色CCD以及所述一維精密位移臺(tái)連接,并且控制所述可調(diào)濾 波器、所述反射式空間光調(diào)制器、所述高分辨率單色CCD以及所述一維精密位移臺(tái); 其中,所述白光光源發(fā)出的光照在所述第一立方分束器上,經(jīng)所述第一立方分束器反 射后照射到所述3D待測(cè)物體上,經(jīng)所述3D待測(cè)物體的表面反射的光再次經(jīng)過(guò)所述第一立 方分束器后,進(jìn)入所述可調(diào)濾波器,經(jīng)所述可調(diào)濾波器后成為準(zhǔn)單色光,然后再通過(guò)偏振片 后變?yōu)閱紊€偏振光,該單色線偏振光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后變成準(zhǔn)直的單色偏振光,再依次 通過(guò)所述第二立方分束器和所述反射式空間光調(diào)制器,所述反射式空間光調(diào)制器將入射的 準(zhǔn)直的單色偏振光進(jìn)行波面變換并分成兩束自相干的光,并且所述計(jì)算機(jī)控制所述高分辨 率單色CCD記錄由所述兩自相干的光生成的干涉條紋。
      [0005] 所述白光光源為連續(xù)譜白光光源,以及所述白光光源(1)固定在平臺(tái)上。
      [0006] 所述偏振片的偏振方向與所述反射式空間光調(diào)制器的偏振方向一致。
      [0007] 所述可調(diào)濾波器的波長(zhǎng)的調(diào)整范圍為:420nm~720nm,帶寬為20nm ;所述反射式空 間光調(diào)制器分辨率為1920\1080,光譜范圍為:42011111~70011111。
      [0008] 所述高分辨率單色C⑶有效像素為:1344X 1024,像素尺寸6.45 μ mX 6.45 μ m,波 長(zhǎng)響應(yīng)范圍:300nm~1000nm。
      [0009] 所述計(jì)算機(jī)控制所述可調(diào)濾波器改變成像波長(zhǎng),控制所述一維精密平移臺(tái)調(diào)節(jié)所 述反射式空間光調(diào)制器和所述高分辨率單色CCD之間的距離,記錄不同波長(zhǎng)處的干涉條 紋。
      [0010] 一種使用權(quán)利要求1所述的一種基于非相干數(shù)字全息技術(shù)的三維光譜成像裝置
      【主權(quán)項(xiàng)】
      1. 一種基于非相干數(shù)字全息技術(shù)的三維光譜成像裝置,其特征在于:包括白光光源 (1)、第一立方分束器(2)、3D待測(cè)物體(3)、可調(diào)濾波器(4)、偏振片(5)、準(zhǔn)直透鏡(6)、第 二立方分束器(7)、反射式空間光調(diào)制器(8)、高分辨率單色(XD(9)、一維精密位移臺(tái)(10) 以及計(jì)算機(jī)(11),其中,所述高分辨率單色CCD(9)被固定在所述一維精密位移臺(tái)(10)上; 所述計(jì)算機(jī)(11)通過(guò)數(shù)據(jù)線與所述可調(diào)濾波器(4)、所述反射式空間光調(diào)制器(8)、所述高 分辨率單色(XD(9)以及所述一維精密位移臺(tái)(10)連接,并且控制所述可調(diào)濾波器(4)、所 述反射式空間光調(diào)制器(8)、所述高分辨率單色(XD(9)以及所述一維精密位移臺(tái)(10); 其中,所述白光光源(1)發(fā)出的光照在所述第一立方分束器(2 )上,經(jīng)所述第一立方分 束器(2 )反射后照射到所述3D待測(cè)物體(3 )上,經(jīng)所述3D待測(cè)物體(3 )表面反射的光再次 經(jīng)過(guò)所述第一立方分束器(2)后,進(jìn)入所述可調(diào)濾波器(4),經(jīng)所述可調(diào)濾波器(4)后成為 準(zhǔn)單色光,然后再通過(guò)偏振片(5 )后變?yōu)閱紊€偏振光,該單色線偏振光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡(6 )準(zhǔn) 直后變成準(zhǔn)直的單色偏振光,再依次通過(guò)所述第二立方分束器(7)和所述反射式空間光調(diào) 制器(8),所述反射式空間光調(diào)制器(8)將入射的準(zhǔn)直的單色偏振光進(jìn)行波面變換并分成 兩束自相干的光,并且所述計(jì)算機(jī)控制所述高分辨率單色CCD(9)記錄由所述兩自相干的 光生成的干涉條紋。
      2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非相干數(shù)字全息技術(shù)的三維光譜成像裝置,其特征 在于:所述白光光源(1)為連續(xù)譜白光光源,以及所述白光光源(1)固定在平臺(tái)上。
      3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非相干數(shù)字全息技術(shù)的三維光譜成像裝置,其特征 在于:所述偏振片(5)的偏振方向與所述反射式空間光調(diào)制器(8)的偏振方向一致。
      4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非相干數(shù)字全息技術(shù)的三維光譜成像裝置,其特征 在于:所述可調(diào)濾波器(4)的波長(zhǎng)的調(diào)整范圍為:420nm~720nm,帶寬為20nm;所述反射式空 間光調(diào)制器(8)分辨率為1920X1080,光譜范圍為:420nm~700nm。
      5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非相干數(shù)字全息技術(shù)的三維光譜成像裝置,其特征 在于:所述高分辨率單色(XD(9)有效像素為:1344X1024,像素尺寸6. 45ymX6. 45ym, 波長(zhǎng)響應(yīng)范圍:300nm~1000nm。
      6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非相干數(shù)字全息技術(shù)的三維光譜成像裝置,其特征 在于:所述計(jì)算機(jī)(11)控制所述可調(diào)濾波器(4)改變成像波長(zhǎng),控制所述一維精密平移臺(tái) (10)調(diào)節(jié)所述反射式空間光調(diào)制器(8)和所述高分辨率單色(XD(9)之間的距離,記錄不 同波長(zhǎng)處的干涉條紋。
      7. -種使用權(quán)利要求1所述的基于非相干數(shù)字全息技術(shù)的三維光譜成像裝置的三維 光譜成像方法,其特征在于:包括以下步驟: 打開(kāi)計(jì)算機(jī)(11),利用計(jì)算機(jī)制作波長(zhǎng)處相位常數(shù)分別為〇,
      -的三個(gè)相位掩膜板;然后將相位掩模加載在反射式空間光調(diào)制器(8)上,相位掩 模采取雙透鏡模式,雙透鏡的焦距分別為和,加載方式為隨機(jī); 調(diào)節(jié)空間光調(diào)制器(8)和高分辨率單色(XD(9)之間的初始距離,
      打開(kāi)白光光源(1)、可調(diào)濾波器(4)、反射式空間光調(diào)制器(8)、高分辨率單色(XD(9); 通過(guò)計(jì)算機(jī)(11)控制可調(diào)濾波器(4)的初始輸出波長(zhǎng),反射式空間光調(diào)制器(8) 上分別加載步驟1中制作的三個(gè)相位掩膜板,高分辨率單色CCD(9)依次拍攝對(duì)應(yīng)三個(gè)相位 掩模板的三張全息圖,將三張全息圖進(jìn)行線性處理,消除孿生像和〇級(jí)像后,得到波長(zhǎng)入_ 處的復(fù)全息; 通過(guò)計(jì)算機(jī)(11)控制可調(diào)濾波器(4)輸出下一波長(zhǎng)調(diào)節(jié)高分辨率單色(XD(9)與 反射式空間光調(diào)制器(8)之間的距離f|,所述距離,
      ,重復(fù)步驟4后面的步 驟,得到成像波長(zhǎng)范圍內(nèi)每一波長(zhǎng)處的復(fù)全息; 根據(jù)公式
      其中再現(xiàn)距
      為準(zhǔn) 直透鏡焦距,為待測(cè)物體(3)與準(zhǔn)直透鏡(6)間的距離,^為準(zhǔn)直透鏡(6)與反射式空間 光調(diào)制器(8)之間的距離,在計(jì)算機(jī)(11)中編程獲得同一物平面(J3)的光譜像,改變2^獲 得3D待測(cè)物體其他平面處的光譜像。
      8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的三維光譜成像的方法,其特征在于:所述計(jì)算機(jī)(11)控制所 述可調(diào)濾波器(4)輸出的波長(zhǎng)的范圍為:420nm~720nm,帶寬為20nm;所述反射式空間光 調(diào)制器(8)分辨率為1920X1080,光譜范圍為:420nm~700nm。
      9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的三維光譜成像的方法,其特征在于:所述高分辨率單色CCD (9)有效像素為:1344X1024,像素尺寸6. 45ymX6. 45ym,波長(zhǎng)響應(yīng)范圍:300nm~1000nm。
      10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述三維光譜成像的方法,其特征在于:所述X_為成像光譜的最 大波長(zhǎng)。
      【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種基于非相干數(shù)字全息技術(shù)的三維光譜成像裝置及方法。本裝置包括白光光源、第一立方分束器、待測(cè)物體、可調(diào)濾波器、偏振片、準(zhǔn)直透鏡、第二立方分束器、空間光調(diào)制器、高分辨率單色CCD、一維精密位移臺(tái)和計(jì)算機(jī)。第一立方分束器將來(lái)自光源的光反射至3D待測(cè)物體,物體反射的光再經(jīng)第一立方分束器進(jìn)入可調(diào)濾波器、偏振片和準(zhǔn)直透鏡;經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后的單色光經(jīng)第二立方分束器后進(jìn)入空間光調(diào)制器,經(jīng)空間光調(diào)制器衍射分束后變成兩束自相干的光;再次經(jīng)第二立方分束器后由高分辨率單色CCD采集干涉圖像??烧{(diào)濾波器、空間光調(diào)制器、高分辨率單色CCD和一維精密位移臺(tái)通過(guò)軟硬件連接,實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制。該裝置及方法能實(shí)現(xiàn)物體的3D光譜成像。
      【IPC分類】G03H1-04
      【公開(kāi)號(hào)】CN104777737
      【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510199293
      【發(fā)明人】馬鳳英, 郭茂田, 王俊俏, 弓巧俠, 杜艷麗, 梁二軍
      【申請(qǐng)人】鄭州大學(xué)
      【公開(kāi)日】2015年7月15日
      【申請(qǐng)日】2015年4月24日
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