專利名稱：內(nèi)容基融合離軸照明直接數(shù)字全息術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及直接數(shù)字全息術(shù)領(lǐng)域(干涉度量學(xué))。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及直接數(shù)字全息術(shù)中的內(nèi)容基離軸照明。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)直接數(shù)字全息術(shù)(DDH)，有時(shí)稱之為直接數(shù)字干涉度量學(xué)，在本領(lǐng)域技術(shù)人員中是眾所周知的。例如，圖1是一個(gè)簡(jiǎn)化實(shí)施例的DDH系統(tǒng)。來(lái)自激光源105的光被擴(kuò)束器/空間濾波器110擴(kuò)束后傳輸通過(guò)透鏡115。隨后，擴(kuò)展的濾波光束傳播到分束器120。分束器120可以是部分反射的。從分束器120反射的部分光構(gòu)成傳輸?shù)轿矬w130的物光束125。被物體130反射的部分物光束125傳輸通過(guò)分束器120并傳播到聚焦透鏡145。然后，這個(gè)光束傳輸通過(guò)聚焦透鏡145并傳播到電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)(未畫出)。
來(lái)自透鏡115并傳輸通過(guò)分束器120的部分光構(gòu)成參考光束135。參考光束135以很小角度從反射鏡140反射。然后，從反射鏡反射的參考光束135傳輸?shù)椒质?20。從分束器120反射的部分參考光束135傳輸通過(guò)聚焦透鏡145并傳播到CCD攝像機(jī)(未畫出)。來(lái)自聚焦透鏡145的物光束125和來(lái)自聚焦透鏡145的參考光束135構(gòu)成多個(gè)物波和參考波150并在CCD上發(fā)生干涉，從而產(chǎn)生全息圖的干涉圖形特征，如在U.S.Patent No.6,078,392中所描述的。
在圖1中，物光束125平行于光軸127并與光軸127重合。這種類型DDH設(shè)置可以稱之為同軸照明。
這種技術(shù)的限制是，DDH系統(tǒng)的成像分辨率是受系統(tǒng)光學(xué)元件的限制。光學(xué)元件中最顯著的限制是孔徑光闌，要求它防止因象差造成的圖像質(zhì)量退化。在二維傅里葉平面內(nèi)，僅僅可以傳輸半徑為q0圓內(nèi)的物體空間頻率。在同軸照明的情況下，半徑為q0的孔徑是以零空頻(q＝0)為中心。因此，我們需要這樣一種方法，它允許傳輸半徑為q0圓之外的空間頻率。

發(fā)明內(nèi)容
我們需要以下的本發(fā)明的一些特征。當(dāng)然，本發(fā)明不限于這些特征。
按照本發(fā)明的一個(gè)特征，一種方法包括計(jì)算相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的照明角作為代表傅里葉分析空間外差式全息圖數(shù)據(jù)的函數(shù)；記錄包含傅里葉分析空間外差式條紋的內(nèi)容基空間外差式全息圖；在傅里葉空間中通過(guò)變換包含空間外差式條紋的記錄內(nèi)容基空間外差式全息圖的軸到參考光束與物光束之間角度確定的外差式載波頻率上，傅里葉分析包含空間外差式條紋的記錄內(nèi)容基空間外差式全息圖；應(yīng)用數(shù)字濾波器以去除原點(diǎn)周圍的信號(hào)；和完成傅里葉逆變換。
按照本發(fā)明的另一個(gè)特征，一種機(jī)器包括包含聚焦透鏡的干涉儀，它記錄包含傅里葉分析空間外差式條紋的內(nèi)容基空間外差式全息圖；與干涉儀耦合的數(shù)字記錄儀；和計(jì)算相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的照明角作為代表傅里葉分析空間外差式全息圖數(shù)據(jù)函數(shù)的計(jì)算機(jī)。
在結(jié)合以下的描述和附圖的研究之后，可以更好地理解本發(fā)明的這些和其他特征。然而，應(yīng)當(dāng)明白，以下的描述說(shuō)明本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例和多個(gè)具體細(xì)節(jié)是通過(guò)舉例說(shuō)明而不是限制性的。在不偏離本發(fā)明精神的范圍內(nèi)，可以作許多替換，改動(dòng)，添加和/或調(diào)整，而本發(fā)明包括所有這些替換，改動(dòng)，添加和/或調(diào)整。


這個(gè)說(shuō)明書中的附圖和組成部分用于描述本發(fā)明的某些特征。參照附圖中說(shuō)明的典型和非限制性實(shí)施例，可以更好地明白本發(fā)明的概念以及本發(fā)明系統(tǒng)中的各個(gè)元件和操作，其中相同的參考數(shù)字表示相同的元件。參照這些附圖中的一個(gè)或多個(gè)附圖并結(jié)合此處給出的描述，可以更好地理解本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)注意，附圖中說(shuō)明的特征不一定是按比例畫出的。
圖1是標(biāo)記為“現(xiàn)有技術(shù)”的常規(guī)直接數(shù)字全息術(shù)設(shè)備的示意圖。
圖2是按照本發(fā)明實(shí)施例在同軸位置上離軸照明直接數(shù)字全息設(shè)備(干涉儀)的示意圖。
圖3是在離軸位置上圖2所示離軸照明直接數(shù)字全息設(shè)備(干涉儀)的示意圖。
圖4是按照本發(fā)明實(shí)施例利用計(jì)算機(jī)程序可以實(shí)施的過(guò)程流程圖。
具體實(shí)施例方式
參照附圖中說(shuō)明的非限制性實(shí)施例和以下的詳細(xì)描述，可以更充分地解釋本發(fā)明及其各種特征和優(yōu)點(diǎn)。我們省略對(duì)已知原始材料，處理技術(shù)，元件和設(shè)備的描述，為的是不掩蓋本發(fā)明的細(xì)節(jié)。然而，應(yīng)當(dāng)明白，說(shuō)明本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述和具體例子僅僅是用于說(shuō)明而不是限制性的，在不偏離本發(fā)明精神和/或范圍內(nèi)，本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員顯然可以根據(jù)這個(gè)公開(kāi)內(nèi)容作出各種替換，改動(dòng)，添加和/或重新安排。
在這個(gè)申請(qǐng)中，可以參照括號(hào)內(nèi)阿拉伯?dāng)?shù)字指出的幾個(gè)出版物。在說(shuō)明書結(jié)尾和在參考文獻(xiàn)標(biāo)題之后的權(quán)利要求書之前，可以找到引用的這些和其他出版物。完整地公開(kāi)這些出版物可以作為參考，為的是指出本發(fā)明的背景和現(xiàn)有技術(shù)的狀態(tài)。
一般地說(shuō)，本發(fā)明的范圍可以包括得到，存儲(chǔ)和/或重顯數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。本發(fā)明的范圍可以包括處理表示圖像的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。本發(fā)明的范圍還可以包括把多個(gè)圖像的數(shù)據(jù)變換成合并的圖像。
本發(fā)明可以包括一種利用離軸照明從直接數(shù)字全息術(shù)系統(tǒng)中獲得提高分辨率全息成像的方法。本發(fā)明還可以包括一種利用離軸照明的直接數(shù)字全息術(shù)(DDH)系統(tǒng)獲得提高分辨率全息成像的設(shè)備。
一般地說(shuō)，被觀察(成像)的物體經(jīng)一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件光耦合到照明光源。如參照?qǐng)D1所討論的，照明光束通常沿著和平行于光軸傳輸通過(guò)目標(biāo)物鏡(即，透鏡系統(tǒng))的中心。這種類型DDH配置可以稱之為“同軸照明”，允許獲得的物體最高空間頻率(q)高達(dá)物鏡孔徑確定的某個(gè)限制(q0)。
本發(fā)明可以包括“離軸照明”方案，其中照明光源發(fā)生橫向位移，使光束偏心傳輸通過(guò)物鏡，但仍然平行于光軸。由于物鏡的聚焦效應(yīng)，照明光束以相對(duì)于光軸的某個(gè)角度入射到物體上。由于這種離軸照明，與同軸照明比較，物體的較高空間頻率(q＞q0)可以傳輸通過(guò)物鏡孔徑，因此它能被觀察到。這是本發(fā)明的重大優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明可以包括擴(kuò)展的DDH系統(tǒng)(設(shè)備)，它適合于數(shù)字捕獲相同物體的同軸照明全息圖和一個(gè)或多個(gè)離軸照明全息圖。本發(fā)明還可以包括分析和/或處理(融合)數(shù)字捕獲的數(shù)據(jù)。與沒(méi)有離軸照明數(shù)據(jù)的情況比較，在任何原始全息圖中，形成的融合圖像包含較寬范圍的空間頻率，從而顯著提高系統(tǒng)的標(biāo)稱成像分辨率。
如上所述，基本DDH系統(tǒng)的成像分辨率是受光學(xué)元件的限制，最顯著的是孔徑光闌，要求它防止因象差造成的圖像質(zhì)量退化。要求孔徑光闌防止較高頻率的混淆和成像質(zhì)量的退化。這意味著，DDH系統(tǒng)的光學(xué)元件是這樣的，僅能發(fā)射半徑為q0圓范圍內(nèi)的物體空間頻率。在同軸照明的情況下，半徑為q0的孔徑是以零空頻(q＝0)為中心。在離軸照明的情況下，半徑為q0的孔徑在頻率域中發(fā)生位移(例如，向左位移)。這意味著，在沿孔徑位移的方向上，可以發(fā)射q＞q0的空間頻率。在下側(cè)，相反方向上q接近于q0的一些空頻已“丟失”。通過(guò)獲得沿相反方向位移照明的第二個(gè)圖像，孔徑發(fā)生位移(例如，向右位移)，因此重新得到第一個(gè)圖像中“丟失”的空間頻率，它具有大于q0的附加頻率。融合這兩個(gè)圖像的信息導(dǎo)致有較高分辨率的一個(gè)圖像。由于DDH記錄復(fù)圖像波的相位信息，可以融合兩個(gè)(或多個(gè))圖像的信息，它具有顯著優(yōu)越的結(jié)果。本發(fā)明可以提高與取向無(wú)關(guān)的一般物體結(jié)構(gòu)分辨率。
本發(fā)明可以包括擴(kuò)展的基本DDH系統(tǒng)，它能夠自動(dòng)捕獲同軸照明和離軸照明的全息圖。本發(fā)明還可以包括分析和融合這些全息圖結(jié)果的方法，用于產(chǎn)生比現(xiàn)有DDH技術(shù)更高空間分辨率的可觀察物體表示。
從圖1中可以看出，物光束125平行于光軸127。如上所述，這種設(shè)置可以稱之為同軸照明。另一方面，離軸照明是指這樣一種情況，其中物光束125以相對(duì)于光軸127的某個(gè)角度入射到物體130上(例如，圖3中的物光束215，305)。有許多方法可以實(shí)現(xiàn)離軸照明；此處給出的方法僅僅是代表性的，而不是限制性的例子。
參照?qǐng)D2和3，它們說(shuō)明離軸照明DDH設(shè)備的實(shí)施例。在圖2和3中，對(duì)圖1作了兩個(gè)主要的改動(dòng)。第一個(gè)改動(dòng)是，激光源105，擴(kuò)束器/空間濾波器110，和透鏡115組合成計(jì)算機(jī)控制的可移動(dòng)閉合體205。閉合體205可以沿基本平行于光軸127的軸移動(dòng)。更詳細(xì)地說(shuō)，閉合體205可以沿與分束器120法線基本共面的軸移動(dòng)。
仍然參照?qǐng)D2和3，第二個(gè)改動(dòng)是，添加物鏡210。在圖2中，激光源閉合體205放在這樣的位置上，物光束125從分束器120反射后傳輸通過(guò)物鏡210的中心。然后，物光束125離開(kāi)物鏡210，并入射到以光軸127為中心的物體130上。在這種配置中，實(shí)現(xiàn)同軸照明和圖2的系統(tǒng)與圖1中的系統(tǒng)基本相同。
然而，在圖3中，激光源閉合體205發(fā)生位移(在這個(gè)具體配置中是向上位移)，因此，物光束125偏心傳輸通過(guò)物鏡210。當(dāng)然，激光源閉合體205也可以向下位移。由于物鏡210的聚焦性質(zhì)，離開(kāi)物鏡210的物光束215以相對(duì)于光軸127的某個(gè)角度入射到物體130上，從而實(shí)現(xiàn)離軸照明。因此，物光束215可以基本非平行于光軸127入射到物體130上。從物體反射的物光束305離軸傳輸返回通過(guò)物鏡210，但由于物鏡210和聚焦透鏡150的光學(xué)性質(zhì)，物光束仍然聚焦到CCD上(未畫出)。在離軸照明的情況下，衍射性質(zhì)(1)的作用是，物光束305與參考光束135之間干涉在CCD上形成的全息圖包含一些利用同軸照明不能觀察到的物體空間頻率。
因此，本發(fā)明可以包括一種可以數(shù)字記錄包含傅里葉分析空間外差式條紋的空間外差式全息圖的設(shè)備，包括激光器；與激光器光耦合的分束器；與分束器光耦合的參考光束反射鏡；與分束器光耦合的物體；與參考光束反射鏡和物體光耦合的聚焦透鏡；與聚焦透鏡光耦合的數(shù)字記錄儀；和完成傅里葉變換，應(yīng)用數(shù)字濾波器，和完成傅里葉逆變換的計(jì)算機(jī)，其中參考光束以非垂直角入射到參考光束反射鏡，物光束以相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的角度入射到物體上，構(gòu)成多個(gè)同時(shí)參考波和物波的參考光束和物光束被聚焦透鏡聚焦到數(shù)字記錄儀的焦平面上以形成包含傅里葉分析空間外差式條紋的空間外差式全息圖，全息圖是由數(shù)字記錄儀記錄，和在傅里葉空間中計(jì)算機(jī)變換包含空間外差式條紋的記錄空間外差式全息圖的軸到參考光束與物光束之間角度確定的外差式載波頻率上，和在完成傅里葉逆變換之前去除原點(diǎn)周圍的信號(hào)。該設(shè)備可以包括分束器與物體之間光耦合的物鏡。該設(shè)備可以包括物體與聚焦透鏡之間耦合的孔徑光闌。分束器，參考光束反射鏡和數(shù)字記錄儀可以確定Michelson幾何結(jié)構(gòu)。分束器，參考光束反射鏡和數(shù)字記錄儀可以確定Mach-Zehner幾何結(jié)構(gòu)。該設(shè)備還可以包括與計(jì)算機(jī)耦合的數(shù)字存儲(chǔ)媒體，該計(jì)算機(jī)完成傅里葉變換，應(yīng)用數(shù)字濾波器，和完成傅里葉逆變換。數(shù)字記錄儀可以包括確定像素的CCD攝像機(jī)350。該設(shè)備可以包括激光器與分束器之間光耦合的擴(kuò)束器/空間濾波器230?？梢赃x取參考光束與物光束之間的角度，和聚焦透鏡提供的放大倍數(shù)，為了使數(shù)字記錄儀可以分辨包含傅里葉分析空間外差式條紋的空間外差式全息圖的特征。因此，數(shù)字記錄儀可以分辨特征，可以提供兩種條紋，每種條紋有每條紋兩個(gè)像素。本發(fā)明可以包括利用上述設(shè)備制作的空間外差式全息圖，它包含在計(jì)算機(jī)可讀媒體上。
所以，本發(fā)明可以包括一種記錄包含傅里葉分析空間外差式條紋的空間外差式全息圖的方法，包括把激光束分割成參考光束和物光束；從參考反射鏡以非垂直角反射參考光束；從物體以相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的角度反射物光束；利用聚焦透鏡聚焦構(gòu)成多個(gè)同時(shí)參考波和物波的參考光束和物光束到數(shù)字記錄儀的焦平面上以形成包含傅里葉分析空間外差式條紋的空間外差式全息圖；數(shù)字記錄包含傅里葉分析空間外差式條紋的空間外差式全息圖；在傅里葉空間中通過(guò)變換包含空間外差式條紋的記錄空間外差式全息圖的軸到參考光束與物光束之間角度確定的外差式載波頻率上，傅里葉分析包含空間外差式條紋的記錄空間外差式全息圖；應(yīng)用數(shù)字濾波器以去除原點(diǎn)周圍的信號(hào)；和完成傅里葉逆變換。該方法可以包括在從物體以相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的角度反射物光束之前和在從物體以相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的角度反射物光束之后，利用物鏡衍射物光束。變換記錄空間外差式全息圖軸的步驟可以包括利用擴(kuò)展傅里葉變換的變換。數(shù)字記錄的步驟可以包括利用確定像素的CCD攝像機(jī)檢測(cè)光束。離軸照明空間外差式全息圖可以是離軸照明空間低頻外差式全息圖；詞語(yǔ)低頻意味著，基本的條紋空間頻率是在Nyquist取樣限制以下。該方法還可以包括存儲(chǔ)包含傅里葉分析空間外差式條紋的空間外差式全息圖作為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。該方法還可以包括重顯傅里葉分析空間外差式全息圖。該方法還可以包括發(fā)射傅里葉分析空間外差式全息圖。本發(fā)明可以包括利用上述方法制備的空間外差式全息圖，它包含在計(jì)算機(jī)可讀媒體上。
內(nèi)容基融合為了采用離軸照明，必須設(shè)置諸如離軸照明角和方向的某些成像參數(shù)。然而，沒(méi)有一組成像參數(shù)對(duì)于每個(gè)物體是最佳的，或?qū)τ谙嗤矬w的每個(gè)部分是最佳的。照明到物體中的谷地或溝槽可以使有價(jià)值的高度信息退化或完全丟失。所以，我們需要這樣一種方法，選取和/或優(yōu)化有關(guān)物體的離軸照明參數(shù)。
本發(fā)明可以包括一種改進(jìn)采用離軸照明的DDH系統(tǒng)全息成像方法。這種方法可以利用軟件實(shí)施。這種方法可以包括選取離軸照明參數(shù)作為被觀察物體內(nèi)容的函數(shù)。按照取決于給定物體內(nèi)容的方式，這種方法可以提高利用離軸照明的直接數(shù)字全息術(shù)(DDH)成像系統(tǒng)的空間和高度分辨率。通過(guò)數(shù)字處理不同照明角下捕獲的給定物體多個(gè)確定性選取的全息圖，可以實(shí)現(xiàn)分辨率的提高。所以，本發(fā)明可以解決根據(jù)被觀察物體內(nèi)容確定離軸照明參數(shù)的需要。
離軸照明參數(shù)的選擇可以是迭代方式。附加的離軸照明圖像可以融合成復(fù)合圖像。可以匯編附加的(離軸)照明圖像，并把它們?nèi)诤铣梢粋€(gè)復(fù)合圖像組或多個(gè)復(fù)合圖像組。
離軸照明參數(shù)的選擇可以是遺傳方式?？梢詤R編和比較多個(gè)復(fù)合圖像。在兩個(gè)或多個(gè)復(fù)合圖像之間，可以利用得到最佳分辨率融合圖像的一個(gè)或多個(gè)照明參數(shù)作為導(dǎo)向點(diǎn)(例如，終點(diǎn))，在隨后的迭代中進(jìn)一步優(yōu)化這些參數(shù)。或者，在兩個(gè)或多個(gè)復(fù)合圖像之間，在隨后的迭代期間可以避免得到最差分辨率融合圖像的一個(gè)或多個(gè)照明參數(shù)。
這種方法可以包括以下的過(guò)程。具有計(jì)算機(jī)控制物體照明的全息成像系統(tǒng)形成被觀察物體的全息圖。全息圖的數(shù)字表示轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)，以及重構(gòu)和存儲(chǔ)物波(即，圖像)的數(shù)字表示。用戶或自動(dòng)處理操作可以識(shí)別有關(guān)的特征。指出兩個(gè)或多個(gè)相鄰像素上幅度和/或相位變化的數(shù)據(jù)可以提供有關(guān)特征的導(dǎo)向。兩個(gè)或多個(gè)相鄰像素上幅度和/或相位的快速變化可以準(zhǔn)確反映有關(guān)的特征。
通過(guò)融合當(dāng)前的圖像與以前的一個(gè)或多個(gè)圖像，可以計(jì)算分辨率提高的復(fù)合圖像。分析復(fù)合圖像及有關(guān)的特征；這個(gè)分析結(jié)果可以終止過(guò)程或提供新的成像控制參數(shù)。指出捕獲新圖像的另一個(gè)照明角的這些控制參數(shù)可以傳輸?shù)饺⒊上裣到y(tǒng)?？梢灾貜?fù)這個(gè)過(guò)程。按照這種方式，通過(guò)適合于被觀察物體特征的離軸照明，本發(fā)明可以改進(jìn)全息成像能力。
參照?qǐng)D4，它表示本發(fā)明的整體視圖。本發(fā)明的物理元件可以包括物體1，離軸照明直接數(shù)字全息術(shù)(DDH)系統(tǒng)3，和用于顯示，存儲(chǔ)和/或進(jìn)一步分析的計(jì)算機(jī)15。本發(fā)明的其余部分可以包含軟件。物體1是由離軸照明DDH系統(tǒng)3成像。離軸照明DDH系統(tǒng)3可以是圖2和3中所示的系統(tǒng)。
再參照?qǐng)D4，DDH系統(tǒng)3的輸出是數(shù)字全息圖2，它傳輸?shù)綇?fù)圖像重構(gòu)級(jí)5，在其中計(jì)算被觀察物體1的復(fù)數(shù)字圖像4。在一個(gè)實(shí)施例中，復(fù)圖像重構(gòu)級(jí)5可以采用現(xiàn)在專業(yè)人員熟知的傅里葉域圖像重構(gòu)。需要指出的是，復(fù)數(shù)字圖像4的幅度指出物體1的反射率，而復(fù)數(shù)字圖像4的相位指出物體1的高度。
仍然參照?qǐng)D4，復(fù)數(shù)字圖像4然后傳輸?shù)綀D像存儲(chǔ)級(jí)7和特征選取級(jí)9。圖像存儲(chǔ)級(jí)7把捕獲的物體1所有圖像收集成一個(gè)或多個(gè)圖像組14。為了形成復(fù)合圖像，圖像存儲(chǔ)級(jí)7傳輸一個(gè)或多個(gè)圖像組14和相關(guān)的參數(shù)12到融合算法13。融合算法13利用一個(gè)或多個(gè)傳輸?shù)膱D像組14以及用于捕獲圖像組中圖像的全部或一些相關(guān)成像控制參數(shù)以計(jì)算較高分辨率的復(fù)合融合圖像16。在一個(gè)實(shí)施例中，利用參照?qǐng)D2和3描述的傅里葉域方法，融合算法13可以構(gòu)造復(fù)合的融合圖像16。
再參照?qǐng)D4，融合圖像16可以傳輸?shù)匠上駞?shù)選取級(jí)11以及顯示，存儲(chǔ)，和/或進(jìn)一步分析級(jí)15。特征選取級(jí)9把復(fù)數(shù)字圖像4和用戶輸入或自動(dòng)特征識(shí)別6作為輸入。特征選取級(jí)9的目的是識(shí)別被觀察物體1中的一個(gè)或多個(gè)特征。通過(guò)圖形用戶接口或自動(dòng)圖像處理操作，用戶可以識(shí)別這些特征。然后，特征選取級(jí)9傳輸特征參數(shù)8到成像參數(shù)選取級(jí)11。成像參數(shù)選取級(jí)11把特征參數(shù)8和當(dāng)?shù)那叭诤蠄D像16作為輸入。通過(guò)分析當(dāng)前的融合圖像16與特征參數(shù)8進(jìn)行比較，成像參數(shù)選取級(jí)11可以確定是否應(yīng)當(dāng)停止處理操作，在融合圖像16是足夠好的情況下停止處理操作，或確定是否輸出一組新的成像控制參數(shù)12。新的成像控制參數(shù)12可以指令DDH系統(tǒng)2利用成像控制參數(shù)12規(guī)定的離軸照明角捕獲新的全息圖。一旦捕獲了新的全息圖2，在成像參數(shù)選取級(jí)11確定應(yīng)當(dāng)停止處理操作之前，重復(fù)以上的過(guò)程。
公開(kāi)的實(shí)施例說(shuō)明計(jì)算機(jī)控制的可移動(dòng)閉合體作為完成對(duì)準(zhǔn)光源，擴(kuò)束器/空間濾波器和透鏡功能的結(jié)構(gòu)，它使物光束同心或偏心傳輸通過(guò)物鏡，但用于完成對(duì)準(zhǔn)光源，擴(kuò)束器/空間濾波器和透鏡功能的結(jié)構(gòu)可以是能夠完成對(duì)準(zhǔn)物光束功能的任何其他結(jié)構(gòu)，它使物光束同心或偏心傳輸通過(guò)物鏡，例如，相對(duì)于光源，擴(kuò)束器/空間濾波器和透鏡，可以移動(dòng)分束器，反射鏡，物鏡，物體，聚焦透鏡和CCD攝像機(jī)的可移動(dòng)平臺(tái)，或一系列可移動(dòng)光學(xué)元件(例如，反射鏡)，或柔性光纖和/或光纜。
此處所用的詞語(yǔ)“一個(gè)”定義為一個(gè)或多于一個(gè)。此處所用的詞語(yǔ)“多個(gè)”定義為兩個(gè)或多于兩個(gè)。此處所用的詞語(yǔ)“另一個(gè)”定義為至少第二個(gè)或多于第二個(gè)。此處所用的詞語(yǔ)“包含和/或有”定義為包括(即，開(kāi)放語(yǔ)言)。此處所用的詞語(yǔ)“耦合”定義為連接，雖然不必是直接連接，也不必是機(jī)械連接。此處所用的詞語(yǔ)“近似”定義為至少接近于給定值(例如，較好是在10％內(nèi)，更好的是在1％內(nèi)，最好是在0.1％內(nèi))。此處所用的詞語(yǔ)“基本上”定義為大部分，但不必是它的全部。此處所用的詞語(yǔ)“一般”定義為至少接近于給定的狀態(tài)。此處所用的詞語(yǔ)“部署”定義為設(shè)計(jì)，建造，運(yùn)輸，安裝和/或操作。此處所用的詞語(yǔ)“裝置”定義為獲得某個(gè)結(jié)果所用的硬件，固件和/或軟件。此處所用的詞語(yǔ)“程序”或“計(jì)算機(jī)程序”定義為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上執(zhí)行設(shè)計(jì)的一系列指令?！俺绦颉被颉坝?jì)算機(jī)程序”可以包括計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上執(zhí)行設(shè)計(jì)的子程序，函數(shù)，過(guò)程，目標(biāo)方法，目標(biāo)實(shí)施方案，可執(zhí)行應(yīng)用程序，小應(yīng)用程序，小服務(wù)程序，源代碼，目標(biāo)代碼，共享程序庫(kù)/動(dòng)態(tài)負(fù)載庫(kù)和/或其他的指令系列。此處所用的詞語(yǔ)“低頻”定義為Nyquist取樣限制以下的基本條紋空間頻率。
本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用在技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的價(jià)值是計(jì)量學(xué)。本發(fā)明可以與微電子(機(jī)械)制造相結(jié)合，例如，半導(dǎo)體檢驗(yàn)。本發(fā)明還可以與納米技術(shù)的研究，開(kāi)發(fā)和制造相結(jié)合，例如，納米可視化，納米測(cè)量等。本發(fā)明還可以用于數(shù)字處理和/或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集的干涉儀環(huán)境下，例如，基于電子全息術(shù)的直接數(shù)字全息術(shù)工具。實(shí)際上，本發(fā)明有無(wú)數(shù)的應(yīng)用，此處不必一一列舉。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)至少有下列的幾個(gè)理由，代表本發(fā)明實(shí)施例的方法，設(shè)備和/或計(jì)算機(jī)程序是費(fèi)用低廉和有利的。借助于自動(dòng)方式或通過(guò)圖形用戶接口的用戶輸入，本發(fā)明可以識(shí)別被觀察物體中的有關(guān)特征?；诒蛔R(shí)別的特征，本發(fā)明可以控制全息成像系統(tǒng)以提高內(nèi)容基分辨率。本發(fā)明可以提供反饋路徑，其中分析當(dāng)前的融合圖像以確定是否應(yīng)當(dāng)停止處理操作或計(jì)算最佳成像參數(shù)以捕獲新的全息圖。本發(fā)明可以提供計(jì)算機(jī)控制的物體照明。本發(fā)明可以融合多個(gè)全息圖的結(jié)果。本發(fā)明可以大大提高成像分辨率。與以前的方法比較，本發(fā)明可以提高質(zhì)量和/或降低成本。
在沒(méi)有不適當(dāng)試驗(yàn)的情況下，按照公開(kāi)的內(nèi)容，可以制成和利用此處公開(kāi)的所有本發(fā)明實(shí)施例。本發(fā)明不限于此處敘述的理論說(shuō)明。雖然我們公開(kāi)了本發(fā)明者設(shè)想實(shí)施本發(fā)明的最佳模式，但本發(fā)明的實(shí)踐不受此限制。所以，專業(yè)人員可以理解，本發(fā)明可以在此處具體描述的條件之外實(shí)現(xiàn)。
此外，各個(gè)元件不必組合在所公開(kāi)的配置中，而可以組合成幾乎各種配置。此外，對(duì)此處描述方法中的步驟或系列步驟可以作改動(dòng)。此外，雖然此處描述的設(shè)備可以是單獨(dú)的模塊，顯而易見(jiàn)，這些設(shè)備可以集成到與它相關(guān)的系統(tǒng)中。此外，每個(gè)公開(kāi)實(shí)施例中所有公開(kāi)的單元和特征可以與每個(gè)其他公開(kāi)實(shí)施例中公開(kāi)的單元和特征進(jìn)行組合，除了這些單元或特征是互相排斥的。
顯而易見(jiàn)，在不偏離本發(fā)明概念的精神和/或范圍的條件下，各種替換，改動(dòng)，添加和/或重新安排是可能的。我們認(rèn)為，所附權(quán)利要求書及其相當(dāng)內(nèi)容限定本發(fā)明概念的精神和/或范圍覆蓋所有這些替換，改動(dòng)，添加和/或重新安排。
所附的權(quán)利要求書不應(yīng)當(dāng)解釋成包含裝置加功能的限制，除非這種限制是在利用詞語(yǔ)“裝置”和/或“步驟”的給定權(quán)利要求中明確地?cái)⑹鲞^(guò)。本發(fā)明的亞屬實(shí)施例是在所附獨(dú)立權(quán)利及其相當(dāng)內(nèi)容中描述。所附的從屬權(quán)利要求及其相當(dāng)內(nèi)容可以區(qū)分本發(fā)明的具體實(shí)施例。
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(3)Eugene Hecht，“Optics，Third Edition，”Addison-Wesley，1998，page 465-469；599-602.
權(quán)利要求
1.一種記錄包含傅里葉分析空間外差式條紋的內(nèi)容基離軸照明空間外差式全息圖的方法，包括計(jì)算相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的照明角，作為代表傅里葉分析空間外差式全息圖數(shù)據(jù)的函數(shù)；從參考反射鏡以非垂直角反射參考光束；從物體反射物光束；聚焦參考光束和物光束到數(shù)字記錄儀的焦平面上以形成包含傅里葉分析空間外差式條紋的內(nèi)容基離軸照明空間外差式全息圖；和數(shù)字記錄包含傅里葉分析空間外差式條紋的內(nèi)容基離軸照明空間外差式全息圖。
2.按照權(quán)利要求1的方法，還包括在傅里葉空間中通過(guò)變換包含空間外差式條紋的記錄內(nèi)容基離軸照明空間外差式全息圖的軸到參考光束與物光束之間角度確定的外差式載波頻率上，傅里葉分析包含空間外差式條紋的記錄內(nèi)容基離軸照明空間外差式全息圖；應(yīng)用數(shù)字濾波器去除原點(diǎn)周圍的信號(hào)；和完成傅里葉逆變換。
3.按照權(quán)利要求1的方法，還包括融合傅里葉分析內(nèi)容基離軸照明空間外差式全息圖與至少一個(gè)傅里葉分析空間外差式全息圖以計(jì)算單個(gè)復(fù)合圖像。
4.按照權(quán)利要求3的方法，其中傅里葉分析空間外差式全息圖包含復(fù)合圖像。
5.按照權(quán)利要求3的方法，還包括重顯單個(gè)復(fù)合圖像。
6.按照權(quán)利要求3的方法，還包括發(fā)射單個(gè)復(fù)合圖像。
7.按照權(quán)利要求1的方法，其中計(jì)算相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的照明角作為代表傅里葉分析空間外差式全息圖數(shù)據(jù)的函數(shù)包括從傅里葉分析空間外差式全息圖中選取感興趣的特征。
8.按照權(quán)利要求7的方法，其中數(shù)字記錄的步驟包括利用確定像素的CCD攝像機(jī)檢測(cè)光束。
9.按照權(quán)利要求8的方法，其中感興趣的特征是由這樣的數(shù)據(jù)確定，該數(shù)據(jù)指出選自至少兩個(gè)像素上幅度和相位中至少一個(gè)的變化。
10.按照權(quán)利要求1的方法，還包括確定是否記錄另一個(gè)內(nèi)容基空間外差式全息圖。
11.按照權(quán)利要求10的方法，還包括記錄另一個(gè)內(nèi)容基空間外差式全息圖。
12.按照權(quán)利要求11的方法，還包括在傅里葉空間中通過(guò)變換包含空間外差式條紋的另一個(gè)記錄內(nèi)容基離軸照明空間外差式全息圖的軸到參考光束與物光束之間角度確定的外差式載波頻率上，傅里葉分析包含空間外差式條紋的記錄另一個(gè)內(nèi)容基離軸照明空間外差式全息圖；應(yīng)用數(shù)字濾波器去除原點(diǎn)周圍的信號(hào)；和完成傅里葉逆變換。
13.按照權(quán)利要求12的方法，還包括融合傅里葉分析另一個(gè)內(nèi)容基空間外差式全息圖與至少一個(gè)傅里葉分析空間外差式全息圖以計(jì)算單個(gè)復(fù)合圖像。
14.按照權(quán)利要求1的方法，還包括存儲(chǔ)包含傅里葉分析空間外差式條紋的內(nèi)容基空間外差式全息圖作為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
15.一種計(jì)算機(jī)程序，包括可平移的計(jì)算機(jī)或機(jī)器可讀程序單元以執(zhí)行按照權(quán)利要求1的方法。
16.一種機(jī)器可讀媒體，包含按照權(quán)利要求1方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。
17.一種可以數(shù)字記錄包含傅里葉分析空間外差式條紋的內(nèi)容基離軸照明空間外差式全息圖的設(shè)備，包括照明光源；與照明光源光耦合的分束器；與分束器光耦合的參考光束反射鏡；聚焦透鏡；與聚焦透鏡光耦合的數(shù)字記錄儀；和計(jì)算機(jī)，它控制相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的照明角作為代表傅里葉分析空間外差式全息圖數(shù)據(jù)的函數(shù)，完成傅里葉變換，應(yīng)用數(shù)字濾波器，和完成傅里葉逆變換，其中參考光束以非垂直角入射到參考光束反射鏡，物光束以相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的角度入射到物體上，參考光束和物光束被聚焦透鏡聚焦到數(shù)字記錄儀的焦平面以形成包含傅里葉分析空間外差式條紋的內(nèi)容基離軸照明空間外差式全息圖，全息圖是由數(shù)字記錄儀記錄，和在傅里葉空間中計(jì)算機(jī)變換包含空間外差式條紋的記錄離軸照明空間外差式全息圖的軸到參考光束與物光束之間角度確定的外差式載波頻率上，和在完成傅里葉逆變換之前去除原點(diǎn)周圍的信號(hào)。
18.按照權(quán)利要求17的設(shè)備，還包括分束器與物體之間光耦合的物鏡。
19.按照權(quán)利要求17的設(shè)備，其中每個(gè)照明光源包括激光器。
20.按照權(quán)利要求17的設(shè)備，其中數(shù)字記錄儀包括確定像素的CCD攝像機(jī)。
21.按照權(quán)利要求27的設(shè)備，其中選取參考光束與物光束之間的角度，和聚焦透鏡提供的放大倍數(shù)，為了使數(shù)字記錄儀可以分辨包含傅里葉分析空間外差式條紋的離軸照明空間外差式全息圖的特征并提供兩種條紋，每種條紋有每條紋兩個(gè)像素。
22.按照權(quán)利要求17的設(shè)備，其中照明光源可以相對(duì)于分束器移動(dòng)。
23.按照權(quán)利要求16的設(shè)備，其中分束器，參考光束反射鏡和數(shù)字記錄儀確定Michelson幾何結(jié)構(gòu)。
24.按照權(quán)利要求16的設(shè)備，其中分束器，參考光束反射鏡和數(shù)字記錄儀確定Mach-Zehner幾何結(jié)構(gòu)。
25.按照權(quán)利要求16的設(shè)備，還包括與計(jì)算機(jī)耦合的數(shù)字存儲(chǔ)媒體，該計(jì)算機(jī)完成傅里葉變換，應(yīng)用數(shù)字濾波器，和完成傅里葉逆變換。
26.按照權(quán)利要求17的設(shè)備，其中計(jì)算機(jī)計(jì)算相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的照明角作為代表傅里葉分析空間外差式全息圖數(shù)據(jù)的函數(shù)。
27.一種機(jī)器可讀媒體，它包括使用權(quán)利要求16的設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。
全文摘要
我們描述內(nèi)容基融合離軸照明直接數(shù)字全息術(shù)的系統(tǒng)和方法。一種方法包括計(jì)算相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的照明角作為代表傅里葉分析空間外差式全息圖數(shù)據(jù)的函數(shù)；記錄包含傅里葉分析空間外差式條紋的內(nèi)容基空間外差式全息圖；在傅里葉空間中通過(guò)變換包含空間外差式條紋的記錄內(nèi)容基空間外差式全息圖的軸到參考光束與物光束之間角度確定的外差式載波頻率上，傅里葉分析包含空間外差式條紋的記錄內(nèi)容基空間外差式全息圖；應(yīng)用數(shù)字濾波器以去除原點(diǎn)周圍的信號(hào)；和完成傅里葉逆變換。
文檔編號(hào)G01B9/021GK1688945SQ03823809
公開(kāi)日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2003年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月3日
發(fā)明者杰弗利·R.·普萊斯 申請(qǐng)人:Ut-巴特勒有限責(zé)任公司