[发明专利]一种非傍轴和离焦像差的数值校正方法

说明书

技术领域

本发明涉及数字全息技术领域，特别涉及一种无透镜傅里叶变换数字全息术中离焦像差和非傍轴像差的数值校正方法。

背景技术

数字全息技术以固体成像器件CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)或CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体)替代传统的银盐干板来记录全息图，通过计算机数值模拟数字全息图的衍射再现过程，利用快速傅里叶变换算法及频谱滤波处理等获得物光波场的振幅和相位信息，实现三维物光波场重构，避免了传统的湿化学处理过程，具有快速，实时等优点。将该技术与无透镜傅里叶变换全息记录方法相结合，可以消除透镜自身像差的干扰，并且可以通过增加全息图的记录面积以及减小全息图的记录距离的方法来提高全息图记录系统的空间带宽积，获得高分辨率的数值再现像。

参照图1，其是无透镜傅里叶变换全息术原理示意图，要求参考光为球面光，并且参考光点源1到全息干板3的距离和物体2到全息干板3的距离相等。显影后的全息图放置于透镜的前焦面，用平行光照明即可以在透镜后焦面上得到两个实像，即物体及其共轭的实像。利用CCD或CMOS来代替全息干板记录数字全息图，全息图的数值再现过程利用计算机直接对数字全息图进行一次傅里叶变换运算即可以实现，最终获得物体及其共轭的实像。

上述的全息图数值再现过程存在两个要求：第一个要求是实验过程中物体和参考光点源必须严格处于同一平面，否则全息图经过一次傅里叶变换运算之后获得的物体再现像将发生离焦现象，产生离焦像差，图1中的参考光点源4的位置即参考光点源与物体不处于同一平面的情形；第二个要求是全息图的记录过程满足傍轴近似条件，即所记录的全息图面积不太大或者全息图的记录距离不太小，此时全息图再现过程经过一次傅里叶变换即可以得到物体的再现像，否则会产生非傍轴像差。

对于离焦像差，目前主要是通过实验手段加以校正，即在实验过程中分别量取物体以及参考光点源到全息图平面的距离并尽量使其相等，再通过数值再现观察再现结果，根据再现结果对参考点光源和物体的位置进行微调。这一实验方法需要反复调整参考点光源和物体的位置，繁琐复杂，并且不能保证参考点光源和物体到全息图的位置绝对相等。对于非傍轴像差，Y.Takaki等人作了相应的研究工作，不过其侧重点在于再现像分辨率的提高(Y.Takaki，andH.Ohzu，″Fast numerical reconstruction technique for high-resolution hybrid holographicmicroscopy，″Appl.Optics 38，2204-2211(1999).)，而并没有就这一问题进行详细讨论。此外，F.Dubois等人对数值再现过程中通过振幅分析来确定聚焦平面的方法进行了详细研究(F.Dubois，C.Schockaert，N.Callens，and C.Yourassowsky，″Focus plane detection criteria in digitalholography microscopy by amplitude analysis，″Opt.Express 14，5895-5908(2006).)。

到目前为止，并没有一种系统完整的方法来消除无透镜傅里叶变换全息术中的离焦像差以及非傍轴像差，从而直接获得理想的无像差的全息图数值再现结果。

发明内容

为了克服无透镜傅里叶变换数字全息术中存在的离焦像差以及非傍轴像差，获得理想的无像差的数值再现像，本发明提出一种无透镜傅里叶变换数字全息术中离焦像差和非傍轴像差的数值校正方法，通过在后续的全息图数值再现过程中借助计算机利用数值方法校正无透镜傅里叶变换数字全息术中的像差。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是采用如下方法步骤：

1.量取物体到全息图，亦即物体到CCD的距离，将其初步确定为全息图的记录距离d；

2.对无透镜傅里叶变换数字全息图进行非傍轴像差校正；

3.对非傍轴像差校正之后的全息图进行离焦像差校正；

4.对离焦像差校正之后的全息图直接进行逆快速傅里叶变换运算操作，操作完成之后即得到全息图的数值再现像；

5.针对数值再现像判断数值聚焦平面，确定全息图的最佳修正距离d′；

6.确定全息图的最佳再现距离d″，d″＝d+Δd＝1/(d+n′×Δ)；