[发明专利]一种可消除光场畸变的横向剪切数字全息方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字全息方法，尤其涉及一种可消除光场畸变的横向剪切数字全息方法。

背景技术

数字全息借助光电探测器和数字处理技术可获取物光的相位信息，还原物的三维形貌，具有快速、无损和高分辨等三维成像的优点。近年来数字全息技术受到了众多研究者的关注，被广泛应用于生物医学检测^[5]、粒子场测量、形貌分析、形变振动测量和信息加密等领域。

目前常用的数字全息一般均采用离轴全息记录光路，光波通过待测物体产生变形，然后与参考光波干涉叠加，并用CCD记录全息干涉条纹，最后通过数字处理提取其中的相位信息。显然，数字全息图中的相位分布反映的是物光与参考光的相位差。为了使该相位能准确反映待测物体的形貌或折射率信息，一般假设参考光波是标准的平面波。然而严格的平面波是很难得到的，而且干涉光路中的参考光和物光一般都要经过若干个透镜或反射镜才能到达CCD面，因此全息记录系统中的光场畸变是在所难免的。为了消除或减少光场畸变带来的测量误差，最直接的方法是选用严格的平面或球面反射镜做测量参考镜，并用精确准直的平面波做入射光波，但这种方法会增加全息记录系统的硬件成本，同时提高了光路调节的难度。另一种消除畸变的办法是采用数字补偿法，包括参考相位相减法、数字相位掩膜补偿法和系统标定畸变校正法等。但数字补偿法也存在许多应用局限，例如相位相减法需要预先记录参考平面光的数字全息图，对于反射式数字全息由于难以保证参考平面与测量物体的位置准确重合会引入较大误差；数字相位掩膜补偿法和系统标定畸变校正法需要预先知道系统畸变的数学模型，然后用最小二乘拟合法确定畸变参数，数字处理较为复杂。

横向剪切干涉是将待测波面与其自身的一个微小平移进行干涉，然后从相互垂直 方向上剪切干涉图获得差分波前，并用波前重建算法恢复出待测的三维波前。与数字全息相比，横向剪切干涉无需参考光，但光路和装置要比数字全息复杂，所得的干涉条纹包含的是待测波前的梯度信息，所以条纹空间频率要低于数字全息。鉴于此，P.Ferroaro和钱晓凡等将横向剪切最小二乘波前重构算法引入数字全息，用于解决包裹相位随空间剧烈变化的相位解包裹问题。

发明内容

本发明针对对数字全息系统中固有的光学畸变，特别是反射式数字全息中非标准平面照明光和参考光引入的畸变，提出一种可根本消除各种光场畸变的横向剪切数字全息方法。本方法的基本原理是采用三幅物面相互存在微小平移的全息图，通过波前差分来消除照明光和参考光引入的相位畸变，用横向剪切波前重构算法恢复待测物面三维数据。

本发明的技术方案：一种可消除光场畸变的横向剪切数字全息方法，采用三幅物面相互存在微小平移的全息图，通过波前差分来消除照明光和参考光引入的相位畸变，然后用横向剪切波前重构算法恢复待测物面三维数据；通过数字全息原理构建数学模型进行详细分析，并给出了基于傅里叶展开的横向剪切波前重构算法；设计一个反射式实验检测光路，光路中人为引进未知的波前畸变对上述重构算法进行实验验证。

优选地，物面平移横向剪切数字全息的光路入射光经分光棱镜BS分成两束，一束入射到反射镜M做干涉参考光，一束入射到待测物体做物光，待测物体固定在载物台OS上，该载物台可沿x和y两个正交方向做横向平移，载物台上的待测物经成像透镜L成像到CCD面，并且在CCD面上物光与参考光发生干涉产生干涉全息图；设入射到待测物体表面的照明光场为U_l(x_o,y_o)＝A_lexp(jw_l(x_o,y_o)),则经物体表面反射的光场为

U′_o(x_o,y_o)＝A′_lexp{j(w_l(x_o,y_o)+w_o(x_o,y_o))}(1)

式(1)中A′_l是反射光振幅，w_l(x_o,y_o)是入射光场波前相位，w_o(x_o,y_o)是待测物体表面波前相位；该携带物体表面信息的反射光经成像透镜L后在CCD面成像形成物光，其光 场表达式为