基于阵列光源的超分辨数字全息测量装置及方法

1.本发明提供了一种基于阵列光源的超分辨数字全息测量装置及方法，该装置和方法属于光学成像和数字全息技术领域。


背景技术：

2.数字全息成像系统的分辨率受到有效光阑的限制，主要体现在ccd等图像传感器的感光芯片尺寸较小，使得其分辨率受限于光的衍射导致的物理光学制约。同时，由于ccd的像元大小在制作技术上受到一定的限制，数字全息只能获取空间频率为几百线对每毫米的数字全息图，造成物光波高频信息的丢失，严重影响了数字全息成像系统的分辨率。最简单有效的方法是缩短物体到ccd的距离，但这是以牺牲成像系统的视场为代价的，在提高分辨率的情况下往往无法满足实际检测视场的需求。
3.近年来，研究人员逐渐将超分辨率技术引入到数字全息成像中，该方法结合信息光学成像理论从光路的数值孔径出发提高成像分辨率，更易于满足实际应用的需求。主要有三种超分辨率数字全息技术：空间复用技术、多光束照明技术和光栅技术。
4.空间复用技术是采用ccd扫描方法获取衍射光不同位置的信息，然后将不同位置的全息图进行合成再现。多光束照明技术是通过改变照明光波的入射方向依次记录一系列的数字全息图，将它们按设定的方式合成再现。光栅技术是将原本落在ccd之外的高频谱信息经光栅衍射后重新到达ccd记录面。
5.以上几种数字全息成像测量方法中所用的装置都包括采集多张数字全息图这一过程，这就要求图像采集期间对ccd位置和物体位置有严格要求，在测量过程中因需要移动ccd或者改变照明方向，均需机械操作，因此对系统的稳定性要求很高，实现较为困难，难以满足环境复杂的实际检测需求。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对现有技术存在的难以满足环境复杂的实际检测需求的不足，提供一种基于阵列光源的超分辨数字全息测量装置及方法。
7.为了达到本发明的目的，本发明提供的技术方案是：一种基于阵列光源的超分辨数字全息测量装置，包括计算机、电源装置和光学组件，所述光学组件包括阵列光源和依次设置于阵列光源光路上的准直镜、第一分光棱镜和第一平面反射镜，所述第一分光棱镜的参考光路上设置有第二平面反射镜，第一平面反射镜的物光路上设置有第二分光棱镜和远心成像镜头，图像传感器，位于远心成像镜头的像面上且与计算机连接。
8.上述阵列光源是由多个单波长激光点光源组成的二维图案排列的二维光源。
9.采用上述基于阵列光源的超分辨数字全息测量装置的测量方法，包括如下步骤：
10.(1)计算机控制激光器的电源装置开启阵列光源中第一个点光源，该点光源照射到准直镜进行光束整形，形成平面光束；该平面光束经分光棱镜被分为两束光，其中一束作为物光波经平面反射镜垂直入射到待测样品、分光棱镜、远心成像镜头和图像传感器，透过
待测样品的光束到达像面上，图像传感器用于采集物光和参考光波干涉形成的第一幅全息图。
11.(2)当第一个点光源关闭，开启第二个点光源后发射的光束经准直镜准直成平行光束，平行光束的出射方向相比第一个点光源的出射方向发生偏移，图像传感器采集的第二幅全息图的位置相比第一幅全息图在纵向上具有偏移量h。
12.之后开启第三个点光源后发射的光束重复上述步骤，图像传感器采集纵向偏移量为h的第三幅数字全息图；每个点光源依次重复前述的过程，最后采取多次曝光的方式由ccd在像面上采集横向和纵向偏移量均为h的低分辨率全息图序列。
13.(3)全息图超分辨重建：根据采集到的全息图序列获得互补的冗余信息，通过对冗余信息进行提取，并结合图像配准、运动参数估计等算法对全息图序列进行融合，最终获得一幅高分辨率的全息图。
14.(4)获得超分辨率数值再现像：对第(3)步获得的高分辨率全息图通过数字全息再现算法处理获得超分辨率再现像。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
16.(1)本发明所提出的装置自动改变照明光源的方向实现全息图序列的采集，省略了机械移动的过程，有效提高系统稳定性，避免系统误差的产生。
17.(2)本发明所提出的装置结构简单，从光源的角度实现超分辨重建，具有更快数据采集速度。
18.(3)本发明采用阵列光源，实现同时使用单波长、多方向点光源的方法提高数字全息成像系统的分辨率。
19.(4)适用范围广：可用于三维识别、手势识别、无人驾驶激光雷达等方面。
附图说明
20.图1为基于阵列光源的超分辨数字全息测量装置示意图；
21.图2为本实施例中所采用的的阵列光源的放大图；
22.图3为在点光源照明条件下，物光路中物面与像面之间的对应关系图；
23.图4为图像传感器在像面上采集偏移量为h的全息图序列。
24.附图标记说明如下：
25.1-计算机、2-电源装置、3-阵列光源、4-准直镜、5和9-分光棱镜、6和8-平面反射镜、7-待测样品、10-远心镜头、11-图像传感器。
具体实施方式：
26.下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地说明。
27.一种基于阵列光源的超分辨数字全息测量装置，如图1所示。包括计算机1、电源装置2和光学组件，所述光学组件包括阵列光源3和依次设置于阵列光源3光路上的准直镜4、第一分光棱镜5和第一平面反射镜6，所述第一分光棱镜5的参考光路上设置有第二平面反射镜8，第一平面反射镜6的物光路上设置有第二分光棱镜9和远心成像镜头10，图像传感器11，位于远心成像镜头10的像面上且与计算机1连接。
28.测试时，将待测样品7设置于平面反射镜6和分光棱镜9之间且位于远心成像镜头
10的物面上。
29.所述计算机1与电源装置2连接用于控制激光器的电源装置2实现阵列光源3中每个点光源的开启和关闭，所述计算机1与图像传感器11连接用于控制图像传感器记录和存储获得的数字全息图。
30.所述电源装置2分别与计算机1和阵列光源3连接，用于驱动阵列光源3中每个照明点光源的开启和关闭，并且，每次只能驱动一个激光点光源照明。
31.所述阵列光源3位于准直镜4的焦平面，为了方便阐述，在图1中仅示例性地画出了一个点光源。阵列光源3的放大图如图2所示。阵列光源是由多个单波长激光点光源组成的二维图案排列的二维光源，可分为不同大小的阵列光源，例如3*3、4*4、5*5、
…
等等，图2中仅示例性地画出了大小为3*3的阵列光源，其中，两个点光源的间距d很小可达几微米至十几微米。相比传统照明光源，具有体积小和能量集中等优点，无需机械移动改变照明方向。
32.所述准直镜4用于接收由阵列光源3发射的光束并对其进行准直。
33.分光棱镜5和9、平面反射镜6和8组成mach-zehnder干涉光路。准直后的平行光束经分光棱镜5被分为两束光，其中一束作为参考光波经过平面反射镜8反射到所述分光棱镜9上，另外一束作为物光波经平面反射镜6垂直入射到所述待测样品7后经分光棱镜9与参考光波进行干涉。
34.所述远心成像镜头10作为成像物镜，用于将参考光与物光干涉后的光波调整成平行光束，同时缩小平行光束到达像面的区域。
35.基于上面所述阵列光源的超分辨数字全息测量装置的测量方法，包括如下步骤：
36.(1)在点光源照明条件下，物光路中物面与像面之间的对应关系如图3所示。为了方便阐述，图3中仅示例性地画出了三个不同方向的点光源，点间距为d。计算机1控制激光器的电源装置2开启阵列光源3中第一个点光源。该点光源照射到准直镜4进行光束整形，形成平面光束；该平面光束经分光棱镜5被分为两束光，其中一束作为物光波经平面反射镜6垂直入射到待测样品7、分光棱镜9、远心成像镜头10和图像传感器11，其中，待测样品7位于远心成像镜头10的物面，图像传感器11位于远心成像镜头10的像面。透过待测样品的光束到达像面上第一个黑色区域。图像传感器用于采集物光和参考光波干涉形成的第一幅全息图。
37.(2)如图3所示，当第一个点光源关闭，开启第二个点光源后发射的光束经准直镜准直成平行光束，此时，平行光束的出射方向相比第一个点光源经过准直后平行光的出射方向发生偏移，因此，透过待测样品到达像面上的光束也会发生偏移，此时为像面上第二个黑色区域，同时图像传感器采集的第二幅全息图的位置相比第一幅全息图在纵向上也具有一定的偏移量，此偏移量为h。
38.当第二个点光源关闭，开启第三个点光源后发射的光束重复上述步骤后，透过待测样品到达像面上的光束为像面上的第三个黑色区域，图像传感器采集的第三幅全息图的位置相比第二幅全息图在纵向上也具有一定的偏移量，此偏移量也为h。因此，图像传感器可以采集纵向偏移量为h的三幅数字全息图。
39.同样，当光源为阵列光源时，每个点光源依次按照第(1)、(2)步的过程，最后采取多次曝光的方式由ccd在像面上采集横向和纵向偏移量均为h的低分辨率全息图序列，如图4所示。
40.此装置中，阵列光源3-待测样品7之间的距离z1为几百毫米,待测样品7-图像传感器11之间的距离z2为几百毫米，点间距d为微米量级，图像传感器记录的一系列子全息图的偏移量为h。在物体与图像传感器之间是空气填充的条件下，二者等效移动距离存在如下关系：
41.d～h*(z1/z2)
42.根据上述公式，ccd采集的全息图序列在横向和纵向上存在几微米的亚像素位移关系，此测量方法可实现横向和纵向分辨率的亚像素重建。
43.(3)全息图超分辨重建：由于采集到的全息图序列之间存在亚像素位移关系，因此可以获得互补的冗余信息。通过对冗余信息进行提取，并结合图像配准、运动参数估计等算法对全息图序列进行融合，最终获得一幅高分辨率的全息图。
44.(4)获得超分辨率数值再现像：对获得的高分辨率全息图通过数字全息再现算法处理获得超分辨率再现像。