多維自動(dòng)超分辨率數(shù)字全息成像裝置及方法
【專利摘要】多維自動(dòng)超分辨率數(shù)字全息成像裝置及方法，屬于光學(xué)衍射成像和數(shù)字全息【技術(shù)領(lǐng)域】。首先搭建多維自動(dòng)的超分辨數(shù)字全息成像裝置，利用計(jì)算機(jī)調(diào)制空間光調(diào)制器中的光柵方向，從0°到180°，每次0.5°，得到360幅數(shù)字全息圖；然后將360幅數(shù)字全息圖通過Matlab軟件進(jìn)行傅里葉變換，得到再現(xiàn)像，且每幅再現(xiàn)像都有六個(gè)分離的子再現(xiàn)像；最后利用具有亞像素精度的頻域配準(zhǔn)方法對每一幅再現(xiàn)像中六個(gè)子再現(xiàn)像進(jìn)行準(zhǔn)確定位，采用小波變換提取360幅再現(xiàn)像中的子再現(xiàn)像的不同頻率信息進(jìn)行加權(quán)融合，獲得多維超分辨率的再現(xiàn)像。本發(fā)明可以自動(dòng)獲取多幅不同方向衍射級次的全息圖，在多維方向上提高數(shù)字全息成像分辨率，可用于對分辨率要求較高的生物醫(yī)學(xué)、微納檢測等領(lǐng)域。
【專利說明】多維自動(dòng)超分辨率數(shù)字全息成像裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種多維自動(dòng)的超分辨率數(shù)字全息成像裝置及方法，該裝置和方法屬于光學(xué)衍射成像和數(shù)字全息【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字全息成像系統(tǒng)的分辨率受到有效光闌的限制，主要體現(xiàn)在CCD等圖像傳感器的感光芯片尺寸較小，使得其分辨率受限于光的衍射導(dǎo)致的物理光學(xué)制約。同時(shí)，由于CCD的像元大小在制作技術(shù)上受到一定的限制，數(shù)字全息只能獲取空間頻率為幾百線對每毫米的數(shù)字全息圖，造成物光波高頻信息的丟失，嚴(yán)重影響了數(shù)字全息成像系統(tǒng)的分辨率。最簡單有效的方法是縮短物體到CCD的距離，但這是以犧牲成像系統(tǒng)的視場為代價(jià)的，在提高分辨率的情況下往往無法滿足實(shí)際檢測視場的需求。近年來，研究人員逐漸將超分辨率技術(shù)引入到數(shù)字全息成像中，該方法結(jié)合信息光學(xué)成像理論從光路的數(shù)值孔徑出發(fā)提高成像分辨率，更易于滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。主要有三種超分辨率數(shù)字全息方法，第一種是空間復(fù)用方法，采用CCD掃描方法獲取衍射光不同位置的信息，然后將不同位置的全息圖進(jìn)行合成再現(xiàn)。第二種是多光束照明方法，該方法通過改變照明光波的入射方向依次記錄一系列數(shù)字全息圖，將它們按一定方式合成再現(xiàn)。第三種是光柵方法，利用光柵將原本落在CCD之外的高頻光譜收集起來?？臻g復(fù)用和多光束照明方法需要移動(dòng)CCD或者改變照明方向，均需機(jī)械操作。而基于光柵的超分辨率成像目前采用的均為實(shí)體光柵，只能提高一個(gè)或者兩個(gè)方向上的分辨率，無法實(shí)現(xiàn)多方向的超分辨率成像。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了可以在多個(gè)方向提高數(shù)字全息成像系統(tǒng)的分辨率，本發(fā)明提供了一套多維自動(dòng)超分辨率數(shù)字全息成像裝置和方法。
[0004]多維自動(dòng)的超分辨數(shù)字全息成像裝置，由激光器、光纖耦合器、光纖分束器、光纖準(zhǔn)直器、待測樣品、空間光調(diào)制器、合束棱鏡、圖像傳感器和計(jì)算機(jī)組成，所述激光器出射端依次裝配了所述光纖耦合器和光纖分束器，激光器出射的激光光束垂直于光纖耦合器和光纖分束器，經(jīng)光纖分束器激光光束被分為兩束光，其中一束作為參考光波經(jīng)過光纖直接垂直入射在所述合束棱鏡上，另外一束作為物光波經(jīng)光纖垂直入射到所述光纖準(zhǔn)直器，光纖準(zhǔn)直器出射的物光波垂直入射到所述待測樣品，待測樣品前方依次放置所述空間光調(diào)制器、合束棱鏡和圖像傳感器，其中空間光調(diào)制器和圖像傳感器與所述計(jì)算機(jī)連接，并且，所述空間光調(diào)制器為振幅型透射式空間光調(diào)制器，其中的光柵角度可調(diào)，并且光束尺寸大于待測樣品的待測區(qū)域。
[0005]采用上述多維自動(dòng)超分辨率數(shù)字全息成像裝置可獲得超分辨數(shù)字全息成像，該成像方法包括如下步驟:
[0006](I)記錄多幅超分辨率數(shù)字全息圖:利用計(jì)算機(jī)調(diào)制空間光調(diào)制器，空間光調(diào)制器中的光柵的方向從0°到180°進(jìn)行調(diào)節(jié)，每次調(diào)節(jié)0.5°，計(jì)算機(jī)控制圖像傳感器連續(xù)記錄360幅數(shù)字全息圖；
[0007](2)獲取數(shù)值再現(xiàn)像:將得到的360幅數(shù)字全息圖存入計(jì)算機(jī)中，通過Matlab軟件進(jìn)行編程，分別對360幅數(shù)字全息圖進(jìn)行傅里葉變換，得到再現(xiàn)像，每幅再現(xiàn)像都有6個(gè)分離的子再現(xiàn)像；
[0008](3)獲得超分辨率數(shù)值再現(xiàn)像:利用具有亞像素精度的頻域配準(zhǔn)方法對每一幅再現(xiàn)像中的六個(gè)子再現(xiàn)像進(jìn)行準(zhǔn)確定位，采用小波變換提取360幅再現(xiàn)像中的子再現(xiàn)像的不同頻率信息，對得到的不同頻率信息進(jìn)行加權(quán)融合，獲得多維超分辨率的再現(xiàn)像。
[0009]所述激光器采用中心波長為532nm的固體激光器，功率為300mW。
[0010]所述空間光調(diào)制器采用分辨率為1920X1080像素，像元大小為8.5μπιΧ8.5μπι的振幅型透射式空間光調(diào)制器。
[0011]所述圖像傳感器采用CXD為4016X2672像素，像元尺寸為9 μ mX9 μ m的C⑶相機(jī)。
[0012]本發(fā)明的有益效果:多維自動(dòng)超分辨率數(shù)字全息成像裝置及方法，通過對空間光調(diào)制器自動(dòng)加載不同角度的光柵，收集多方向的物光波高頻信息，實(shí)現(xiàn)多維超分辨率成像，該成像方法無需機(jī)械移動(dòng)光學(xué)元件和手工操作，即可實(shí)現(xiàn)多維自動(dòng)的超分辨率數(shù)字全息成像，可用于對分辨率要求較高的生物醫(yī)學(xué)、微納檢測等應(yīng)用領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為多維自動(dòng)的超分辨數(shù)字全息成像裝置光路圖。
[0014]1、激光器,2、光纖稱合器,3、光纖分束器,4、光纖準(zhǔn)直器,5、待測樣品,6、空間光調(diào)制器，7、合束棱鏡，8圖像傳感器，9、計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0015]多維自動(dòng)的超分辨率數(shù)字全息成像裝置，由激光器1、光纖耦合器2、光纖分束器
3、光纖準(zhǔn)直器4、待測樣品5、空間光調(diào)制器6、合束棱鏡7、圖像傳感器8和計(jì)算機(jī)9組成，如圖1所示。多維自動(dòng)的超分辨數(shù)字全息成像裝置中的激光器I為固體激光器，采用的中心波長為532nm，功率為300mW?？臻g光調(diào)制器6采用分辨率為1920 X 1080像素，像元大小為
8.5 μ mX8.5 μ m的振幅型透射式空間光調(diào)制器。圖像傳感器8采用分辨率為4016X2672像素，像元尺寸為9 μ mX9 μ m的(XD相機(jī)。
[0016]激光器I出射端依次裝配了光纖耦合器2和光纖分束器3，激光器I出射的激光光束垂直于光纖耦合器2和光纖分束器3，經(jīng)光纖分束器3的激光光束被分為參考光和物光兩束光波，其中的參考光波經(jīng)過光纖直接垂直入射在合束棱鏡7上，物光波經(jīng)光纖垂直入射到光纖準(zhǔn)直器4，光纖準(zhǔn)直器4出射的物光波垂直入射到待測樣品5，待測樣品5前方依次放置空間光調(diào)制器6，合束棱鏡7和圖像傳感器8?？臻g光調(diào)制器6和圖像傳感器8與計(jì)算機(jī)9相連接，利用計(jì)算機(jī)9將不同角度的光柵加載在空間光調(diào)制器6上。
[0017]利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行圖像傳感器8和空間光調(diào)制器6的時(shí)序控制，通過Labview軟件實(shí)現(xiàn)空間光調(diào)制器6的光柵信息的加載，每加載一幅光柵信息后，計(jì)算機(jī)9控制圖像傳感器8記錄數(shù)字全息圖，空間光調(diào)制器6的光柵改變方向的間隔為0.5°，從0°到180°依次循環(huán)記錄360幅數(shù)字全息圖。每一幅數(shù)字全息圖具有三個(gè)級次的衍射再現(xiàn)像，連續(xù)獲得360幅數(shù)字全息圖，并將360幅數(shù)字全息圖的再現(xiàn)像進(jìn)行疊加。
[0018]利用多維自動(dòng)的超分辨數(shù)字全息成像裝置，通過下述步驟可獲得超分辨數(shù)字全息成像圖:
[0019]I)通過多維自動(dòng)的超分辨數(shù)字全息成像裝置，將經(jīng)過光纖分束器3的參考光波和經(jīng)過空間光調(diào)制器6的物光波在合束棱鏡7上進(jìn)行干涉，得到的數(shù)字全息圖被圖像傳感器8所采集。其中，利用計(jì)算機(jī)9調(diào)制空間光調(diào)制器6，得到不同角度的光柵，光柵的方向從0°到180°進(jìn)行調(diào)節(jié)，每調(diào)節(jié)0.5°，圖像傳感器8拍攝一幅數(shù)字全息圖，得到360幅數(shù)字全息圖，分別為 H1，H2，...，Hi，...，HN，(其中 i=0，l，2，...，N，N=360)。
[0020]2)獲取數(shù)值再現(xiàn)像:將得到的360幅數(shù)字全息圖存入計(jì)算機(jī)9中，通過Matlab軟件進(jìn)行編程，分別對360幅數(shù)字全息圖進(jìn)行傅里葉變換得到360幅再現(xiàn)像，每幅再現(xiàn)像都有6個(gè)分離的子再現(xiàn)像，分別是Oit其中(t=l，2，...，6)。
[0021]3)獲得超分辨率數(shù)值再現(xiàn)像:利用具有亞像素精度的頻域配準(zhǔn)方法對每一幅再現(xiàn)像中的6個(gè)子再現(xiàn)像Oit進(jìn)行準(zhǔn)確定位，采用小波變換提取360幅再現(xiàn)像中的子再現(xiàn)像的不同頻率信息，對得到的不同頻率信息進(jìn)行加權(quán)融合，獲得多維超分辨率的再現(xiàn)像。
【權(quán)利要求】
1.多維自動(dòng)超分辨率數(shù)字全息成像裝置，由激光器(I)、光纖耦合器(2)、光纖分束器(3)、光纖準(zhǔn)直器(4)、待測樣品(5)、空間光調(diào)制器(6)、合束棱鏡(7)、圖像傳感器(8)和計(jì)算機(jī)(9)組成，其特征在于:所述激光器(I)出射端依次裝配了所述光纖耦合器(2)和光纖分束器(3)，激光器(I)出射的激光光束垂直于光纖耦合器(2)和光纖分束器(3)，經(jīng)光纖分束器(3)激光光束被分為兩束光,其中一束作為參考光波經(jīng)過光纖直接垂直入射在所述合束棱鏡(7)上，另外一束作為物光波經(jīng)光纖垂直入射到所述光纖準(zhǔn)直器(4)，光纖準(zhǔn)直器(4)出射的物光波垂直入射到所述待測樣品(5)，待測樣品(5)前方依次放置所述空間光調(diào)制器(6)、合束棱鏡(7)和圖像傳感器(8)，其中空間光調(diào)制器(6)和圖像傳感器(8)與所述計(jì)算機(jī)(9)連接，并且，所述空間光調(diào)制器(6)為振幅型透射式空間光調(diào)制器，其中的光柵角度可調(diào)，并且光束尺寸大于待測樣品(5)的待測區(qū)域。
2.采用如權(quán)利要求1所述的多維自動(dòng)超分辨率數(shù)字全息成像裝置獲得超分辨率數(shù)字全息成像方法，其特征在于，包括下述步驟: (1)記錄多幅超分辨率數(shù)字全息圖:利用計(jì)算機(jī)(9)調(diào)制空間光調(diào)制器(6)，空間光調(diào)制器(6)中的光柵的方向從0°到180°進(jìn)行調(diào)節(jié)，每次調(diào)節(jié)0.5°，計(jì)算機(jī)(9)控制圖像傳感器(8)連續(xù)記錄360幅數(shù)字全息圖； (2)獲取數(shù)值再現(xiàn)像:將得到的360幅數(shù)字全息圖存入計(jì)算機(jī)中，通過Matlab軟件進(jìn)行編程，分別對360幅數(shù)字全息圖進(jìn)行傅里葉變換，得到再現(xiàn)像，每幅再現(xiàn)像都有6個(gè)分離的子再現(xiàn)像； (3)獲得超分辨率數(shù)值再現(xiàn)像:利用具有亞像素精度的頻域配準(zhǔn)方法對每一幅再現(xiàn)像中的六個(gè)子再現(xiàn)像進(jìn)行準(zhǔn)確定位，采用小波變換提取360幅再現(xiàn)像中的子再現(xiàn)像的不同頻率信息，對得到的不同頻率信息進(jìn)行加權(quán)融合，獲得多維超分辨率的再現(xiàn)像。
3.如權(quán)利要求1或2所述的多維自動(dòng)超分辨數(shù)字全息成像裝置，其特性在于:所述激光器(I)采用中心波長為532nm的固體激光器，功率為300mW。
4.如權(quán)利要求1或2所述的多維自動(dòng)的超分辨數(shù)字全息成像裝置，其特性在于:所述空間光調(diào)制器(6)采用分辨率為1920 X 1080像素，像元大小為8.5ymX8.5ym的振幅型透射式空間光調(diào)制器。
5.如權(quán)利要求1或2所述的多維自動(dòng)超分辨數(shù)字全息成像裝置，其特性在于:所述圖像傳感器(8)采用CXD為4016X2672像素，像元尺寸為9 μ mX9 μ m的CXD相機(jī)。
【文檔編號】G03H1/22GK103941568SQ201410108178
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】王云新, 王大勇, 李斌, 戎路, 楊旭東 申請人:北京工業(yè)大學(xué)