一種基于雙孔光瞳的光學掃描全息圖像邊緣提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學全息成像領(lǐng)域，涉及光學掃描全息技術(shù)和三維成像技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學掃描全息技術(shù)（OpticalScanningHolography，OSH)是數(shù)字全息技術(shù)中的 一種，通過將光束分成不同的兩個波前進行干涉形成菲涅爾波帶板（FresnelZonePlate， FZP)，進而實現(xiàn)對目標物體的高分辨率三維成像，它在生物醫(yī)學成像、形變測量、粒子場測 試、光學顯微和光學遙感等領(lǐng)域都有廣泛的應用前景。
[0003] 通過光學掃描全息技術(shù)獲得的二維全息圖，包含了樣品完整的三維信息，因此如 何由全息圖提取出樣品圖像的邊緣信息成為了光學掃描全息術(shù)的研宄熱點。圖像邊緣是圖 像的最基本的特征，圖像的邊緣檢測也是圖像處理的重要基礎(chǔ)內(nèi)容之一，具體對于光學掃 描全息術(shù)來說，其難點在于如何由二維的全息圖中提取出有效的重現(xiàn)圖像邊緣信息。
[0004] 文獻^Edgedetectionofthree-dimensionalobjectsbymanipulatingpupil functionsinanopticalscanningholographysystem,提出了一種基于光瞳設計的預 處理邊緣提取方法，通過將OSH系統(tǒng)中的兩個光瞳分別設計為點脈沖函數(shù)（Diracdelta function)和拉普拉斯高斯函數(shù)（LaplacianoftheGuassian)，從而實現(xiàn)物像的邊緣提 取，但需要對實驗系統(tǒng)做較大改動。
[0005] 文獻 'Edge-preservingsectionalimagereconstructioninoptical scanningholography'提出了一種利用總變差的非負約束法和梯度投影的方法，該方法能 夠強化切片物像，從而提取邊緣信息，但是算法復雜度較高。
[0006] 文獻'Edgeextractionusingatime-varyingvortexbeaminincoherent digitalholography'提出一種利用時變禍束來提取全息圖邊緣信息的方法，通過在OSH系 統(tǒng)中引入螺旋相位板作為其中一個光瞳，從而獲得時變渦束來提取物像邊緣。該方法能獲 得較為清晰的邊緣信息，但實驗系統(tǒng)復雜度也有一定程度的上升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供一種基于雙孔光瞳的光學掃描全息圖像邊緣提取方法。在全息成像記 錄階段，通過引入雙孔光瞳，從而分別產(chǎn)生兩個不同的菲涅爾波帶板，接著利用這兩個菲涅 爾波帶板對同一個被測樣品進行掃描，獲取兩組全息圖，以記錄更多的物體高頻信息；在全 息成像重現(xiàn)階段，通過傅立葉變換，將空域的全息圖轉(zhuǎn)換到頻域，接下來再利用共軛梯度法 和傅立葉逆變換，分別實現(xiàn)物像邊緣及其本身的顯像。該方法結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，具有很 強的實用性，能夠?qū)崿F(xiàn)清晰的物像邊緣提取。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于雙孔光瞳的光學掃描全息圖像邊緣提取方法，其 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括以下步驟：
[0009] 步驟1 :偏振分束器（BeamSplitter，BS)將角頻率為《的光分成兩部分，其中一 部分通過第一光瞳Pi(x，y)形成平面波Pi(x，y) = 1 ;另一部分經(jīng)過聲光調(diào)制器（Acoustic OpticalFrequencyShifter,AOFS)產(chǎn)生Q的頻移后再通過第二光瞳P2(x，y)。這里，第二 光瞳P2(x，y)由透射型液晶空間光調(diào)制器（SpacialLightModulator,SLM)實現(xiàn)。通過調(diào) 節(jié)空間光調(diào)制器的電壓分布，可以使得第二光瞳P2(x，y)工作在兩個狀態(tài)：（l)P2a(x，y)= 8 (x-Xpy-y)，以及⑵P2b(x,y) = 5 (x_x2,y_y2)，以產(chǎn)生兩個中心位置不同的球面波；其 中，x#x2,y#y2，分別代表第二光瞳P2(x,y)在X，y軸上的空間偏移量；第一次全息圖 記錄時，將分別通過第一光瞳？"^。和第二光瞳P2a(x，y)的兩束光經(jīng)偏振分束器合在一 起，在被測物體上產(chǎn)生干涉形成菲涅爾波帶板h，利用二維掃描鏡控制h的偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn) 對三維樣品的二維掃描。透鏡3用于收集通過樣品的透射光和散射光，并將其送入光電探 測器。產(chǎn)生的外差電流輸出經(jīng)過混頻、濾波、放大等處理，產(chǎn)生解調(diào)信息并儲存于計算機中。 儲存的信息為4編碼圖像，本質(zhì)上為包含了樣品三維信息的全息圖。
[0010] 該光學掃描全息系統(tǒng)的空間脈沖響應，即菲涅爾波帶板hi可以表示為
【主權(quán)項】
1. 一種基于雙孔光瞳的光學掃描全息圖像邊緣提取方法，其特征在于：包括以下步 驟： 步驟一：光束通過偏振分束器，將角頻率為《的光分成兩部分，其中一部分通過第一 光瞳Pi(x，y)形成平面波Pi(x，y) = 1 ;另一部分經(jīng)過聲光調(diào)制器產(chǎn)生D的頻移后再通過 第二光瞳P2 (x，y); 通過調(diào)節(jié)第二光瞳的電壓分布，可以使得第二光瞳P2(x，y)工作在兩個狀態(tài)：（1)P2a(x，y) = 5 (x-x^y-yi)，以及（2)P2b(x，y) = 5 (x-x2，y-y2)，以產(chǎn)生兩個中心位置不同的 球面波，其中，Xi#x2,yi#y2，分別代表第二光瞳P2(x,y)在X，y軸上的空間偏移量； 第一次全息圖記錄時，將分別通過第一光瞳？々^)和第二光瞳P2a(x，y)的兩束光經(jīng) 偏振分束器合在一起，在被測物體上產(chǎn)生干涉形成菲涅爾波帶板h，利用二維掃描鏡控制 h的偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對三維樣品的二維掃描；透鏡3用于收集通過樣品的透射光和散射光， 并將其送入光電探測器；產(chǎn)生的外差電流輸出經(jīng)過混頻、濾波、放大等處理，產(chǎn)生解調(diào)信息 并儲存于計算機中；儲存的信息為4編碼圖像，本質(zhì)上為包含了樣品三維信息的全息圖； 該光學掃描全息系統(tǒng)的空間脈沖響應，即菲涅爾波帶板h,可以表示為
⑴ 其中x，y，z代表空間坐標，k為光的波數(shù)；由（1)式可以看出，對于某一軸向位置z，菲 涅爾波帶板是一個關(guān)于x，y的二維對稱函數(shù)，對稱中心為（Xl，yi); 假設復函數(shù)代表樣品的幅度信息，則該樣品經(jīng)過光學系統(tǒng)掃描后得到的二維 全息圖可以表示
(2) 其中*代表二維卷積；將待測樣品看作一系列離散切片的集合，即可對軸向坐標z進行 離散化處理，表示為Zl，z2，...，zn，分別代表不同切片所在的軸向位置，那么（2)式表征的 二維全息圖可以表示為
(3) 假設樣品僅包含一個切片，則（3)式可以簡化為
(4) 將|p〇、v;z1)|2轉(zhuǎn)換為一維矢量矩陣邊，如果待測樣品為一個NXN的矩陣，則邊為長度 為N2的一維矢量矩陣；同樣，樣品的二維全息圖si(x，y)以及菲涅爾波帶板h(x，y，Zl)也 可以分別轉(zhuǎn)化為長度為N2的一維矢量矩陣S:和H1; 這樣，（4)式可表示為 Si=H!邊 +1^ (5) 其中1^代表系統(tǒng)的高斯白噪聲，是長度為N2的一維矢量矩陣。 步驟二：調(diào)節(jié)第二光瞳調(diào)制器的電壓，將P2(x，y)設置為P2b(x，y) = 8 (x-x2，y_y2)，其 中，x2, yi#y2，從而獲得中心位置偏移的球面波，將新的球面波與另外一束平面波經(jīng) (6) 偏振分束器合在一起，在被測物體上產(chǎn)生干涉形成第二個菲涅爾波帶板（h2); 該光學掃描全息系統(tǒng)的空間脈沖響應，即菲涅爾波帶板（h2)可以表示為 通過對同一待測樣品進行掃描，可獲得第二組樣品全息圖，同樣該過程可以表征為
(7) 矩陣方程為 S2 = H 2 也 +n2 (8) 將兩次二維全息掃描的矩陣方程整合起來，可以表示為
(9) 步驟三：利用兩次二維掃描的全息圖進行全息成像的重現(xiàn)；全息成像重現(xiàn)，即要在已 知S的情況下，求解目標矢量！D，該問題的求解轉(zhuǎn)化為如下的最小化問題，
(10) 其中11.11代表二階范數(shù)，A>0為罰系數(shù)，C是拉普拉斯高斯算子，其本質(zhì)為高通濾波 器，能夠用于物像的邊緣提??；該最小化問題的解表示為 (H+H+入C+C) f (邊）=H+G (11) 其中H+為矩陣H的共軛轉(zhuǎn)置；通過引入共軛梯度算法，即可實現(xiàn)邊緣提取以及物像重 現(xiàn)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于雙孔光瞳的光學掃描全息圖像邊緣提取方法，其特征 在于：所述第二光瞳為透射型液晶空間光調(diào)制器。
【專利摘要】一種基于雙孔光瞳的光學掃描全息圖像邊緣提取方法，屬于光學掃描全息技術(shù)領(lǐng)域。技術(shù)方案包括：步驟1：將雙孔光瞳設置為P2a(x,y)＝δ(x-x1,y-y1)，獲得第一個菲涅爾波帶板h1，進行第一次二維全息掃描，獲取全息圖s1。步驟2：將雙孔光瞳設置為P2b(x,y)＝δ(x-x2,y-y2)，獲得第二個菲涅爾波帶板h2，進行第二次二維全息掃描，獲取全息圖s2，以記錄更多的物體高頻信息。步驟3：將兩次二維全息掃描的全息圖進行傅立葉變換，引入共軛梯度法進行逆問題求解。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易操作，具有很強的實用性，能實現(xiàn)清晰的物像邊緣提取，具有重要的應用價值。
【IPC分類】G03H1-12
【公開號】CN104614970
【申請?zhí)枴緾N201510080890
【發(fā)明人】歐海燕, 邵維, 王秉中
【申請人】電子科技大學
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年2月15日