專(zhuān)利名稱(chēng)：離軸照明直接數(shù)字全息術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及直接數(shù)字全息術(shù)領(lǐng)域(干涉度量學(xué))。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及提高直接數(shù)字全息術(shù)中分辨率的離軸照明。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)直接數(shù)字全息術(shù)(DDH)，有時(shí)稱(chēng)之為直接數(shù)字干涉度量學(xué)，在本領(lǐng)域技術(shù)人員中是眾所周知的。例如，圖1是一個(gè)簡(jiǎn)化實(shí)施例的DDH系統(tǒng)。來(lái)自激光源105的光被擴(kuò)束器/空間濾波器110擴(kuò)束后傳輸通過(guò)透鏡115。隨后，擴(kuò)展的濾波光束傳播到分束器120。分束器120可以是部分反射的。從分束器120反射的部分光構(gòu)成傳輸?shù)轿矬w130的物光束125。被物體130反射的部分物光束125傳輸通過(guò)分束器120并傳播到聚焦透鏡145。然后，這個(gè)光束傳輸通過(guò)聚焦透鏡145并傳播到電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)(未畫(huà)出)。
來(lái)自透鏡115并傳輸通過(guò)分束器120的部分光構(gòu)成參考光束135。參考光束135以很小角度從反射鏡140反射。然后，從反射鏡反射的參考光束135傳輸?shù)椒质?20。從分束器120反射的部分參考光束135傳輸通過(guò)聚焦透鏡145并傳播到CCD攝像機(jī)(未畫(huà)出)。來(lái)自聚焦透鏡145的物光束125和來(lái)自聚焦透鏡145的參考光束135構(gòu)成多個(gè)物波和參考波150并在CCD上發(fā)生干涉，從而產(chǎn)生全息圖的干涉圖形特征，如在U.S.Patent No.6,078,392中所描述的。
在圖1中，物光束125平行于光軸127并與光軸127重合。這種類(lèi)型DDH設(shè)置可以稱(chēng)之為同軸照明。
這種技術(shù)的限制是，DDH系統(tǒng)的成像分辨率是受系統(tǒng)光學(xué)元件的限制。光學(xué)元件中最顯著的限制是孔徑光闌，要求它防止因象差造成的圖像質(zhì)量退化。在二維傅里葉平面內(nèi)，僅僅可以傳輸半徑為q0圓內(nèi)的物體空間頻率。在同軸照明的情況下，半徑為q0的孔徑是以零空頻(q＝0)為中心。因此，我們需要這樣一種方法，它允許傳輸半徑為q0圓之外的空間頻率。

發(fā)明內(nèi)容
我們需要本發(fā)明以下的一些特征。當(dāng)然，本發(fā)明不限于這些特征。
按照本發(fā)明的一個(gè)特征，一種記錄包含傅里葉分析空間外差式條紋的離軸照明空間外差式全息圖的方法，包括從參考反射鏡以非垂直角反射參考光束；從物體以相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的角度反射物光束；聚焦參考光束和物光束到數(shù)字記錄儀的焦平面上以形成包含傅里葉分析空間外差式條紋的離軸照明空間外差式全息圖；數(shù)字記錄包含傅里葉分析空間外差式條紋的離軸照明空間外差式全息圖；在傅里葉空間中通過(guò)變換包含空間外差式條紋的記錄離軸照明空間外差式全息圖的軸到參考光束與物光束之間角度確定的外差式載波頻率上，傅里葉分析包含空間外差式條紋的記錄離軸照明空間外差式全息圖；應(yīng)用數(shù)字濾波器以切去原點(diǎn)周?chē)男盘?hào)；和完成傅里葉逆變換。
按照本發(fā)明的另一個(gè)特征，一種可以數(shù)字記錄包含傅里葉分析空間外差式條紋的離軸照明空間外差式全息圖的機(jī)器包括激光器；與激光器光耦合的分束器；與分束器光耦合的參考光束反射鏡；與參考光束反射鏡光耦合的聚焦透鏡；與聚焦透鏡光耦合的數(shù)字記錄儀；和完成傅里葉變換，應(yīng)用數(shù)字濾波器，和完成傅里葉逆變換的計(jì)算機(jī)，其中參考光束以非垂直角入射到參考光束反射鏡，物光束以相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的角度入射到物體上，參考光束和物光束是由聚焦透鏡聚焦到數(shù)字記錄儀的焦平面上以形成包含傅里葉分析空間外差式條紋的離軸照明空間外差式全息圖，全息圖是由數(shù)字記錄儀記錄，和在傅里葉空間中計(jì)算機(jī)變換包含空間外差式條紋的記錄離軸照明空間外差式全息圖的軸到參考光束與物光束之間角度確定的外差式載波頻率上；和在完成傅里葉逆變換之前去除原點(diǎn)周?chē)男盘?hào)。
在結(jié)合以下的描述和附圖的研究之后，可以更好地理解本發(fā)明的這些和其他特征。然而，應(yīng)當(dāng)明白，以下的描述說(shuō)明本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例和多個(gè)具體細(xì)節(jié)是通過(guò)舉例說(shuō)明而不是限制性的。在不偏離本發(fā)明精神的范圍內(nèi)，可以作許多替換，改動(dòng)，添加和/或調(diào)整，而本發(fā)明包括所有這些替換，改動(dòng)，添加和/或調(diào)整。


這個(gè)說(shuō)明書(shū)中的附圖和組成部分用于描述本發(fā)明的某些特征。參照附圖中說(shuō)明的典型和非限制性實(shí)施例，可以更好地明白本發(fā)明的概念以及本發(fā)明系統(tǒng)中的各個(gè)元件和操作，其中相同的參考數(shù)字表示相同的元件。參照這些附圖中的一個(gè)或多個(gè)附圖并結(jié)合此處給出的描述，可以更好地理解本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)注意，附圖中說(shuō)明的特征不一定是按比例畫(huà)出的。
圖1是標(biāo)記為“現(xiàn)有技術(shù)”的常規(guī)直接數(shù)字全息術(shù)設(shè)備的示意圖。
圖2是按照本發(fā)明實(shí)施例在同軸位置上離軸照明直接數(shù)字全息術(shù)設(shè)備(干涉儀)的示意圖。
圖3是在離軸位置上圖2所示離軸照明直接數(shù)字全息術(shù)設(shè)備(干涉儀)的示意圖。
圖4是按照本發(fā)明實(shí)施例的物體二維傅里葉平面，說(shuō)明一個(gè)是同軸照明和另一個(gè)是離軸照明。
圖5是按照本發(fā)明實(shí)施例的物體二維傅里葉平面，說(shuō)明一個(gè)是同軸照明和其他四個(gè)是離軸照明。
圖6是按照本發(fā)明實(shí)施例的物體二維傅里葉平面，說(shuō)明對(duì)融合頻譜(合并圖像)有貢獻(xiàn)的所有空間頻率。
圖7A-7F是按照本發(fā)明實(shí)施例從5個(gè)不同全息圖得到的離散傅里葉頻譜(7A-7E)和融合頻譜(7F)。
圖8是按照本發(fā)明實(shí)施例從同軸照明全息圖重構(gòu)的物體幅度。
圖9是按照本發(fā)明實(shí)施例從融合結(jié)果重構(gòu)的物體幅度。
圖10是按照本發(fā)明實(shí)施例的兩個(gè)孔徑W0(q)和Wk(q)相交區(qū)。
具體實(shí)施例方式
參照附圖中說(shuō)明的非限制性實(shí)施例和以下的詳細(xì)描述，可以更充分地解釋本發(fā)明及其各種特征和優(yōu)點(diǎn)。我們省略對(duì)已知原始材料，處理技術(shù)，元件和設(shè)備的描述，為的是不掩蓋本發(fā)明的細(xì)節(jié)。然而，應(yīng)當(dāng)明白，說(shuō)明本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述和具體例子僅僅是用于說(shuō)明而不是限制性的，在不偏離本發(fā)明精神和/或范圍內(nèi)，本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員顯然可以根據(jù)這個(gè)公開(kāi)內(nèi)容作出各種替換，改動(dòng)，添加和/或重新安排。
在這個(gè)申請(qǐng)中，可以參照括號(hào)內(nèi)阿拉伯?dāng)?shù)字指出的幾個(gè)出版物。在說(shuō)明書(shū)結(jié)尾和在參考文獻(xiàn)標(biāo)題之后的權(quán)利要求書(shū)之前，可以找到引用的這些和其他出版物。完整地公開(kāi)這些出版物可以作為參考，為的是指出本發(fā)明的背景和現(xiàn)有技術(shù)的狀態(tài)。
一般地說(shuō)，本發(fā)明的范圍可以包括得到，存儲(chǔ)和/或重顯數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。本發(fā)明的范圍可以包括處理表示圖像的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。本發(fā)明的范圍還可以包括把多個(gè)圖像的數(shù)據(jù)變換成合并的圖像。
本發(fā)明可以包括一種利用離軸照明從直接數(shù)字全息術(shù)系統(tǒng)中獲得提高分辨率全息成像的方法。本發(fā)明還可以包括一種利用離軸照明的直接數(shù)字全息術(shù)(DDH)系統(tǒng)獲得提高分辨率全息成像的設(shè)備。
一般地說(shuō)，被觀察(成像)的物體經(jīng)一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件光耦合到照明光源。如參照?qǐng)D1所討論的，照明光束通常沿著并平行于光軸傳輸通過(guò)目標(biāo)物鏡(即，透鏡系統(tǒng))的中心。這種類(lèi)型DDH配置可以稱(chēng)之為“同軸照明”，并允許獲得的物體空間頻率(q)高達(dá)由物鏡孔徑確定的某個(gè)限制(q0)。
本發(fā)明可以包括“離軸照明”方案，其中照明光源是橫向放置，使光束偏心傳輸通過(guò)物鏡，但仍然平行于光軸。由于物鏡的聚焦效應(yīng)，這種照明光束以與光軸的某個(gè)角度入射到物體上。由于這種離軸照明，較同軸照明高的物體空間頻率(q＞q0)可以傳輸通過(guò)物鏡孔徑，因此可以被觀察到。這是本發(fā)明的重大優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明可以包括適合于數(shù)字捕獲相同物體的同軸和一個(gè)或多個(gè)離軸照明全息圖的擴(kuò)充DDH系統(tǒng)(設(shè)備)。本發(fā)明還可以包括分析和/或處理(融合)數(shù)字捕獲數(shù)據(jù)。得到的融合圖像包含比任何原始全息圖更大范圍的空間頻率，與沒(méi)有離軸照明數(shù)據(jù)的情況比較，可以大大提高系統(tǒng)的標(biāo)稱(chēng)成像分辨率。
如上所述，基本DDH系統(tǒng)的成像分辨率是受光學(xué)元件的限制，特別是受孔徑光闌的限制，要求它防止因象差引起圖像的質(zhì)量退化。要求孔徑光闌防止較高頻率的混疊和成像質(zhì)量的退化。這意味著DDH系統(tǒng)的光學(xué)元件是這樣的，僅僅可以發(fā)射半徑q0圓內(nèi)的物體空間頻率。在同軸照明的情況下，半徑q0的孔徑是以零空頻(q＝0)為中心。在離軸照明的情況下，半徑q0的孔徑在頻率域中發(fā)生位移(例如，向左位移)。這意味著在孔徑位移的方向上，可以發(fā)射q＞q0的空間頻率。在下側(cè)，q接近于q0的一些空間頻率在相反方向上“失去”。利用沿相反方向位移照明獲得第二圖像，孔徑出現(xiàn)位移(例如，向右位移)，因此，從第一圖像中重新得到“失去”的空間頻率，具有超出q0的附加頻率。融合兩個(gè)圖像的信息可以得到有較高分辨率的一個(gè)圖像。由于DDH記錄復(fù)圖像波上的相位信息，可以融合來(lái)自?xún)蓚€(gè)(或多個(gè))圖像的信息具有特別有利的結(jié)果。本發(fā)明可以提高與取向無(wú)關(guān)的一般物體結(jié)構(gòu)分辨率。
本發(fā)明可以包括擴(kuò)展的基本DDH系統(tǒng)，自動(dòng)地捕獲同軸和離軸照明的全息圖。本發(fā)明還可以包括分析和融合這些全息圖結(jié)果的方法，產(chǎn)生高于現(xiàn)有DDH技術(shù)中所獲得被觀察物體的空間分辨率。
從圖1中可以看出，物光束125平行于光軸127。如上所述，這種設(shè)置可以稱(chēng)之為同軸照明。另一方面，離軸照明是指這種情況，其中物光束125以相對(duì)于光軸127的某個(gè)角度入射到物體130上(例如，圖3中所示的物光束215，305)。實(shí)現(xiàn)離軸照明有許多方法；此處給出的方法僅僅是代表性的，所以，它是非限制性例子。
參照?qǐng)D2和3，它表示離軸照明DDH設(shè)備的實(shí)施例。在圖2和3中，與圖1比較有兩個(gè)主要的改動(dòng)。第一個(gè)改動(dòng)是，激光源105，分束器/空間濾波器110，和透鏡115組合成計(jì)算機(jī)控制、可移動(dòng)的閉合體205。閉合體205可以沿基本平行于光軸127的軸移動(dòng)。更詳細(xì)地說(shuō)，閉合體205可以沿與分束器120法線(xiàn)基本共面的軸移動(dòng)。
仍然參照?qǐng)D2和3，第二個(gè)改動(dòng)是添加物鏡210。在圖2中，激光源閉合體205的位置使物光束125從分束器120反射后通過(guò)物鏡210的中心。然后，物光束125離開(kāi)物鏡210并入射到以光軸127為中心的物體130上。在這種配置中，實(shí)現(xiàn)同軸照明，和圖2中的系統(tǒng)與圖1中的系統(tǒng)基本相同。
然而，在圖3中，激光源閉合體205發(fā)生位移(在這個(gè)具體配置中是向上位移)，使物光束125偏心通過(guò)物鏡210。當(dāng)然，激光源閉合體205也可以向下發(fā)生位移。由于物鏡210的聚焦性質(zhì)，離開(kāi)物鏡210的物光束215以相對(duì)于光軸127的某個(gè)角度入射到物體130上，從而實(shí)現(xiàn)離軸照明。因此，物光束215能夠與光軸127基本不平行的方向入射到物體130上。從物體反射的物光束305離軸通過(guò)物鏡210，但由于物鏡210和聚焦透鏡150的聚焦性質(zhì)，物光束仍然聚焦到CCD上(未畫(huà)出)。在離軸照明的情況下，衍射性質(zhì)(1)意味著，物光束305與參考光束135干涉形成的全息圖保留利用同軸照明不能觀察到物體的一些空間頻率。
因此，本發(fā)明可以包括這樣一種設(shè)備，它能夠數(shù)字記錄包含傅里葉分析空間外差式條紋的空間外差式全息圖，包括激光器；與激光器光耦合的分束器；與分束器光耦合的參考光束反射鏡；與分束器光耦合的物體；與參考光束反射鏡和物體光耦合的聚焦透鏡；與聚焦透鏡光耦合的數(shù)字記錄儀；和完成傅里葉變換，應(yīng)用數(shù)字濾波器，和完成傅里葉逆變換的計(jì)算機(jī)，其中參考光束以非垂直角入射到參考光束反射鏡，物光束以相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的角度入射到物體上，構(gòu)成多個(gè)同時(shí)參考波和物波的參考光束和物光束是由聚焦透鏡聚焦到數(shù)字記錄儀的焦平面上以形成包含傅里葉分析空間外差式條紋的空間外差式全息圖，全息圖是由數(shù)字記錄儀記錄，和在傅里葉空間中計(jì)算機(jī)變換包含空間外差式條紋的記錄空間外差式全息圖的軸到參考光束與物光束之間角度確定的外差式載波頻率上，和在完成傅里葉逆變換之前去除原點(diǎn)周?chē)男盘?hào)。該設(shè)備可以包括分束器與物體之間光耦合的物鏡。該設(shè)備可以包括物體與聚焦透鏡之間耦合的孔徑光闌。分束器，參考光束反射鏡和數(shù)字記錄儀可以確定Michelson幾何結(jié)構(gòu)。分束器，參考光束反射鏡和數(shù)字記錄儀可以確定Mach-Zehner幾何結(jié)構(gòu)。該設(shè)備還可以包括與計(jì)算機(jī)耦合的數(shù)字存儲(chǔ)媒體，該計(jì)算機(jī)完成傅里葉變換，應(yīng)用數(shù)字濾波器，和完成傅里葉逆變換。數(shù)字記錄儀可以包括確定像素的CCD攝像機(jī)350。該設(shè)備可以包括激光器與分束器之間光耦合的擴(kuò)束器/空間濾波器230?？梢赃x取參考光束與物光束之間的角度和聚焦透鏡提供的放大倍數(shù)，為了使數(shù)字記錄儀可以分辨包含傅里葉分析空間外差式條紋的空間外差式全息圖的特征。因此，數(shù)字記錄儀可以分辨特征和可以提供兩種條紋，每種條紋有每條紋兩個(gè)像素。本發(fā)明可以包括利用上述設(shè)備制作的空間外差式全息圖，它包含在計(jì)算機(jī)可讀媒體上。
所以，本發(fā)明可以包括一種記錄包含傅里葉分析空間外差式條紋的空間外差式全息圖的方法，包括把激光束分割成參考光束和物光束；從參考反射鏡以非垂直角反射參考光束；從物體以相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的角度反射物光束；利用聚焦透鏡聚焦構(gòu)成多個(gè)同時(shí)參考波和物波的參考光束和物光束到數(shù)字記錄儀的焦平面上以形成包含傅里葉分析空間外差式條紋的空間外差式全息圖；數(shù)字記錄包含傅里葉分析空間外差式條紋的空間外差式全息圖；在傅里葉空間中通過(guò)變換包含空間外差式條紋的記錄空間外差式全息圖的軸到參考光束與物光束之間角度確定的外差式載波頻率上，傅里葉分析包含空間外差式條紋的記錄空間外差式全息圖；應(yīng)用數(shù)字濾波器以去除原點(diǎn)周?chē)男盘?hào)；和完成傅里葉逆變換。該方法可以包括在從物體以相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的角度反射物光束之前和從物體以相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的角度反射物光束之后，利用物鏡折射物光束。變換記錄空間外差式全息圖軸的步驟可以包括利用擴(kuò)展傅里葉變換進(jìn)行變換。數(shù)字記錄的步驟可以包括利用確定像素的CCD攝像機(jī)檢測(cè)光束。離軸照明空間外差式全息圖可以是離軸照明空間低頻外差式全息圖；詞語(yǔ)低頻的意思是，基本的條紋空間頻率在Nyquist取樣限制頻率以下。該方法還可以包括存儲(chǔ)包含傅里葉分析空間外差式條紋的空間外差式全息圖作為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。該方法還可以包括重顯傅里葉分析空間外差式全息圖。該方法還可以包括發(fā)射傅里葉分析空間外差式全息圖。本發(fā)明可以包括利用上述方法制備的空間外差式全息圖，它包含在計(jì)算機(jī)可讀媒體上。
融合方法參照?qǐng)D4，它表示假想物體的二維傅里葉平面，該物體的零頻率405是在中心。物體的零頻率405對(duì)應(yīng)于全息圖中的外差頻率或載波頻率。物體的全部空頻是用填充圓410表示。同軸照明僅捕獲實(shí)線(xiàn)圓415指出的那些頻率。然而，一種情況的離軸照明可以捕獲虛線(xiàn)圓420指出的那些頻率。其他一些情況的離軸照明可以捕獲其他的物體頻譜區(qū)410。
圖2和3所示的DDH設(shè)備可用于捕獲和存儲(chǔ)相同物體區(qū)的多個(gè)全息圖，包括同軸照明和離軸照明全息圖。知道每個(gè)這種全息圖包含物體不同空間頻率的信息，以下詳細(xì)討論用于分析這些全息圖和計(jì)算單個(gè)重構(gòu)圖像的方法。重構(gòu)圖像可以包含全部觀察到的空間頻率，因此，與任何單個(gè)記錄圖像比較，它可以提供非常高分辨率的圖像。此處給出的方法是代表性的例子，并不排除各種擴(kuò)展，改動(dòng)或其他的方法。
本發(fā)明可以包括捕獲(數(shù)字采集)k個(gè)(k＝0，...N)全息圖。圖5表示一組全息圖中每個(gè)全息圖包含的空間頻率，其中N＝4。類(lèi)似于圖4，圖5代表零頻率505是在中心點(diǎn)的物體傅里葉平面。實(shí)線(xiàn)圓510代表利用同軸照明觀察到的空間頻率，而虛線(xiàn)圓515，520，525，530代表利用4個(gè)不同離軸照明全息圖觀察到的空間頻率。合適地融合所有5個(gè)全息圖的信息，可以有效地提高DDH系統(tǒng)的分辨率(即，帶寬)，而圖6中陰影區(qū)610指出的所有空間頻率對(duì)最終的圖像有貢獻(xiàn)。
在傅里葉域中，設(shè)物體的真正頻譜是由F(q)表示。每個(gè)全息圖觀察到的部分F(q)(F(q)的區(qū)域)，Gk(q)，是由以下公式給出，Gk(q)＝μkexp(jγk)·F(q)Wk(q) (1)其中μk和γk分別是全息圖k的條紋對(duì)比度和相位偏移，和j是-1的平方根。
本發(fā)明可以包括歸一化和/或補(bǔ)償各種條紋對(duì)比度。以下描述一種條紋對(duì)比度歸一化的方法。首先，我們注意到Gk(q)代表一個(gè)獲取物波(或圖像)gk(x)的傅里葉變換 其中 表示傅里葉變換運(yùn)算?，F(xiàn)在，我們定義兩個(gè)附加的圖像， 和 其中k＝1，...，N并假設(shè)k＝0是參考圖像，和 表示傅里葉逆變換運(yùn)算。僅僅保持與gk(x)和參考圖像g0(x)共同頻率的gk(x)，可以構(gòu)造圖像gk，0(x)。類(lèi)似地，圖像g0，k(x)僅包含與g0(x)和參考圖像gk(x)共同頻率的g0(x)。這些共同頻率可以看成是圖10中所示兩個(gè)孔徑W0(q)和Wk(q)的相交部分。一旦構(gòu)造了gk，0(x)和g0，k(x)，可以計(jì)算圖像比χk(x)χk(x)=gk,0(x)g0,k(x)≈μkexp(jγk)μ0exp(jγ0)---(5)]]>在計(jì)算圖像比之后，可以估算相對(duì)的條紋對(duì)比度μk/μ0作為圖像比χk(x)幅度的樣本平均值μkμ0≈1PΣi=1P|χk(xi)|---(6)]]>其中P是(數(shù)字化)圖像比中像素的總數(shù)，而|χk(xi)|代表單個(gè)像素位置上圖像比的幅度。
本發(fā)明可以包括歸一化和/或補(bǔ)償相位偏移。一種相位偏移歸一化的方法是計(jì)算上述相同圖像比的條紋對(duì)比度歸一化。于是，可以計(jì)算相對(duì)的相位偏移exp(j(γk-γ0))作為圖像比χk(x)相位的(加權(quán))樣本平均值exp(j(γk-γ0))≈1PΣi=1Pαk(xi)∠χk(xi)---(7)]]>其中∠χk(xi)是單個(gè)像素位置上(數(shù)字化)圖像比的相位(角)，且其中αk(xi)是權(quán)重因子。在最直接的實(shí)施例中，權(quán)重因子總是等于1。在其他的實(shí)施例中，權(quán)重因子可以與計(jì)算圖像比所用的各個(gè)圖像幅度有關(guān)。這可能是有用的，因?yàn)橄辔粩?shù)據(jù)在幅度很小時(shí)往往是不準(zhǔn)確的。一個(gè)計(jì)算權(quán)重因子的實(shí)施例是Σi=1P|gk(xi)||g0(xi)|Σn=1P|gk(xn)||g0(xn)|---(8)]]>還可以采用類(lèi)似動(dòng)機(jī)的權(quán)重因子。以下描述另一種相位偏移的估算方法。相位偏移往往是由確定載波頻率的誤差造成的。在這種狀態(tài)下，圖像比的相位偏移具有以下的形式∠χk(x)＝exp(j(e1x1+e2x2+γk)) (9)其中e1和e2是與找到載波頻率的誤差有關(guān)。在這種情況下，必須找到γk及e1和e2。以上的公式可以寫(xiě)成以下的形式∠χk(x)＝cos(e1x1+e2x2+γk)+jsin(e1x1+e2x2+γk)(10)可以把實(shí)部和虛部考慮成二維矢量中獨(dú)立的單元。
Re{∠χk(x)}Im{∠χk(x)}≈cos(e1x1+e2x2+γk)sin(e1x1+e2x2+γk)---(11)]]>利用任何標(biāo)準(zhǔn)的非線(xiàn)性?xún)?yōu)化技術(shù)，根據(jù)觀察(以上公式的左邊)可以估算上述公式中右邊的三個(gè)參數(shù)，即，e1，e2，和γk。
因此，在條紋對(duì)比度和相位偏移歸一化之后，全息圖k中觀察到頻譜公式可以簡(jiǎn)化成Gk(q)＝F(q)Wk(q)(12)在以上的公式中，Wk(q)基本上是代表全息圖k中觀察到頻譜區(qū)的窗函數(shù)。作為一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，圖5中的窗函數(shù)在各個(gè)圓510，515，520，525，530內(nèi)等于1和在圓外等于0。在較復(fù)雜的實(shí)施例中，窗函數(shù)可以是利用圓對(duì)稱(chēng)Butterworth函數(shù)的模型。
Wk(q)=1(1+(q1-c1)2+(q2-c2)2r)2m---(13)]]>其中q1和q2代表矢量q的水平和空間頻率變量，c1和c2代表傅里葉平面上該函數(shù)的中心點(diǎn)，r代表該函數(shù)的半徑，和m是濾波器級(jí)次。
融合方法的目的是根據(jù)觀察值Gk(q)形成F(q)的估算值。一種估算F(q)的方法是采用基于最小平均平方誤差準(zhǔn)則的線(xiàn)性估算函數(shù)；這是熟知的線(xiàn)性最小平均平方誤差(LMMSE)估算函數(shù)。利用線(xiàn)性估算函數(shù)，F(xiàn)(q)的估算值是由以下公式給出，其中q代表離散傅里葉域中的樣本，F(xiàn)^(q)=Σk=0Nβk(q)Gk(q)---(14)]]>其中LMMSE準(zhǔn)則確定的系數(shù)是由以下的公式給出βk(q)Wk(q)Σk=0NWk2(q)+c(q)---(15)]]>其中c(q)是代表整勻化參數(shù)的正數(shù)，它的選擇取決于系統(tǒng)的特性。這個(gè)整勻化參數(shù)用于補(bǔ)償系統(tǒng)噪聲。在理想的零噪聲情況下，c(q)可以設(shè)定為零，F(xiàn)(q)的估算值在此情況下簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的平均值。實(shí)際上，這種技術(shù)在融合圖像中產(chǎn)生多余的瑕疵。最直接的方法是基于實(shí)驗(yàn)觀察值對(duì)所有的q設(shè)定c(q)為某個(gè)常數(shù)。在較復(fù)雜的方法中，c(q)的設(shè)定可以基于觀察全息圖和圖像的一些計(jì)算分析(c(q)是常數(shù)或隨q變化)。專(zhuān)業(yè)人員可以設(shè)計(jì)用于計(jì)算整勻化參數(shù)的各種方法。
簡(jiǎn)單平均或LMMSE估算或許是計(jì)算融合圖像的最直接方法。圖像處理技術(shù)專(zhuān)業(yè)人員熟知的一些計(jì)算算融合圖像的優(yōu)化準(zhǔn)則可能包括最大似然率(ML)估計(jì)，最大后驗(yàn)(MAP)估計(jì)，和/或總最小二乘方(TLS)估計(jì)。請(qǐng)注意，這些例子并不代表所有的估計(jì)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖7表示根據(jù)5個(gè)不同全息圖得到的離散傅里葉頻譜。第一個(gè)圖像705對(duì)應(yīng)于同軸照明，而圖像710，715，720，和725對(duì)應(yīng)于各種離軸照明條件。利用上述的融合方法制作圖像730中所示的融合頻譜。圖8表示僅根據(jù)同軸照明全息圖重構(gòu)的物體幅度。圖9表示根據(jù)融合結(jié)果重構(gòu)的物體幅度。需要注意的是，由于融合結(jié)果使分辨率提高，圖9中的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是很明顯的(在圖8中沒(méi)有這種網(wǎng)格結(jié)構(gòu))。
公開(kāi)的實(shí)施例說(shuō)明計(jì)算機(jī)控制的可移動(dòng)閉合體作為完成對(duì)準(zhǔn)光源，擴(kuò)束器/空間濾波器和透鏡功能的結(jié)構(gòu)，它使物光束同心或偏心傳輸通過(guò)物鏡，但用于完成對(duì)準(zhǔn)光源，擴(kuò)束器/空間濾波器和透鏡功能的結(jié)構(gòu)可以是能夠完成對(duì)準(zhǔn)物光束功能的任何其他結(jié)構(gòu)，它使物光束同心或偏心傳輸通過(guò)物鏡，例如，相對(duì)于光源，擴(kuò)束器/空間濾波器和透鏡，可以移動(dòng)分束器，反射鏡，物鏡，物體，聚焦透鏡和CCD攝像機(jī)的可移動(dòng)平臺(tái)，或一系列可移動(dòng)光學(xué)元件(例如，反射鏡)，或柔性光纖和/或光纜。
此處所用的詞語(yǔ)“一個(gè)”定義為一個(gè)或多于一個(gè)。此處所用的詞語(yǔ)“多個(gè)”定義為兩個(gè)或多于兩個(gè)。此處所用的詞語(yǔ)“另一個(gè)”定義為至少第二個(gè)或多于第二個(gè)。此處所用的詞語(yǔ)“包含和/或有”定義為包括(即，開(kāi)放語(yǔ)言)。此處所用的詞語(yǔ)“耦合”定義為連接，雖然不必是直接連接，也不必是機(jī)械連接。此處所用的詞語(yǔ)“近似”定義為至少接近于給定值(例如，較好是在10％內(nèi)，更好的是在1％內(nèi)，最好是在0.1％內(nèi))。此處所用的詞語(yǔ)“基本上”定義為大部分，但不必是它的全部。此處所用的詞語(yǔ)“一般”定義為至少接近于給定的狀態(tài)。此處所用的詞語(yǔ)“部署”定義為設(shè)計(jì)，建造，運(yùn)輸，安裝和/或操作。此處所用的詞語(yǔ)“裝置”定義為獲得某個(gè)結(jié)果所用的硬件，固件和/或軟件。此處所用的詞語(yǔ)“程序”或“計(jì)算機(jī)程序”定義為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上執(zhí)行設(shè)計(jì)的一系列指令?！俺绦颉被颉坝?jì)算機(jī)程序”可以包括計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上執(zhí)行設(shè)計(jì)的子程序，函數(shù)，過(guò)程，目標(biāo)方法，目標(biāo)實(shí)施方案，可執(zhí)行應(yīng)用程序，小應(yīng)用程序，小服務(wù)程序，源代碼，目標(biāo)代碼，共享程序庫(kù)/動(dòng)態(tài)負(fù)載庫(kù)和/或其他的指令系列。此處所用的詞語(yǔ)“低頻”定義為Nyquist取樣限制以下的基本條紋空間頻率。
本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用在技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的價(jià)值是計(jì)量學(xué)。本發(fā)明可以與微電子(機(jī)械)制造相結(jié)合，例如，半導(dǎo)體檢驗(yàn)。本發(fā)明還可以與納米技術(shù)的研究，開(kāi)發(fā)和制造相結(jié)合，例如，納米可視化，納米測(cè)量等。本發(fā)明還可以用于數(shù)字處理和/或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集的干涉儀環(huán)境下，例如，基于電子全息術(shù)的直接數(shù)字全息術(shù)工具。實(shí)際上，本發(fā)明有無(wú)數(shù)的應(yīng)用，此處不必一一列舉。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)至少有下列的幾個(gè)理由，代表本發(fā)明實(shí)施例的方法，設(shè)備和/或計(jì)算機(jī)程序是費(fèi)用低廉和有利的。本發(fā)明可以提供計(jì)算機(jī)控制的物體照明。本發(fā)明可以融合多個(gè)全息圖的結(jié)果。本發(fā)明可以大大提高成像分辨率。與以前的方法比較，本發(fā)明可以提高質(zhì)量和/或降低成本。
在沒(méi)有不適當(dāng)試驗(yàn)的情況下，按照公開(kāi)的內(nèi)容，可以制成和利用此處公開(kāi)的所有本發(fā)明實(shí)施例。本發(fā)明不限于此處敘述的理論說(shuō)明。雖然我們公開(kāi)了本發(fā)明者設(shè)想實(shí)施本發(fā)明的最佳模式，但本發(fā)明的實(shí)踐不受此限制。所以，專(zhuān)業(yè)人員可以理解，本發(fā)明可以在此處具體描述的條件之外實(shí)現(xiàn)。
此外，各個(gè)元件不必組合在所公開(kāi)的配置中，而可以組合成幾乎各種配置。此外，對(duì)此處描述方法中的步驟或系列步驟可以作改動(dòng)。此外，雖然此處描述的設(shè)備可以是單獨(dú)的模塊，顯而易見(jiàn)，這些設(shè)備可以集成到與它相關(guān)的系統(tǒng)中。此外，每個(gè)公開(kāi)實(shí)施例中所有公開(kāi)的單元和特征可以與每個(gè)其他公開(kāi)實(shí)施例中公開(kāi)的單元和特征進(jìn)行組合，除了這些單元或特征是互相排斥的。
顯而易見(jiàn)，在不偏離本發(fā)明概念的精神和/或范圍的條件下，各種替換，改動(dòng)，添加和/或重新安排是可能的。我們認(rèn)為，所附權(quán)利要求書(shū)及其相當(dāng)內(nèi)容限定本發(fā)明概念的精神和/或范圍覆蓋所有這些替換，改動(dòng)，添加和/或重新安排。
所附的權(quán)利要求書(shū)不應(yīng)當(dāng)解釋成包含裝置加功能的限制，除非這種限制是在利用詞語(yǔ)“裝置”和/或“步驟”的給定權(quán)利要求中明確地?cái)⑹鲞^(guò)。本發(fā)明的亞屬實(shí)施例是在所附獨(dú)立權(quán)利及其相當(dāng)內(nèi)容中描述。所附的從屬權(quán)利要求及其相當(dāng)內(nèi)容可以區(qū)分本發(fā)明的具體實(shí)施例。
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權(quán)利要求
1.一種記錄包含傅里葉分析空間外差式條紋的離軸照明空間外差式全息圖的方法，包括從參考反射鏡以非垂直角反射參考光束；從物體以相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的角度反射物光束；聚焦參考光束和物光束到數(shù)字記錄儀的焦平面上以形成包含傅里葉分析空間外差式條紋的離軸照明空間外差式全息圖；數(shù)字記錄包含傅里葉分析空間外差式條紋的離軸照明空間外差式全息圖；在傅里葉空間中通過(guò)變換包含空間外差式條紋的記錄離軸照明空間外差式全息圖的軸到參考光束與物光束之間角度確定的外差式載波頻率上，傅里葉分析包含空間外差式條紋的記錄離軸照明空間外差式全息圖；應(yīng)用數(shù)字濾波器以去除原點(diǎn)周?chē)男盘?hào)；和完成傅里葉逆變換。
2.按照權(quán)利要求1的方法，還包括在從物體以相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的角度反射物光束之前，利用物鏡折射物光束；和在從物體以相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的角度反射物光束之后，利用物鏡折射物光束。
3.按照權(quán)利要求1的方法，還包括融合離軸照明空間外差式全息圖與從同軸照明空間外差式全息圖和另一個(gè)離軸照明空間外差式全息圖中至少選取的一個(gè)全息圖以計(jì)算單個(gè)重構(gòu)圖像。
4.按照權(quán)利要求1的方法，其中離軸照明空間外差式全息圖是離軸照明空間低頻外差式全息圖。
5.按照權(quán)利要求1的方法，其中利用離軸照明空間外差式全息圖觀察的物體真正頻譜區(qū)是用以下公式表示Gk(q)＝μkexp(jγk)·F(q)Wk(q)其中q可以代表離散傅里葉域中的樣本或連續(xù)傅里葉平面上的坐標(biāo)矢量，μk和γk分別是離軸照明空間外差式全息圖k的條紋對(duì)比度和相位偏移，Wk(q)是代表離軸照明空間外差式全息圖k觀察頻譜區(qū)的窗函數(shù)，F(xiàn)(q)是物體的真正頻譜，和j是-1的平方根。
6.按照權(quán)利要求5的方法，其中Wk(q)的模型是圓對(duì)稱(chēng)Butterworth函數(shù)。
7.按照權(quán)利要求1的方法，還包括融合離軸照明空間外差式全息圖與從同軸照明空間外差式全息圖和另一個(gè)離軸照明空間外差式全息圖中選取的至少一個(gè)全息圖以計(jì)算單個(gè)重構(gòu)圖像，其中利用選自離軸照明空間外差式全息圖和同軸照明空間外差式全息圖中的全息圖k觀察物體的真正頻譜區(qū)是用以下公式表示Gk(q)＝μkexp(jγk)·F(q)Wk(q)其中q代表離散傅里葉域中的樣本，μk和γk分別是全息圖k的條紋對(duì)比度和相位偏移，Wk(q)是代表全息圖k觀察頻譜區(qū)的窗函數(shù)，F(xiàn)(q)是物體的真正頻譜，和j是-1的平方根，和計(jì)算單個(gè)重構(gòu)圖像的估算值是用以下公式表示F^(q)=Σk=0Nβk(q)Gk(q)]]>其中βk(q)Wk(q)Σk=0NWk2(q)+c(q)]]>其中c(q)代表整勻化參數(shù)。
8.按照權(quán)利要求1的方法，其中利用離軸照明空間外差式全息圖觀察的物體真正頻譜區(qū)是用以下公式表示Gk(q)＝F(q)W(q)其中q代表離散傅里葉域中的樣本，Wk(q)是代表利用離軸照明空間外差式全息圖k觀察頻譜區(qū)的窗函數(shù)，和F(q)是物體的真正頻譜。
9.按照權(quán)利要求8的方法，其中Wk(q)是一個(gè)函數(shù)，它至少是部分的Butterworth濾波器。
10.按照權(quán)利要求1的方法，還包括融合離軸照明空間外差式全息圖與從同軸照明空間外差式全息圖和另一個(gè)離軸照明空間外差式全息圖中選取的至少一個(gè)全息圖以計(jì)算單個(gè)重構(gòu)圖像，其中利用選自離軸照明空間外差式全息圖和同軸照明空間外差式全息圖中的全息圖k觀察物體真正頻譜區(qū)是用以下公式表示Gk(q)＝F(q)W(q)其中q代表離散傅里葉域中的樣本，Wk(q)是代表全息圖k觀察頻譜區(qū)的窗函數(shù)，和F(q)是物體的真正頻譜，和計(jì)算單個(gè)重構(gòu)圖像的估算值是用以下公式表示F^(q)=Σk=0Nβk(q)Gk(q)]]>其中βk(q)Wk(q)Σk=0NWk2(q)+c(q)]]>其中c(q)代表整勻化參數(shù)。
11.按照權(quán)利要求1的方法，其中數(shù)字記錄的步驟包括利用確定像素的CCD攝像機(jī)檢測(cè)光束。
12.按照權(quán)利要求1的方法，還包括存儲(chǔ)包含傅里葉分析空間外差式條紋的離軸照明空間外差式全息圖作為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
13.按照權(quán)利要求1的方法，還包括重顯傅里葉分析的離軸照明空間外差式全息圖。
14.按照權(quán)利要求1的方法，還包括發(fā)射傅里葉分析的離軸照明空間外差式全息圖。
15.一種計(jì)算機(jī)程序，包括可平移的計(jì)算機(jī)或機(jī)器可讀程序單元，用于執(zhí)行按照權(quán)利要求1的方法。
16.一種機(jī)器可讀媒體，包含按照權(quán)利要求1方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。
17.一種可以數(shù)字記錄含傅里葉分析空間外差式條紋的離軸照明空間外差式全息圖的設(shè)備，包括激光器；與激光器光耦合的分束器；與分束器光耦合的參考光束反射鏡；與參考光束反射鏡光耦合的聚焦透鏡；與聚焦透鏡光耦合的數(shù)字記錄儀；和完成傅里葉變換，應(yīng)用數(shù)字濾波器，和完成傅里葉逆變換的計(jì)算機(jī)，其中參考光束以非垂直角入射到參考光束反射鏡；物光束以相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的角度入射到物體上；參考光束和物光束是由聚焦透鏡聚焦到數(shù)字記錄儀的焦平面上以形成包含傅里葉分析空間外差式條紋的離軸照明空間外差式全息圖，全息圖是由數(shù)字記錄儀記錄；和在傅里葉空間中通過(guò)計(jì)算機(jī)變換包含空間外差式條紋的記錄離軸照明空間外差式全息圖的軸到參考光束與物光束之間角度確定的外差式載波頻率上；和在完成傅里葉逆變換之前去除原點(diǎn)周?chē)男盘?hào)。
18.按照權(quán)利要求17的設(shè)備，還包括分束器與物體之間光耦合的物鏡。
19.按照權(quán)利要求17的設(shè)備，其中激光器可以相對(duì)于分束器移動(dòng)。
20.按照權(quán)利要求17的設(shè)備，其中分束器，參考光束反射鏡和數(shù)字記錄儀確定Michelson幾何結(jié)構(gòu)。
21.按照權(quán)利要求17的設(shè)備，其中分束器，參考光束反射鏡和數(shù)字記錄儀確定Mach-Zehner幾何結(jié)構(gòu)。
22.按照權(quán)利要求17的設(shè)備，還包括與計(jì)算機(jī)耦合的數(shù)字存儲(chǔ)媒體，該計(jì)算機(jī)完成傅里葉變換，應(yīng)用數(shù)字濾波器，和完成傅里葉逆變換。
23.按照權(quán)利要求17的設(shè)備，其中數(shù)字記錄儀包括確定像素的CCD攝像機(jī)。
24.按照權(quán)利要求23的設(shè)備，其中選取參考光束與物光束之間角度，和聚焦透鏡提供的放大倍數(shù)，為了使數(shù)字記錄儀可以分辨包含傅里葉分析空間外差式條紋的離軸照明空間外差式全息圖的特征，和提供兩種條紋，每種條紋有每條紋兩個(gè)像素。
25.一種機(jī)器可讀媒體，它包括利用按照權(quán)利要求17的設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。
全文摘要
我們描述離軸照明直接數(shù)字全息術(shù)的系統(tǒng)和方法。一種記錄包含傅里葉分析空間外差式條紋的離軸照明空間外差式全息圖的方法，包括從參考反射鏡以非垂直角反射參考光束；從物體以相對(duì)于聚焦透鏡確定光軸的角度反射物光束；聚焦參考光束和物光束到數(shù)字記錄儀的焦平面上以形成包含傅里葉分析空間外差式條紋的離軸照明空間外差式全息圖；數(shù)字記錄包含傅里葉分析空間外差式條紋的離軸照明空間外差式全息圖；在傅里葉空間中通過(guò)變換包含空間外差式條紋的記錄離軸照明空間外差式全息圖的軸到參考光束與物光束之間角度確定的外差式載波頻率上，傅里葉分析包含空間外差式條紋的記錄離軸照明空間外差式全息圖；應(yīng)用數(shù)字濾波器以切去原點(diǎn)周?chē)男盘?hào)；和完成傅里葉逆變換。
文檔編號(hào)G01B9/021GK1688944SQ03823808
公開(kāi)日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2003年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月3日
發(fā)明者克萊倫斯·E.·托馬斯, 杰弗利·R.·普萊斯, 艾德格·沃爾科爾, 格里高利·R.·漢森 申請(qǐng)人:Ut-巴特勒有限責(zé)任公司