文摘

非相干光,生活中常见的光源,可以有效地避免问题,如散射噪声引起的非相干光成像光学组件,并通过光路的设计也可以触发干扰和全息成像的对象,允许全息术中使用多个字段。出现了各种技术来记录全息图利用非相干光源技术开发了。录音方法提出了利用对象波信息之间的相关性和菲涅耳带表实现非相干全息图记录。利用空间光调制器(SLM)装载bit-phase面具与多路复用镜头功能,入射光的波场相位调制实现衍射光谱和移相。和全息图可以获得不同的相移,结合移相技术来消除双图像的影响引起的同轴全息术在繁殖过程。基于这种非相干全息成像系统的研究,影响系统的主要组件的特点和相应的参数记录和再现全息图的分辨率了,和优化方法给出了理论和实验研究。芬奇成像系统的实证分析。观察到的光路设计,并做出bit-phase面具加载的方法提出了一种空间光调制器。焦距的效果和记录距离上的位错面具解决系统进行计算机仿真和实验操作。

1。介绍

随着科学技术的不断进步,人们的要求光学成像技术和成像系统增加了。成像分辨率的提高已经成为现代科学研究的一个重要问题。全息术的发展极大地促进了激光的出现在1960年。高度一致的激光光源的性质产生的干扰效果,显著提高全息图的质量。激光的出现提高了全息术但有限的应用的质量。

另一方面,它被发现在非相干光源照明条件。非相干全息术的出现已经适应了全息成像技术的发展,扩大应用领域和释放它从高相干光源的要求。全息成像的结果两个光束之间的干涉效应,它可以记录物体的振幅和相位信息产生的干涉条纹,这是物体的全息图。根据光路的可逆性原理,繁殖过程可以被视为一个平面波垂直辐射全息图,产生衍射现象恢复对象的光场的波前的信息。复制全息图像的质量影响,前者没有后者那么有效而产生的光场干扰对象由一个非相干光源照明。因此,提高全息成像分辨率下非相干光已成为一个重要的研究课题。

2。相关工作

2.1。全息显示

在传统的成像技术,基于几何光学的原理,图像探测器只能接收对象的光强度(即。、振幅)和对象的光强度在三维空间中叠加在一个平面上。全息成像是通过引入参考光的光波反射或发射干扰对象和记录干涉条纹的振幅和相位相关的事情。生殖过程使用衍射原理恢复对象的波阵面信息,和记录干涉条纹模式被称为“全息图。”这是一个两步成像技术和一个精确的三维成像技术。

菲涅耳非相干相关全息术(雀)技术被首次提出公园和Yu团体(1,22007年)。芬奇技术使用空间光调制器衍射和相移的非相干光发出一个对象。约瑟夫·罗森等人证明了这种技术的可行性和固定性质。

除了约瑟夫·罗森的集团,捷克科学家Lavlesh等人研究了雀等系统的点扩散函数和决议3]。他们发现,调整光路增加了两束光的干涉区域表面的图像探测器(4- - - - - -6)和加载空间光调制器涡相位掩模改善对比在物体的边缘7]。通过加强迈克尔逊干涉光路,拉其普特人的小组使用两个凹具有不同曲率的镜子取代SLM的衍射光谱的影响,由该决议不再局限的SLM8- - - - - -11繁殖。

2.2。非相干光学数字全息成像技术

王潘合成孔径成像技术用于提高非相干数字全息术的决议(12]。Teruyoshi Horisaki集团济南大学使用发光二极管(led)作为光源的照明源,研究了影响尺寸和衍射距离分辨率的全息图复制(13)和优化阶段重建的质量(14]。Teruyoshi等人从华中科技大学提高质量的非相干光成像通过调查边缘成像系统的信噪比和对比度(15]。Tatsuki等人从郑州大学使用芬奇系统执行彩色全息成像的骰子,验证可行性的非相干光成像系统记录彩色全息图(16]。应等人研究了雀显微镜成像系统的成像特点,通过建立反映非相干数字全息显微镜成像系统(17]。Changwon集团西安研究所光学和力学研究了数字全息显微术的LED光源照明系统和基于点的部分相干光全息衍射干涉法(18]。2013年,散热等人从华南师范大学进行了仿真分析和实验验证的非相干数字全息的记录和繁殖过程用白光照射19,20.]。2007年,云集团在北京科技大学的特点和研究进展总结非相干光学全息成像(21]。进一步提高非相干光全息成像的分辨率是一个重要方面来推进这一技术的发展(22]。在未来的实际应用中,全息成像技术在非相干光照明下还有一个重要的角色在这个领域和研究价值。

虽然取得了一些进展雀成像技术通过刘英辰集团的研究,现有的非相干光学成像分析系统主要是复杂且局限于一个特定参数对成像质量的影响,缺乏综合分析方法。因此,深入分析非相干光学成像系统参数的优化是非常重要的光学路径,提高成像系统的分辨率。

3所示。材料和方法

3.1。模型设计

本实验使用LED白光的光谱范围宽的光源来构建一个菲涅耳非相干相关成像系统实验研究不同记录参数对分辨率的影响。实验光路图所示1。

在图1S是白色LED光源与中心波长约为455纳米的谱线宽30 nm。F是滤波器的中心波长450 nm和谱线宽20海里。P是平行光管。O是目标对象钢统治者。D是偏振镜(SLM敏感轴的极化方向)。我是隔膜。L是平行透镜( 毫米),BS分光器。实验中使用的液晶空间光调制器是一个纯相位反射式hed - 450生产的神圣。与图像平面的大小 ,一项决议的 和一个图像元素大小为6.4μMVCII-1M m的CCD相机模型,用一个图像元素大小为5.4μm和解决 ,实际使用像素的 。当使用MATLAB产生SLM-loaded多路菲涅耳透镜、二维灰度矩阵生成包含的相位调制量两个透镜的焦距。因此,生成的面具,这样两个焦距值一半的像素和均匀分布,在五个主要步骤如下。(1)调用该厂函数来生成一个二维随机矩阵(2)将两个焦点值随机分配给一个二维矩阵(3)相位调制的数量对应于每个点的矩阵计算相位分布的表达式(4)将相位调制量转换成相应的灰度值并生成一个灰色矩阵(5)图片显示了一个函数,生成一个灰度图,即。,bit-phase面具

如图2(一个),它的每个像素的灰度值代表的相位调制。当一个制作精良的灰度加载到SLM,其灰度值将控制电压SLM,偏转液晶分子,从而改变折射率。phase-modulating对光波的影响相当于同时两个菲涅耳透镜焦距不同,如图2 (b)。

均方误差(MSE)方法用于评价图像质量,这是由以下公式计算。

均方误差法计算均方值的原始图像和像素的区别扭曲的形象,决定了变形扭曲图像的均方值的大小, , ;均方误差值越小,图像的失真越小,越接近原始图像的分辨率。均方根误差值越小,失真越小,越接近原始图像的分辨率。比较重建图像的均方误差和模拟目标在不同的记录距离如表所示1。

随着记录距离的增加,均方误差值减少,代表一个更好的图像质量。,提高分辨率。结果与主观评价方法的结果一致,证明了均方误差评估图像质量的方法。

接下来,固定其他参数不变,对成像系统的分辨率的影响调查不同的面具焦距。设置录音的距离 来 , , ,分别和重建图像的相应位置如图3。

如数据所示3(一个)- - - - - -3 (c),复制图像的分辨率降低面具焦距增加,与理论分析一致增加导致数值孔径减少和降低 比率。比较重建图像的均方误差和模拟目标对象加载时不同的面具焦距下表所示2。

从表可以看出2,复制图像的均方误差值变得更重要的焦距面具的增加,与理论分析一致。

实验还模拟了两种不同的加载模式的影响SLM的成像质量。第一个加载SLM平面波和球面波bit-phase面具的焦距 ,和第二个包两个球面波的SLM bit-phase面具的面具焦距设置 和 。记录加载模式分配给距离 ,和移相后重建图像的加载模式给出了图4。

如图所示的数据4(一)和4 (b),当加载SLM平面和球面波bit-phase面具,图像背景干扰重建图像的信息,和复制图像的质量不如当装载两个球面波bit-phase面具。从本质上讲,在SLM加载时只有一个焦距面具,一半的空间光调制器像素相位调制。不过,因为它的填充因子小于100%,光波入射到有效像素将反映没有调制。的比例大于反射光作为参考光相位调制后的信号光的比例SLM,导致参考光的一部分不参与干涉。面具和两个焦距,对象波参考光的比例接近1:1,所以记录干涉条纹的对比度是高于面具只含有一个焦距,和重构图像的分辨率相对更好。比较重建图像的均方误差值与模拟目标两种衍射模式如下表所示。

从表可以看出3,SLM的均方误差值加载两个球面波潜在阶段面具小于平面和球面波可能加载阶段的面具,这与理论分析是一致的。因此,成像质量加载两个球面波的相位因子在非相干光学相干成像更优秀比加载平面和球面波的相位因子。

光电探测器不能直接记录光波的相位信息发出一个对象。他们只能感觉光强度和需要编码阶段的强度信息映射由探测器接收,然后解码对象通过衍射光场信息的现象。生殖过程相当于辐射单色平面波垂直全息图。衍射模式不同于不同形状的位置位置,因为每个地方的干涉条纹,从而使记录和复制原始对象的光场分布。这类似于摩尔斯电码,26个字母的字母对应于不同的长度和顺序电脉冲响应时间。电信号通过先前解码同意翻译。

相干光数字全息成像技术的记录过程如图5。对象传输或发出光波的相位和振幅信息。CCD记录平面的距离后,同时允许一束光波与相干对象光波照射记录平面上,两束光波干涉,干涉图样的条纹强度CCD记录的信息。

在图5, 和 表示object-wave复振幅和参考波的复振幅,分别由CCD记录全息图 表示为

在方程(2),第一项表示光的强度分布对象字段。第二项意味着参考光波的强度分布 可以作为一个自然常数非相干光照明由于更好的干扰。一般来说,单色平面波可以用作参考光波。第三和第四条款编码对象光波的复振幅和相位信息,可视为干涉条纹的分布函数。

在数字全息术,全息干版取而代之的是一个图像探测器组件,一个连续分布记录介质,而目标图像探测器表面不是连续的。例如,在ccd的情况下,许多间断分布的目标表面结合像素单元,以便记录全息图是离散的强度分布。

在公式(3), 是一个整数 , , 是水平和垂直像素CCD的单元尺寸,和分别是水平和垂直像素的数量,然后,CCD检测表面宽度可以表示为 高度是 。

考虑集成效应在抽样CCD像素的细胞。

符号””表示卷积操作。可以看出一个离散强度得分的形式存储在一个电脑一个数值矩阵,这是复制的过程和处理数字矩阵。

3.2。非相干数字全息图的记录

非相干数字全息术使用一个非相干光源,这是非常不同于相干数字全息成像。由于大型非相干光谱的宽度和不同波长的光波的存在,很难用参考光相干干扰对象的柔软的大波浪。获得对象的全息图在非相干光照明下,一个必须解决的问题如何发生干涉。在非相干光,数字全息术,是由许多独立的点光源,和这些独立的点源之间发出的光波不满足一致性。不过,从同一点发出的光波满足一致性。根据这一性质,可以实现非相干全息记录触发干扰。

通过分束技术,每个点光源的光分为两束,和光学路径是这样设计的,两束收敛和干涉形成点源全息图。换句话说,点源空间self-coherent,非相干光学相干成像利用这个性质。一个点源的全息图可以记录的振幅和相位信息。通过叠加全息图的所有独立的点源非相干性的方式,所有物体的振幅和相位信息能被记录下来。如图6非相干光学数字全息图的记录过程可以简单表示如下。

假设存在一个点 在一个特定的物体在空间的位置,光波从这一点到达波分裂面和分解成两个光波的光元素分离效果,和他们时CCD平面上的复振幅分布表示为 和 , 和满足空间连贯性,CCD记录平面上的点光源形成全息图表达公式

在哪里和 ,分别是和振幅,代表点光源的强度信息;和 ,分别是和阶段,带着点的三维位置信息来源。从全息图表达,当复振幅和 ,阶段的部分差异和不相等,相位项不是常数。强度分布与空间位置有关,点源的振幅和相位信息可以记录。一个对象可以被视为许多点光源的组合。假设一个对象有一个强度分布函数 ,它不连贯的全息图 是一个非相干相关叠加在对象的点形成的全息干涉CCD,表达

与前后一致地叠加全息图,全息图叠加后所有点光源的强度分布复杂的振幅。非相干光的复振幅叠加不满意,和全息图之间的卷积积分是所有独立的点光源的强度分布和点扩散函数,满足强度叠加。在非相干数字全息术的研究,有必要从点扩散函数开始,使一个更直观的视图成像系统响应与输入光的波场。

假设一个CCD检测飞机的大小 ,表示为一个函数 ,离散化后的全息图的表达式

在哪里 CCD是相邻像素之间的间隔,和功能吗 可以表示为

在方程(8),和显示的CCD像素的数量,和的整数范围 之间的 ,和产品之间 和 在表达式(7)代表CCD大小和全息图之间的关系。乘 全息图的表示离散抽样由CCD接收。

图7模拟得到的重建图像全息图的比较没有相移和三步相移后,在相同光路条件下。

图7(一)显示了衍射仿真中使用的模板。不相移全息图时,重建图像数据7 (b)和7 (c)被零电平和共轭图像。

4所示。结果

4.1。Nonmonochromatic光源对干扰的影响

从光谱的角度来看,任何光源都有一个特定的谱线宽度,和一个非相干源的光谱谱线宽度大于相干源。quasimonochromatic光源相比,干涉条纹内衬被CCD的程度显著影响当执行干扰实验。许多波有限长度的火车发出一个对象通过非相干光照明。一个点在空间选择许多火车穿过一个观察时间,与相位的不确定性这些火车和彼此之间的关系。菲涅耳非相干相关成像系统的研究,一个波列发出任何对象由空间光调制器调制为两个孪生波列车具有不同曲率半径,但波列长度相等。在CCD上的一点,两个波火车后分为两束通过一定距离,然后结合最后当两列波之间的差异比相干长度更重要。两波火车从不同的入射波在准确的时间记录列车;即双波火车不重叠。在一个观察时间,许多通过干扰贡献上的波列相互抵消时不能观察到稳定的干涉条纹的光学范围的差异这两个孪生波火车趋向于零。可以认为,他们同时到达点。 At this time, they superimpose on each other to produce interference, and stable interference fringes can be observed. This situation is self-coherent.

谱线与 谱密度和总光强的积分谱密度谱线的宽度: 在哪里 。对应于不同波长的光强度随光学范围不同 ,和非相干叠加的所有波长的光强度可以表示为

第一项的方程(10)是恒定的,第二项是一个量相关光学范围不同 。为了讨论,上述方程简化的考虑这等于一个常数 在 在其余范围和0,这可以简化如下:

干涉条纹的衬比可以派生

上述方程表明,光学范围差异对应一个干涉条纹衬比等于零是最大的可视范围差异达到一致性,和相干长度可以表示为

菲涅耳,非相干相关数字全息成像系统光学范围这两个双胞胎之间的差异波火车被空间光调制器是分割后的相干长度要重要得多。这将减少干涉条纹的质量甚至未能影响只有当相干长度小于。一个清晰的干涉条纹可以记录在CCD,和高质量复制图像重建时可以获得。nonmonochromatic光源,相干长度越大,越波火车会相互干扰的观察,使得干涉条纹清晰。因此,当使用非相干光干涉对数字全息记录,来源与一个重要的相干长度可以选择以改善图像质量。

本文中使用的光源产生的gci - 060411型Daheng光电子学。电力是3 W LED白。添加滤波器中心波长为450 nm,谱线带宽大约是20 nm和属于可见光波段,以及更广泛的光谱范围更接近实际的应用程序。非相干光源和谱图数据所示8(一个)- - - - - -8 (d)。

从图可以看出9,白色LED光源的中心波长约为455纳米,谱线宽度是30 nm。根据方程(13)计算,光源的相干长度约为6.9μm。过滤器,过滤后的相干长度大约是10.1μm。

获得良好的干涉条纹,最大的光学成像系统范围差异必须小于10.1米。芬奇成像系统中,视觉范围不同的成像系统与空间光调制器的相位掩模加载和CCD记录的位置。成像系统的分辨率可以提高通过调整焦距值相位掩模和记录距离满足光源的相干长度而确定。

记录的距离之间的关系和光学成像系统是第一个调查的范围不同光源的相干长度 μ米,假定 , ,分别和光学范围差异之间的关系曲线和录音的距离是给定的。

记录距离和光学范围之间的关系差异当SLM装满三个不同的平面波和球面波位相面具在图给出9。水平线是光源的相干长度。为系统的一部分位于水平线以下,光学范围小于相干长度的差异。它满足一致性条件,而视觉范围不同水平线上方的部分比相干长度更重要,不满足一致性条件。

从图10可以看出,最大光范围不同与记录系统的变化比例距离 。保留位的值相面具SLM不变,焦距加载的成像系统的光学范围差异随CCD位置和SLM位置之间的距离。假设CCD记录距离持续增长。在这种情况下,它将导致CCD记录全息图的边缘重叠的两束不会干预,减少的半径全息图,再现图像的质量会减少。如果记录的距离保持不变,即,CCD的位置不是感动。面具的焦距在SLM增加加载。光学范围的曲线差异将更加倾向,即。,the visual range difference at this position is reduced, and the coherence condition can be better met. The CCD sampling interval limits the minimum recording distance. The optical range difference is 小于相干长度时,加载SLM bit-phase面具焦距 , 。不过,CCD放置在这个位置会导致采样信息不完整,导致成像质量的下降。根据计算,只有在SLM加载时用面具焦距 那 满足相干条件可以CCD记录完整的信息。因此,记录距离是有限的在两个方面,通过CCD采样间隔和会议的事实不能大于相干长度。

从上面的分析,可以看出,系统的最大光范围差异与CCD的记录位置的焦距bit-phase面具在SLM加载和半径调制的,固定的 。研究之间的关系在SLM的焦距前置和最大的光学范围不同,130毫米,150毫米和170毫米。图10给出了变化曲线领先的视觉范围不同的焦距加载面具。

图10表明,光学成像系统减少的范围不同随着焦距SLM加载面具的增加。保持记录CCD的位置保持不变,只有当面具的焦距更重要的不是一个具体的值将满足一致性条件,记录的位置。在一个固定值加载焦距的镜头,它是满足一致性条件,但不少于最小记录距离采样间隔的限制。

5。评价

总之,当加载SLM平面和球面波,录音CCD的距离必须满足最小距离采样间隔的限制和要求相对应的光学范围差异CCD在那个位置小于最小相干长度。根据瑞利判据,系统分辨率的提高 记录的增加距离。当记录的距离等于2 ,系统的解决方案达到最大值。随着记录距离的增加,光学范围差异也会增加, 最大值时的视觉范围的区别在这个位置恰恰是等于相干长度。光源不变,即。,the minimum coherence length is entire. In the case of satisfying the coherence condition ,焦SLM-loaded掩码长度必须增加。提高成像分辨率的比例变化 点不再是明显的。

当记录距离是固定不变的,数值孔径的成像系统,它直接决定了成像系统的分辨率,值越大,图像质量越高,在这个衍射模式可以表示为 图11给面具焦距的变化与数值孔径。

从图可以看出11,系统的数值孔径减小增加,导致快速降低分辨率和减少 比率。在这一点上,光源的相干长度成为主要因素限制的关键。假设光源的相干长度增加 μ米, ,和面具焦距设置为180毫米,230毫米和280毫米,分别;光学范围之间的关系差异和录音的距离如图11。

如图12,较低的水平线 μ米,上面的水平线 μ米, 。例如, 的相干长度的最大值 μ0.74 m,是满足一致性条件; 相干长度增加时大约1.46 μ米,这对应于解决两倍的增加 。

因此, ;分辨率可以提高在三个方面:(1)当焦距的SLM加载面具是常数, , 记录距离越大越好,但最大的区别在光学范围位置不得超过10.1μm。(2)当记录CCD的距离固定的,焦距越小SLM加载的面具,更大的,但最小差异在光学范围不得超过10.1μm。(3)非相干光照明可以改变光源或选择一个合适的滤波器来减少谱线宽度提高最小相干长度。这样的图13水平线上升可以使焦距的SLM加载面具常数。更可观的记录距离也可以满足最小相干长度。录音距离是恒定的;SLM装满小面具焦距也可以满足最小相干长度。相对增加 的比率提高了成像系统的分辨率。

6。结论

全息术是在1948年首次提出,从一开始,光源的相干成像分辨率有限。激光的出现带来了高度相干光源全息术和相干噪声引入光学系统。随着技术的不断发展,数字全息术成为一个简单的记录和繁殖过程,但仍需要激光作为照明源。非相干数字全息术将全息术从光源的限制中解放出来。它是基于空间self-coherence点源的原则,允许对象被非相干光触发干扰产生全息图,全息术可以被应用到更广泛的领域。非相干光成像空间光调节器的基础上解决的两个重大问题相干光源和双图像重叠的依赖。光路简单,计算机记录减少。探讨的问题记录雀成像系统参数,最后通过实验验证了理论分析,提供了一个参考为提高非相干光学相干成像的分辨率。

数据可用性

数据在合理请求从相应的作者。

的利益冲突

作者郭亮杨已经收到西安科技大学的研究支持。作者声明没有基金,资助或其他支持收到在这个手稿的准备。

作者的贡献

手稿的作者是郭亮的初稿,和所有作者评论以前版本的手稿。所有作者阅读和批准最终的手稿。

确认

这项工作是陕西科技计划项目重点支持的R & D计划:“发展的狭隘能谱离子束发射源”(没有。:k20180076)。