專利名稱：一種彩色數字全息像的記錄系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種彩色數字全息像的記錄系統，涉及數字全息技術領域。
背景技術：
對彩色物體的全息記錄和顯示是全息技術應用的一個重要方面，目前普遍采用的 方法為傳統的光學全息術，如彩虹全息術，透射式真彩色全息術，反射式真彩色全息 術，真彩色合成全息術等(《光學全息及其應用》，于美文著)。其實現方法較為復雜， 主要原因在于首先，全息圖的記錄光路復雜，不易搭建和調整；其次，干板等化學 記錄介質無法重復使用，用其記錄全息圖成本太高，且不利于全息圖的復制及傳輸； 再次，須將全息圖復位到原光路中才能進行彩色全息再現像的觀察，且其質量易受到 色串擾、全息圖復位精度及觀察視角等的影響。利用數字全息術獲得所記錄物體的彩 色全息像是目前全息技術發展的一個重要方向。B. Javidi和D. Alfieri等人在其論文 《Method for superposing reconstructed images from digital holograms of the same object recorded at different distance and wavelength》(Optics Communications 260(2006), 113-116) 禾口《Three-dimensional image fusion by use of multiwavelength digital holography》(Optics Letters 30(2005)， 144-146)中通過對使用離軸菲涅耳全息光路記錄的數字全息圖進行 補零處理來調整不同全息圖記錄條件(記錄波長和記錄距離)下數字全息像的顯示大 小，在此基礎上對獲得的顯示尺寸相同的紅，綠單色全息像進行合成得到彩色數字全 息像，但是由離軸菲涅耳全息記錄光路記錄的數字全息圖，其數值再現像在重建像平 面的位置隨全息圖記錄時的物參夾角及記錄距離的改變而變化，因此不能保證不同記 錄距離處數值再現像的準確重合，這將導致合成的彩色數字全息像的邊界和細節變得 不清晰，影響了彩色全息再現像的質量。
發明內容
要解決的技術問題
為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種彩色數字全息像的記錄系統，該 系統采用無透鏡傅里葉變換全息術進行數字全息圖的記錄，其所記錄的數字全息圖的 數值再現像在數值重建像平面上的位置由記錄時物平面上被記錄物體與參考點光源之 間的距離所固定，不隨記錄距離的改變而變化，且對被測物體的橫向尺寸約束較小，
具有較大的空間帶寬積，能充分利用CCD的空間帶寬，降低對CCD分辨率的要求。 技術方案
本發明的技術特征在于包括三電子快門、紅光激光器、綠光激光器、藍光激光 器、黑白型面陣CCD，三個分束系統、擴束系統；紅光激光器l、綠光激光器2和藍
光激光器3通過各自的電子快門4、5和6分別被三個分束系統分別分為第一、二光束；
第一光束到達被記錄物體，第二光束經過擴束系統轉化為球面光波后與被照射物體反
射的第一光束相互干涉并形成一個干涉區域，黑白型面陣CCD設置在該干涉區域內； 所述的三個分束系統分出的第一光束彼此間嚴格重合，第二光束彼此間嚴格重合；球
面光波的源點到黑白型面陣CCD光敏面的光程與被記錄物體到黑白型面陣CCD光敏 面的光程相等。
黑白型面陣CCD安裝在可以沿一維方向移動的平移臺21上。
所述紅光激光器為波長為635nm或650nm的半導體激光器，或者是波長為 632.8nm的氦氖He-Ne激光器。
所述綠光激光器為波長為532nm的半導體激光泵浦的固體激光器，或者是波長為 514nm的氬離子激光器，或者是波長為541nm的氦氖(He-Ne)激光器。
所述藍光激光器為波長為473nm的半導體激光器，或者是波長為488nm的氬離子(Ar+)激光器，或者是波長為442nm的氦鎘(He-Cd)激光器。
所述黑白型面陣CCD為像素呈二維陣列分布的電荷耦合器件，或一面陣CMOS。 所述分束系統為光纖分束器或固定分光比的分束鏡，或者是分光比可調的分束鏡。 所述擴束系統為一擴束鏡或一光纖。
彩色數字全息像記錄系統的基本操作步驟為紅光、綠光、或藍光激光器發出的 光束由電子快門分別控制通過與否，然后經其各自分束系統分為第一、二光束，第一 光束彼此間嚴格重合，第二光束彼此間嚴格重合；第一光束照射被記錄物體，經物體 表面反射后形成物光，第二光束經過擴束系統轉化為球面光波后作為參考光；物光與 參考光相互干涉并形成一干涉區域，面陣CCD設置在干涉區域內，球面光波的源點到 面陣CCD光敏面的光程與物光波自被記錄物體到面陣CCD光敏面的光程相等；平移 臺用于固定面陣CCD，其移動方向垂直于全息圖記錄平面，由計算機控制其位移以改 變全息圖的記錄距離(被記錄物體到黑白型面陣CCD光敏面的光程)；計算機與面陣 CCD連接，用于實時記錄并存儲由面陣CCD對第一和第二光束形成的干涉圖樣采集 得到的各單色數字全息圖；單色數字全息圖由計算機根據全息圖的記錄距離和記錄波 長首先進行補零處理，然后通過快速傅里葉變換算法對補零后的數字全息圖進行數值 重構，得到紅、綠、藍各單色數字全息再現像，最終的彩色數字全息像由各單色數字 全息像合成得到。
有益效果
首先，由該記錄系統獲得的彩色物體的數字全息圖可通過數字方式實現彩色全息 像的再現，避免和解決了傳統光學彩色全息術中所存在的問題與困難，使得記錄和再 現過程都大為簡化；其次，在彩色數字全息像的獲取過程中，采用基于無透鏡傅里葉 變換全息術的光路結構進行各單色數字全息圖的記錄，由于其重建像平面上數值再現像到該平面中心的距離準確等于記錄物平面上物體中心到參考點光源之間的距離，而 與全息圖的記錄距離無關，因此可以很好地保證不同記錄距離處各單色再現像位置的 準確重合，使得合成得到的彩色數字全息像具有清晰的邊界及細節結構；再次，基于 無透鏡傅里葉變換全息術的光路結構在全息圖記錄時能夠充分利用CCD的有限帶寬， 降低對CCD分辨率的要求，因此有利于所獲得的彩色數字全息像的分辨率的提高；最 后，數字無透鏡傅里葉變換全息圖的數值重建過程簡單，僅通過一次二維傅里葉變換 就可以獲得數字全息像，能夠節省大量運算時間，滿足實時化處理的要求。
圖1:是本發明彩色數字全息像的記錄系統第一實施方式的結構示意圖； 圖2是本發明彩色數字全息像的記錄系統實施效果的說明圖； 圖3是本發明彩色數字全息像的記錄系統第二實施方式的結構示意圖； 圖4是本發明彩色數字全息像的記錄系統第三實施方式的結構示意圖； 圖5是本發明彩色數字全息像的記錄系統第四實施方式的結構示意圖。 紅光激光器l;綠光激光器2;藍光激光器3;第一電子快門4;第二電子快門5; 第三電子快門6;第一分束鏡7;第二分束鏡8;第三分束鏡9;第一全反射鏡10;第 四分束鏡ll;第五分束鏡12;擴束準直器13;被記錄物體14;面陣CCD 15;第二全 反射鏡16;擴束鏡17;針孔18;第一分光棱鏡19;計算機20;平移臺21;第六分束 鏡22;第三全反射鏡23;第一光纖24;光纖分束器25;第二光纖26;第三光纖27;
光纖耦合器28。
具體實施例方式
現結合附圖對本發明作進一步描述
實施例1:如圖1所示的彩色數字全息像的記錄系統包括波長為632.8nm的氦氖 He-Ne紅光激光器1、波長為532nm的半導體激光泵浦的綠光固體激光器2和波長為 473nm的半導體藍光激光器3。分別設置在紅光激光器1、綠光激光器2及藍光激光器3所發出光束的光路上的第一電子快門4、第二電子快門5和第三電子快門6，用于分 別獨立控制紅、綠、藍各色激光束的通過與否。第一分束鏡7、第二分束鏡8和第三 分束鏡9采用分束比可調的分束鏡。分束鏡7對紅光分束，分束鏡8對綠光分束，分 束鏡9對藍光分束。分束鏡8和11為對紅光全透射，分束鏡9和12為對紅、綠光全 透射。分束鏡7、 8、 9分別將通過其的紅、綠、藍激光束分成第一光束和第二光束， 第一光束彼此間嚴格重合，第二光束彼此間嚴格重合。第一全反射鏡10、第四分束鏡 11、第五分束鏡12設置在第一光束光路上，并將該第一光束反射至擴束準直器13。 第一光束經由擴束準直器13擴束并準直成平行光后，再照射被記錄物體14。被記錄 物體14為一不透明的反射型物體，其反射光作為物光傳播至第一分光棱鏡19。
擴束鏡17為一消色差顯微物鏡，第二光束由第二全反射鏡16反射后傳播至擴束 鏡17，并由擴束鏡17會聚為一球面波，然后作為第二光束的球面波由設置在其會聚 點處的針孔18濾波，再作為參考光傳播至第一分光棱鏡19。
作為物光的第一光束由被記錄物體14到面陣CCD 15光敏面的光程與作為參考光 的第二光束由針孔18到面陣CCD 15光敏面的光程相等。作為物光的第一光束與作為 參考光的第二光束通過第一分光棱鏡19后相互干涉，所形成的干涉條紋由設置在處于 干涉區域的面陣CCD 15采集。
面陣CCD15為一像素呈二維陣列分布的黑白型電荷耦合器件，與平移臺21剛性 連接，其移動方向垂直于全息圖記錄平面，由計算機20控制其位移以改變全息圖的記 錄距離。計算機20與面陣CCD15連接，用于實時記錄并存儲由面陣CCD15采集的 二維數字全息圖。
工作過程為電子快門4、 5、 6分別用來控制紅光激光器1、綠光激光器2及藍 光激光器3所發出的光束通過與否。采集紅光數字全息圖時，電子快門4打開，電子快門5、 6關閉；采集綠光數字全息圖時，電子快門5打開，電子快門4、 6關閉；采
集藍光數字全息圖時，電子快門6打開，電子快門4、 5關閉。紅光激光器l發出的光 束經分束鏡7分為第一、二光束。綠光激光器2發出的光束經分束鏡8分為第一、二 光束。藍光激光器3發出的光束經分束鏡9分為第一、二光束，第一光束彼此間嚴格 重合，第二光束彼此間嚴格重合。第一光束被第一全反射鏡IO (或第四分束鏡ll，或 第五分束鏡12)反射至擴束準直器13，經擴束并準直成平行光后照射被記錄物體14， 其反射光作為物光。第二光束被第二全反射鏡16反射后出射至擴束鏡17，并由擴束 鏡17會聚為一球面波，然后第二光束由設置在其焦點處的針孔18濾波后作為參考光。 物光和參考光經過第一分光棱鏡19后發生干涉，所形成的干涉條紋由處于干涉區域的 面陣CCD 15采集。作為物光的第一光束由被記錄物體14到面陣CCD 15光敏面的光 程與作為參考光的第二光束由針孔18到面陣CCD 15光敏面的光程相等。平移臺21 與面陣CCD15剛性連接，其移動方向垂直于全息圖記錄平面，由計算機20控制其位 移以改變全息圖的記錄距離。由面陣CCD 15采集的紅、綠、藍各色數字全息圖經計 算機20通過數字全息圖補零處理和快速傅里葉變換算法進行數值重建，得到顯示尺寸 一致，位置準確重合的各色全息再現像，對其進行數字合成就可以得到具有清晰邊界 和細節結構的高質量彩色數字全息像。
實施例2:如圖3所示的彩色數字全息像的記錄系統包括波長為650nm的半導體 紅光激光器l、波長為532nm的半導體激光泵浦的固體綠光激光器2、波長為488nm 的氬離子(Ar+)藍光激光器3;用于分別獨立控制紅、綠、藍各色激光束的通過與否 的第一電子快門4、第二電子快門5和第三電子快門6。第六分束鏡22、第一全反射 鏡10、第二全反射鏡16、第三全反射鏡23、第四分束鏡ll、第五分束鏡12、第一分 光棱鏡19、擴束準直器13、擴束鏡17、針孔18、面陣CCD15、平移臺21和計算機20。
將圖3所示第二實施方式與圖1所示第一實施方式比較可以發現，紅光激光器1， 綠光激光器2、藍光激光器3所發出的光束未經各自的分束系統分別分束為第一光束 和第二光束，而是經第三全反射鏡23、第四分束鏡ll、第五分束鏡12分別反射后重 合為一束，然后經第一全反射鏡10反射至第六分束鏡22處統一分束為第一光束和第 二光束。其中分束鏡22為一對紅、綠、藍光分束比均可調的寬帶分束鏡。平移臺21 與面陣CCD15剛性連接，其移動方向垂直于全息圖記錄平面，并由計算機20控制其 位移以改變全息圖的記錄距離。通過電子快門控制各單色數字全息圖的記錄，由處于 干涉區域的面陣CCD 15采集到的各單色數字全息圖分別采用計算機20進行補零處理 和數值重建，通過數字合成各單色數字全息再現像得到彩色數字全息像。
實施例3:如圖4所示彩色數字全息像的記錄系統包括波長為632.8nm的氦氖 He-Ne紅光激光器1、波長為541nm的氦氖(He-Ne)綠光激光器2、波長為442nm 的氦鎘(He-Cd)藍光激光器3。用于分別獨立控制紅、綠、藍各色激光束的通過與否 的第一電子快門4、第二電子快門5和第三電子快門6。第六分束鏡22、第一全反射 鏡10、第二全反射鏡16、第三全反射鏡23、第四分束鏡ll、第五分束鏡12、擴束準 直器13、擴束鏡17、針孔18、面陣CCD 15、平移臺21和計算機20。
將圖4所示實施方式與圖l所示實施方式進行比較可以發現，紅光激光器l，綠 光激光器2、藍光激光器3所發出的光束未經各自的分束系統分別分束為第一光束和 第二光束，而是經第三全反射鏡23、第四分束鏡ll、第五分束鏡12分別反射或透射 后重合為一束，然后于第六分束鏡22處統一分束為第一光束和第二光束。第一光束經 由第一全反射鏡10反射至擴束準直器13擴束并準直成平行光后，照射在被記錄物體 14上，其反射光作為物光。同時第二光束由第二全反射鏡16反射后出射至擴束鏡17，并由擴束鏡17會聚后形成一球面波，然后第二光束由設置在其會聚點處的針孔18濾 波，其出射光波作為參考光。與本發明彩色數字全息像的記錄系統第一實施方式類似， 作為物光的第一光束由被記錄物體14到面陣CCD15光敏面的光程與作為參考光的第 二光束由針孔18到面陣CCD 15光敏面的光程相等，被記錄物體14與針孔18位于同 一平面上，物光與參考光無需經過第一分光棱鏡作用而直接干涉。平移臺21與面陣 CCD15剛性連接，其移動方向垂直于全息圖記錄平面，并由計算機20控制其位移以 改變全息圖的記錄距離。通過電子快門控制各單色數字全息圖的記錄，由處于干涉區 域的面陣CCD 15采集到的各單色數字全息圖分別采用計算機20進行補零處理和數值 重建，通過數字合成各單色數字全息再現像得到彩色數字全息像。
實施例4:如圖5所示彩色數字全息像的記錄系統包括波長為650nm的半導體紅 光激光器l、波長為514nm的氬離子綠光激光器2、波長為473nm的半導體藍光激光 器3。用于分別獨立控制紅、綠、藍各色激光束的通過與否的第一電子快門4、第二電 子快門5和第三電子快門6。第三全反射鏡23、第四分束鏡ll、第五分束鏡12、光纖 耦合器28、第一光纖24、第二光纖26、第三光纖27、光纖分束器25、面陣CCD15、 平移臺21和一計算機20。
紅光激光器1，綠光激光器2、藍光激光器3所發出的光束經第三全反射鏡23、 第四分束鏡ll、第五分束鏡12分別反射或透射后重合為一束。光纖耦合器28設置在 該光束的光路上，其可把該光束耦合進第一光纖24。光纖分束器25設置在第一光纖 24末端，其可將該光束分成第一光束和第二光束。第一光束通過第二光纖26后照射 被記錄物體14，并由被記錄物體14反射，所反射的光束作為物光傳播至面陣CCD 15。 第二光束經過第三光纖27出射后形成一球面光波，并作為參考光傳播至面陣CCD 15。
平移臺21與面陣CCD15剛性連接，其移動方向垂直于全息圖記錄平面，由計算機20控制其位移以改變全息圖的記錄距離。作為物光的第一光束與作為參考光的第二 光束相互干涉，所形成的干涉圖樣由處于干涉區域的面陣CCD 15進行釆集，然后由 計算機20進行補零處理和數值重建，通過數字合成各單色數字全息再現像得到彩色數 字全息像。
其中，光纖耦合器28為一光纖耦合系統，其能將激光束耦合進光纖。光纖分束器 25為一光纖分束系統，其能將單根光纖中的光束分至兩根或兩根以上光纖。第一光纖 24、第三光纖27為單模光纖，第二光纖26為單模或多模光纖。作為物光的第一光束 由被記錄物體14到面陣CCD 15光敏面的光程，與作為參考光的第二光束經過第三光 纖27后形成的球面光波的源點到面陣CCD 15光敏面的光程相等。
第四實施方式獲取全息像的主要工作過程為紅光激光器l，綠光激光器2、藍光 激光器3所發出的光束經第三全反射鏡23、第四分束鏡ll、第五分束鏡12分別反射 或透射后重合為一束，該光束經過光纖耦合器28進入光纖后，被光纖分束器25分為 第一光束和第二光束；第一光束通過第二光纖26后照射被記錄物體14，并由被記錄 物體14反射，所反射的光束作為物光傳播至面陣CCD15;第二光束經過第三光纖27 后直接擴束形成一球面光波，并作為參考光出射至面陣CCD 15;面陣CCD 15置于物 光和參考光所形成的干涉區域內，作為物光的第一光束由被記錄物體14到面陣CCD15 光敏面的光程，與作為參考光的第二光束所形成球面波的源點到面陣CCD 15光敏面 的光程相等；平移臺21與面陣CCD15剛性連接，其移動方向垂直于全息圖記錄平面， 由計算機20控制其位移以改變全息圖的記錄距離，通過電子快門控制各單色數字全息 圖的記錄；處于干涉區域的面陣CCD 15采集到的各單色數字全息圖由計算機20進行 補零處理和數值重建，通過數字合成各單色數字全息再現像得到彩色數字全息像。
本發明彩色數字全息像的記錄系統通過采用基于無透鏡傅里葉變換全息術的光路結構進行紅、綠、藍各色數字全息圖的記錄，能夠很好地保證不同記錄條件下重建像 平面上各單色數字全息像的準確重合，使得數字合成得到的彩色數字全息像具有清晰 的邊界和細節結構。本實施方式采用球面光波作為參考光，其源點和記錄物體到面陣
CCD光敏面的光程相等，物光與參考光形成的干涉圖樣在整個全息圖記錄平面上分布 均勻，從而避免了使用面陣CCD記錄的全息圖邊緣部分發生欠采樣，有利于全息圖的 準確記錄及數值重建，可以獲得較高分辨率的彩色數字全息像。另外，本實施方式彩 色數字全息像的記錄系統記錄的為數字無透鏡傅里葉變換全息圖，其數值重建過程簡 單，能夠節省大量運算時間，滿足實時化處理的要求。
圖2為對該實施方式的效果說明圖，其中(a)、 (b)、 (c)分別為未根據記錄條件對各 單色數字全息圖進行補零處理而得到的紅、綠、藍單色全息再現像，(d)、 (e)為根據記 錄條件對單色數字全息圖進行補零處理后得到的紅、綠單色全息再現像，(f)為由(c)、
(d)、 (e)合成得到的彩色數字全息像。可以看出，用于彩色合成的各單色數字全息再現 像的顯示尺寸一致，位置準確重合，合成得到的彩色數字全息像具有清晰的邊界和細 節結構。
權利要求
1. 一種彩色數字全息像的記錄系統，其特征在于包括三電子快門、紅光激光器、綠光激光器、藍光激光器、黑白型面陣CCD，三個分束系統、擴束系統；紅光激光器(1)、綠光激光器(2)和藍光激光器(3)通過各自的電子快門(4)、(5)和(6)分別被三個分束系統分別分為第一、二光束；第一光束到達被記錄物體，第二光束經過擴束系統轉化為球面光波后與被照射物體反射的第一光束相互干涉，并形成一個設置黑白型面陣CCD的干涉區域；的三個分束系統分出的第一光束彼此間嚴格重合，第二光束彼此間嚴格重合；球面光波的源點到面陣CCD光敏面的光程與被記錄物體到黑白型面陣CCD光敏面的光程相等。
2. 根據權利要求1所述的彩色數字全息像的記錄系統，其特征在于黑白型面陣CCD 安裝在可以沿一維方向移動的平移臺(21)上。
3. 根據權利要求1所述的彩色數字全息像的記錄系統，其特征在于所述紅光激光 器為波長為635nm或650nm的半導體激光器，或者是波長為632.8nm的氦氖He-Ne 激光器。
4. 根據權利要求1所述的彩色數字全息像的記錄系統，其特征在于所述綠光激光器為波長為532nm的半導體激光泵浦的固體激光器，或者是波長為514nm的氬離 子激光器，或者是波長為541nm的氦氖(He-Ne)激光器。
5. 根據權利要求1所述的彩色數字全息像的記錄系統，其特征在于所述藍光激光 器為波長為473nm的半導體激光器，或者是波長為488nm的氬離子(Ar+)激光 器，或者是波長為442nm的氦鎘(He-Cd)激光器。
6. 根據權利要求1所述的彩色數字全息像的記錄系統，其特征在于所述黑白型面 陣CCD為像素呈二維陣列分布的電荷耦合器件，或一面陣CMOS。
7. 根據權利要求1所述的彩色數字全息像的記錄系統，其特征在于所述分束系統為光纖分束器或固定分光比的分束鏡，或者是分光比可調的分束鏡。
8.根據權利要求1所述的彩色數字全息像的記錄系統，其特征在于所述擴束系統 為一擴束鏡或一光纖。
全文摘要
本發明涉及一種彩色數字全息像的記錄系統，技術特征在于紅、綠和藍光激光器通過各自的電子快門分別被三個分束系統分別分為第一、二光束；第一光束到達被記錄物體，第二光束經過擴束系統轉化為球面光波后與被照射物體反射的第一光束相互干涉，并形成一個設置黑白型面陣CCD的干涉區域；所述的三個分束系統分出的第一光束彼此間嚴格重合，第二光束彼此間嚴格重合；球面光波的源點到面陣CCD光敏面的光程與被記錄物體到黑白型面陣CCD光敏面的光程相等。有益效果本發明提供的紅、綠、藍各色數字全息圖的記錄，能夠很好地保證不同記錄條件下重建像平面上各單色數字全息像的準確重合，使得數字合成得到的彩色數字全息像具有清晰的邊界和細節結構。
文檔編號G03H1/04GK101452251SQ20071018845
公開日2009年6月10日 申請日期2007年12月3日 優先權日2007年12月3日
發明者姜宏振, 趙建林, 邸江磊 申請人:西北工業大學