一種應(yīng)用于數(shù)字全息重構(gòu)過程的對(duì)焦方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種對(duì)焦方法，尤其設(shè)及一種應(yīng)用于數(shù)字全息重構(gòu)過程的對(duì)焦方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)字全息術(shù)是基于光學(xué)全息術(shù)的基本原理，采用數(shù)字圖像傳感器(如:CCD和CMOS) 代替?zhèn)鹘y(tǒng)需要化學(xué)顯影的光學(xué)全息板來(lái)記錄全息圖，將記錄的強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)存 入計(jì)算機(jī)，再利用計(jì)算機(jī)模擬參考光對(duì)全息圖進(jìn)行衍射重構(gòu)成像，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字重構(gòu)的一 種新的全息術(shù)(詳見參考專利:江竹青，王酷，陳依菲，等.數(shù)字全息成像在線重構(gòu)顯示系統(tǒng) 及方法：，CN103186090A[P].2013.)，現(xiàn)在已有基于數(shù)字全息的數(shù)字全息顯微鏡和數(shù)字全息 測(cè)量?jī)x器設(shè)備。在數(shù)字重構(gòu)的過程中需要根據(jù)實(shí)際物體與數(shù)字圖像傳感器之間的距離，通 過模擬光學(xué)衍射來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的再現(xiàn)重構(gòu)，此時(shí)即實(shí)現(xiàn)了對(duì)焦。如果偏離了運(yùn)個(gè)距離，重構(gòu) 出來(lái)的像就會(huì)離焦變模糊。
[0003]典型的對(duì)焦方法有四大類:基于光場(chǎng)強(qiáng)度賭的方法，基于光場(chǎng)強(qiáng)度方差的方法，基 于光場(chǎng)強(qiáng)度梯度的方法和基于光場(chǎng)強(qiáng)度空間頻率的方法(詳見參考專利:蔣宏.空間頻率對(duì) 比法作為成像光學(xué)系統(tǒng)的自動(dòng)對(duì)焦判據(jù)，CN1303025A[P].2001參考文獻(xiàn):WangH，QinA， ZhaoB.Autofocusmethodforamplitudeandpurephaseobjectsreconstruction indigitalhologr曰phy[C]//Intern曰tion曰1ConferenceonOpticalInstrument曰tion andTechnology.InternationalSocietyforOpticsandPhotonics,2009:751312-75131Z-5.)。它們最初為相機(jī)成像系統(tǒng)對(duì)焦設(shè)計(jì)產(chǎn)生的，也可W應(yīng)用于數(shù)字全息重構(gòu)過程 的對(duì)焦，運(yùn)些典型的方法存在對(duì)不同類型物體的適應(yīng)能力相對(duì)較弱和計(jì)算量相對(duì)較大等方 面的不足，不太適合移動(dòng)設(shè)備或者實(shí)時(shí)對(duì)焦處理等對(duì)計(jì)算要求嚴(yán)格的情況。另外還有多波 長(zhǎng)的數(shù)字全息對(duì)焦方法（詳見參考文獻(xiàn):GaoP,化0B,RuppR,etal.Autofocusingbased onwavelengthdependenceofdiffractionintwo-wavelengthdigitalholographic microscopy[J].Opticsletters，2012,37(7): 1172-1174.)，利用不同波長(zhǎng)在衍射時(shí)會(huì)存 在差異，但在對(duì)焦面上多種波長(zhǎng)差異最小的原理來(lái)判斷是否對(duì)焦，運(yùn)種方法需要多種不同 波長(zhǎng)的激光，相比于普通的單波長(zhǎng)數(shù)字全息術(shù)，會(huì)增加額外的硬件設(shè)備(如幾臺(tái)不同波長(zhǎng)的 激光器），增加設(shè)備成本和實(shí)際操作難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種應(yīng)用于數(shù)字全息重構(gòu)過程的對(duì)焦方法。
[0005]本發(fā)明的目的是通過W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種應(yīng)用于數(shù)字全息重構(gòu)過程的對(duì)焦 方法，該方法包括W下步驟：
[0006]步驟(1)采用數(shù)字全息方法得到全息圖后，處理全息圖得到物光場(chǎng)矩陣Uo;
[0007]步驟（2)用肉眼或者用常見長(zhǎng)度測(cè)量工具粗略測(cè)量后估算出一個(gè)對(duì)焦距離區(qū)間 [Zl，Zk]，確保對(duì)焦距離在該區(qū)間內(nèi)，此處對(duì)焦距離為成像對(duì)象與數(shù)字圖像傳感器的距離。設(shè) 置區(qū)間采樣數(shù)為k，計(jì)算出采樣間隔距灣
，每隔距離delta選取一個(gè)距離，得 I^z2=zi+delta，z3 =zi+2delta，z4 =zi+3delta，-..，zk=zi+(k-l)*delta;
[000引步驟(3)對(duì)反向傳播距離Zl，Z2，Z3，...，Zk依次采用光學(xué)衍射算法得到光場(chǎng)矩陣化， 化，化，···，化；
[0009]步驟(4)在每個(gè)光場(chǎng)矩陣Ux中選相同位置需要對(duì)焦的目標(biāo)區(qū)域，得到新矩陣ROIx， 即對(duì)焦窗口，矩陣ROIx大小為m*n，其中，x=l，2,…，k;
[0010] 步驟(5)通過矩陣ROIx計(jì)算實(shí)數(shù)R(zx)，公式如下；
[0011]
[001^ 其中，R0Ix(i，j)為矩陣ROIx第i行、觀列的元素，
[0013] 或者通過公式如下：
[0014]
[001引其中，R0Ix(i，j)為矩陣ROIx第i行、觀列的元素；
[0016] 步驟(6)計(jì)算數(shù)列y(zi)，y(Z2)，…，y(zk-i)，公式如下：
[0017] y(zx)= |R(Zx)-R(Zx+i) |2,(x= 1,2, . . . ,k-l),
[0018]步驟(7)對(duì)數(shù)列y(zi)，y(Z2)，…，y(zk-i)，直接遍歷數(shù)列y的所有項(xiàng)或者采用對(duì)焦評(píng) 價(jià)函數(shù)捜索算法找出數(shù)列y的最小值y(zf)，最小值y(zf)所對(duì)應(yīng)的Z即為對(duì)焦面與數(shù)字圖像 傳感器的距離Zf，距離數(shù)字圖像傳感器Zf處且垂直光傳播方向的平面即為對(duì)焦面。
[0019] 本發(fā)明的明顯效益在于:通過光學(xué)衍射算法在數(shù)字全息重構(gòu)過程中重構(gòu)出不同距 離的光場(chǎng)，對(duì)相鄰的光場(chǎng)的振幅或者強(qiáng)度作差平方求和，找出最小值的方法，實(shí)現(xiàn)了在數(shù)字 全息儀器裝備的重構(gòu)過程中的準(zhǔn)確、快速對(duì)焦，從而讓數(shù)字全息儀器獲取精確的物體位置 和清晰的圖像，并且同時(shí)沒有增加任何的硬件設(shè)備。
【附圖說明】
[0020] 圖1是具體實(shí)施例中的離軸數(shù)字全息的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。1為平行激光光束，2為平 面反射鏡，3為分束鏡，4為平面反射鏡，5為用來(lái)成像的對(duì)象物體，6為分束鏡，7為數(shù)字圖像 傳感器(在【具體實(shí)施方式】中為CCD)，，8為計(jì)算機(jī)，9為數(shù)字圖像傳感器到實(shí)際物體的距離，也 是對(duì)焦距離Zf。
[0021] 圖2是本發(fā)明一種應(yīng)用于數(shù)字全息重構(gòu)過程的對(duì)焦方法的流程圖
[0022] 圖3是具體實(shí)施例中采用說明書
【發(fā)明內(nèi)容】
里步驟(5)公式（1)后本發(fā)明得到的關(guān)于 y與Z的函數(shù)曲線圖
[0023] 圖4是具體實(shí)施例中采用說明書
【發(fā)明內(nèi)容】
里步驟(5)公式(2)后本發(fā)明得到的關(guān)于 y與Z的函數(shù)曲線圖
[0024] 圖5是具體實(shí)施例對(duì)采集到的全息圖衍射重構(gòu)出來(lái)的，在對(duì)焦面出的物體強(qiáng)度圖
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的數(shù)字全息重構(gòu)過程的對(duì)焦方法的典型實(shí)施例。應(yīng) 當(dāng)說明的是，此處所描述的具體實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0026] 圖1為離軸數(shù)字全息的裝置結(jié)構(gòu)圖。平面波激光束1由一個(gè)單波長(zhǎng)的激光光源提 供，經(jīng)過分束鏡3，分為兩束激光，一束經(jīng)過反射鏡2反射后射透過物體5，再通過分束鏡6出 射到CCD上；另一束激光通過分束鏡4W小傾斜角通過分束鏡6入射到CCD上，兩束激光在CCD 上發(fā)生干設(shè)，CCD記錄下干設(shè)圖（即全息圖），CCD分辨率為2750巧200，并把數(shù)字化后的干設(shè) 圖輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)經(jīng)過傅里葉變換濾波處理濾除0級(jí)直流項(xiàng)和-1級(jí)的李生共輛項(xiàng)后得 到物光光場(chǎng)矩陣化，大小為2200巧750個(gè)元素。
[0027] 用直尺粗略測(cè)量后估算出聚焦區(qū)間[181mm，187mm]。設(shè)置區(qū)間采樣數(shù)為201，故采 樣間隔delta= 0.03mm，可W得到zi= 181mm，Z2 =zi+delta= 181.03mm，Z3 =zi+2delta= 181.06mm，Z4=zi+3delta= 181.09mm，...，Z2〇i=zi+(201-1 )*del1:a= 187.00mm。
[002引對(duì)反向傳播距離Ζ1，Ζ2，Ζ3，···，Ζ201依次采用光學(xué)衍射算法的典型算法角譜傳播算 法反向衍射得到光場(chǎng)矩陣化，化，化，…，化01;
[0029] 在每個(gè)光場(chǎng)矩陣Ux中選相同位置需要對(duì)焦的目標(biāo)區(qū)域，得到新矩陣ROIx，即對(duì)焦窗 口，矩陣ROIx大小為64*64,其中，x=l，2,…，k;
[0030] 通過矩陣ROIx計(jì)算實(shí)數(shù)R(zx)，公式如下；
[0031]
[00創(chuàng)其中，R01x(i，j)為矩陣ROIx第i行、第j列的元素，
[0033] 或者通過公式如下：
[0034]
[00對(duì)其中，R01x(i，j)為矩陣ROIx第i行、觀列的元素；
[0036] 通過公式計(jì)算得到數(shù)列y(zi)，y(Z2)，…，y(Z2〇())，公式如下：
[0037] y(zx)=IR(zx)-R(zx+i)P,(x=l,2,... ,200),
[0038] 對(duì)實(shí)數(shù)數(shù)列y(zi)，y(Z2)，…，y(Z2〇o)，采用對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)捜索算法里的典型算法 Fibonacci捜索法找出數(shù)列y的最小值y(zo)，最小值y(zo)所對(duì)應(yīng)的Z即為對(duì)焦面與CCD的距 離zf= 184.1mm，從而確定距離數(shù)字圖像傳感器zf= 184.1mm處且垂直光傳播方向的平面即 為對(duì)焦面。
[0039] 關(guān)于y與Z的函數(shù)曲線圖如圖3和圖4所示，其中圖3為采用說明書
【發(fā)明內(nèi)容】
步驟(4) 公式（1)得到的結(jié)果，圖4為采用說明書
【發(fā)明內(nèi)容】
步驟(4)公式(2)得到的結(jié)果，在所測(cè)得的 對(duì)焦面處重構(gòu)的強(qiáng)度圖如圖5所示。
[0040] 表1為本方法和其他四種主流方法(基于光場(chǎng)強(qiáng)度賭的方法，基于光場(chǎng)強(qiáng)度方差的 方法，基于光場(chǎng)強(qiáng)度梯度的方法和基于光場(chǎng)強(qiáng)度傅里葉頻譜權(quán)重的方法)在分別選取100 個(gè)、1000個(gè)等間隔點(diǎn)和64*64像素、512巧12像素、2048*2048像素對(duì)焦窗口條大小件下對(duì)焦 耗時(shí)對(duì)比，可W看出本發(fā)明在同等條件下，耗時(shí)要明顯小于其他四種主流方法。
[0041] 表 1
[0042]
[0043]盡管特定參考實(shí)施例詳細(xì)的描述了本發(fā)明，但在此描述的本發(fā)明實(shí)施例的意圖不 是詳盡或者局限于所公開的具體形式。相反，所選用的用于說明問題的實(shí)施例是為了使本 技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員實(shí)施本發(fā)明而選擇的。在不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求所描述和限定的 本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍的情況下，存在變型例或修改例。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種應(yīng)用于數(shù)字全息重構(gòu)過程的對(duì)焦方法，其特征在于，該方法包括以下步驟： 步驟(1)采用數(shù)字全息方法得到全息圖后，處理全息圖得到物光場(chǎng)矩陣u〇; 步驟（2)用肉眼或者用常見長(zhǎng)度測(cè)量工具粗略測(cè)量后估算出一個(gè)對(duì)焦距離區(qū)間[Z1， zk]，確保對(duì)焦距離在該區(qū)間內(nèi)，此處對(duì)焦距離為成像對(duì)象與數(shù)字圖像傳感器的距離。設(shè)置 區(qū)間采樣數(shù)為k，計(jì)算出采樣間隔距離，每隔采樣間隔距離delta選取一個(gè)反 向傳播距離，依次得到22 = 21+(161七&，23 = 21 + 2(161七&，24=21 + 3(161七3，."，21{ = 21+(1<-1)* delta； 步驟(3)對(duì)反向傳播距離21，22,23，一，&依次采用光學(xué)衍射算法反向衍射得到光場(chǎng)矩陣 Ul，U2，U3，···，Uk; 步驟(4)在每個(gè)光場(chǎng)矩陣Ux中選相同位置需要對(duì)焦的目標(biāo)區(qū)域，得到新矩陣R0Ix，即對(duì) 焦窗口，矩陣R〇Ix大小為m*n，其中，x=l，2,…，k; 步驟(5)通過矩陣R0Ix計(jì)算實(shí)數(shù)R(zx)，公式如下；其中，R〇Ix(i，j)為矩陣R〇Ix第i行、第j列的元素， 或者通過公式如下：其中，R〇Ix(i，j)為矩陣R〇Ix第i行、第j列的元素； 步驟(6)計(jì)算數(shù)列y(zi)，y(Z2)，…，y(zk-i)，公式如下： y(zx)= |R(zx)-R(zx+i) |2,(x=1,2, . . . ,k-l), 步驟(7)對(duì)數(shù)列y(zi) ,y(Z2),…，y(zk-i)進(jìn)行處理找到對(duì)焦面。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(7)找到對(duì)焦面，具體如下： 直接遍歷數(shù)列y的所有項(xiàng)或者采用對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)搜索算法找出數(shù)列y的最小值y(Zf)，最 小值y(Zf)所對(duì)應(yīng)的Zf即為數(shù)字圖像傳感器到成像目標(biāo)物體的距離，距離數(shù)字圖像傳感器z f 處且垂直光傳播方向的平面，即為對(duì)焦面。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于數(shù)字全息重構(gòu)過程的對(duì)焦方法。該方法是在數(shù)字全息計(jì)算處理得到物光場(chǎng)后，物光場(chǎng)反向軸向傳播，對(duì)兩相鄰截面光場(chǎng)強(qiáng)度(或振幅)的同一對(duì)焦區(qū)域矩陣元素作差，然后對(duì)所得到的矩陣的元素平方，再對(duì)平方后的矩陣所有元素求和得到一個(gè)函數(shù)值，依次對(duì)相鄰等間距的軸向截面圖像作上述處理即可以得到一組函數(shù)值，找到這組函數(shù)值的最小值，其對(duì)應(yīng)的距離處即為對(duì)焦面的位置。該方法可應(yīng)用于數(shù)字全息儀器裝置的重構(gòu)過程中的對(duì)焦，具有計(jì)算簡(jiǎn)單，適應(yīng)范圍廣，對(duì)焦準(zhǔn)確，不需要額外增加硬件裝置等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】G03H1/22
【公開號(hào)】CN105446111
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610005898
【發(fā)明人】呂萌, 司徒國(guó)海
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
【公開日】2016年3月30日
【申請(qǐng)日】2016年1月6日