[发明专利]一种连续太赫兹波的同轴数字全息相位复原成像方法

权利要求书

1.一种连续太赫兹波的同轴数字全息相位复原成像方法，其特征在于：

系统光路包括CO₂泵浦太赫兹激光器（1），He-Ne激光器（2），分光棱镜（3），反射镜（4），第一镀金抛物面镜（5）、第二镀金抛物面镜（6），样品（7），热致电图像采集器（8）；CO₂泵浦太赫兹激光器（1）用于输出连续太赫兹波；He-Ne激光器（2）用于输出连续红色激光；分光棱镜（3）用于反射He-Ne激光器（2）的输出光波（2a）和透射CO₂泵浦太赫兹激光器（1）的输出光波（1a）；反射镜（4）用于偏转CO₂泵浦太赫兹激光器（1）和He-Ne激光器输出光的角度，得到反射光（4a）；第一镀金抛物面镜和第二镀金抛物面镜组成一个扩束单元，将反射镜的反射光（4a）直径扩束，传播方向平行；样品放置在第二镀金抛物面镜和热致电图像采集器之间，且需保证样品被测面积小于光束直径，光束照射在样品上散射的部分光波具有物体形貌信息称为物光波（7a），未散射的部分光波称为参考光波（6a），物光波（7a）和参考光波（6a）干涉形成的同轴全息图被热致电图像采集器采集，称为全息图H_i(x,y)，其中i表示采集的幅数；其它情况保持不变，在第二镀金抛物面镜和热致电图像采集器之间移去样品，热致电图像采集器记录的图像，称为背景图像B_i(x,y)，其中i表示采集的幅数；

分光棱镜用于将He-Ne激光器的输出光波（2a）顺时针90度反射，依次穿过CO₂泵浦太赫兹激光器的出射窗口玻璃进入CO₂泵浦太赫兹激光器的谐振腔，在CO₂泵浦太赫兹激光器的谐振腔内原路返回，穿过CO₂泵浦太赫兹激光器的出射窗口玻璃，竖直穿过分光棱镜，用于校准分光棱镜，反射镜，第一镀金抛物面镜，第二镀金抛物面镜，和热致电图像采集器的相对位置；

全息图H_i(x,y)和背景图像B_i(x,y)的负像素消除、正像素叠加的重建预处理过程：当共m帧全息图H_i(x,y)中负像素出现的频率大于阈值ε时，替换取值为-1：

Hs(x,y)=Σi=1mHi(x,y)/Tx,y[Hi(x,y)≥0]∩[fH(x,y)<ϵ]-1[fH(x,y)≥ϵ],]]>

其中，m为复用帧数，H_i(x,y)为第i幅全息图，i的取值在1到m之间；f_H(x,y)为像素点(x,y)在所有m帧全息图中负像素出现的频率，ε为负像素出现频率的阈值，设为0.1；T_x,y为像素点(x,y)处的无负像素全息图帧数的累加值，H_s(x,y)为根据上述公式叠加后的全息图；当共m帧背景图像B_i(x,y)中负像素出现的频率大于阈值ε时，替换取值为-1：

Bs(x,y)=Σi=1mBi(x,y)/Sx,y[Bi(x,y)≥0]∩[fB(x,y)<ϵ]-1[fB(x,y)≥ϵ],]]>

其中，B_i(x,y)为第i幅背景图像，i的取值在1到m之间；f_B(x,y)为像素点(x,y)在所有m帧背景图像中负像素出现的频率，ε为负像素出现频率的阈值，设为0.1；S_x,y为像素点(x,y)处的无负像素背景图像帧数的累加值，B_s(x,y)为根据上述公式叠加后的背景图像；其中赋值-1为标记幅值缺失像素；

累加全息图归一化重建预处理过程：下述公式中的-1代表全息图H_s(x,y)或背景图像B_s(x,y)的幅值缺失像素；当全息图H_s(x,y)或背景图像B_s(x,y)为-1时，归一化后的全息图H_n(x,y)取值为-1，当全息图H_s(x,y)和背景图像B_s(x,y)不为-1时，做如下处理过程：

Hn(x,y)=Hs(x,y)/Bs(x,y)[Hs(x,y)≠-1]∩[Bs(x,y)≠-1]-1[Hs(x,y==-1]∪[Bs(x,y)=-1].]]>

H_n(x,y)为归一化后的全息图，H_s(x,y)为原全息图，B_s(x,y)为背景图像；

相位重建迭代方法四步步骤：

（1）将归一化全息图H_n(x,y)的非负值称为已知像素，将归一化全息图H_n(x,y)的-1值称为缺失像素；通过记录面上缺失像素附近的已知像素值，线性插值补回缺失数据，得到插值后的记录面强度分布H'_n(x,y)；常数0设为记录面的初始相位值，记录面强度分布H'_n(x,y)的平方根设为记录面的初始幅值，初始相位值和初始幅值的乘积作为记录面的初始复振幅U_d(x,y)，开始迭代计算；

（2）采用角谱积分传播算法将记录面复振幅U_d(x,y)模拟传播到物面，得到物面复振幅U₀(ξ,η)；

（3）为消除孪生像，物面复振幅U₀(ξ,η)需做阈值处理，当振幅大于1时替换取值为1，其对应相位值为0，当振幅小于等于1时，保持原值：

U0′(ξ,η)=U0(ξ,η)[|U0(ξ,η)|≤1]1[|U0(ξ,η)|>1]]]>

U₀(ξ,η)为阈值处理前的物面复振幅，U₀'(ξ,η)为阈值处理后的物面复振幅；

（4）采用角谱积分传播算法将物面复振幅U₀'(ξ,η)模拟传播到记录面，得到记录面复振幅U_d'(x,y)；对于U_d'(x,y)已知像素，即归一化全息图H_n(x,y)的非负值像素，提取出复振幅U_d'(x,y)的相位值φ_d'(x,y)，与归一化全息图的幅值，即归一化全息图H_n(x,y)的平方根相乘，得到更新后的记录面复振幅U_d(x,y)；对于U_d'(x,y)缺失像素，即归一化全息图H_n(x,y)的-1值像素，复振幅U_d'(x,y)保持不变，即U_d(x,y)=U_d'(x,y)：

Ud′′(x,y)=Ud′(x,y)[Hn(x,y)=-1]Hn(x,y)exp[jφd′(x,y)][Hn(x,y)≠-1]]]>

U_d'(x,y)为阈值更新前的物面复振幅，U_d(x,y)为阈值更新后的物面复振幅，φ_d'(x,y)为阈值更新前的物面相位值，j为复数符号，H_n(x,y)表示归一化全息图；

通过计算得到的物体复振幅U_d(x,y)被用作下一轮迭代计算的输入值，即替换步骤（2）中的U_d(x,y)，迭代过程从步骤（2）开始至步骤（4），经过100次以上迭代后，将最终消除孪生像。

2.根据权利要求1所述的一种连续太赫兹波的同轴数字全息相位复原成像方法，其特征在于：

平均复用帧数m在热致电图像采集器采样频率为48Hz时的帧数为125帧或125帧的倍数。