[发明专利]数字全息三维重建方法

说明书

本发明提出一种数字全息三维重建方法，该方法包括以下步骤：S0：对一幅干涉条纹图像进行二维傅立叶变换；对傅立叶频域分析处理后进行二维傅立叶逆变换；S1：判断相位衍射平面到干涉条纹图像平面的距离是否为0，如是，则将执行S3；如否，则执行S2；S2：对提取的正的干涉相位信息进行菲涅尔数字衍射计算，提取正的物体光相位信息，并调整菲涅尔数字衍射距离为聚焦位置，以获取聚焦位置的相位；S3：将提取的正的信息代入干涉测量法公式计算，获取物体的立体高度信息，以进行数字全息三维的重建。该方法通过对一幅干涉条纹图像进行频域分析，实现了高速实时且精密稳定的单次曝光数字全息测量。

技术领域

本发明属于数字全息领域，尤其涉及一种利用二维傅立叶干涉条纹分析的数字全息三维重建方法。

背景技术

数字全息是指利用光学干涉及衍射原理的数字化光场重建的方法，数字全息将反射光的不透明物体表面或者透过光的透明、半透明物体内部结构中每一个三维空间中的点看作为一个点光源，通过数字化光学干涉和衍射的数学公式，利用计算机计算出这些点光源发光时光波相位，根据干涉测量法实现对不透明物体表面或者透明、半透明物体形状进行纳米级超精密的三维测量。

进行数字全息超精密三维测量时，需要干涉条纹的记录和物体光重建两个步骤。而干涉条纹的记录需要通过搭建干涉光学系统并使用数字相机拍摄干涉条纹完成；物体光重建则需要使用数字菲涅耳变换对干涉条纹图像进行数字化衍射计算从而得到物体光场中光的相位分布，最终使用干涉测量法实现三维重建。

现有技术中，其使用的菲涅耳变换的数学公式如下：

上述式(1)中，Γ(ξ′，η′)为菲涅耳衍射平面上的光复数信息，包括光强和相位，(ξ′，η′)表示菲涅耳衍射平面上的平面坐标，A(x，y)为光源透过光圈平面中光圈时的光复数信息，仅含有光强值，也就是干涉条纹图像的灰度值，(x，y)表示光圈平面上的平面坐标，d表示菲涅耳衍射平面和光圈平面之间的垂直距离，ρ‘表示光圈上的一点颜射到菲涅耳衍射平面上一点时的衍射距离，λ表示光源的光波长值，i表示复数。

上述中可知，双重积分在计算机计算上不具备速度优势，存在计算机编程烦琐的缺点。另外，使用式(1)进行数字全息三维重建时，通常将数字相机拍摄到的干涉条纹直接代入公式，由于数字相机拍摄到的仅仅是干涉条纹的光强，而干涉条纹呈正弦波的形式，因此通常的三维重建中，如下述式(2)所示，正弦波的正的相位、负的相位以及直流成分将同时被重建出来，其中仅有正的相位精确反映了实际物体的形状信息，负的相位和直流成分作为噪声影响着精确的测量。

其中，A(x，y)表示干涉条纹图像的灰度值，(x，y)表示图像坐标。A_R(x，y)表示参照光的复变函数，A_o(x，y)表示物体光的复变函数，表示参照光复变函数的共轭，即相位相反，表示物体光复变函数的共轭。B(x，y)表示干涉条纹中的直流信息，表示干涉条纹中负的物体光相位信息，A_o(x，y)表示三维重建真正需要的物体光正的相位信息。

上述现有技术中，虽然利用相移数字全息能够实现从一幅图像中提取正的物体光相位信息，但是却需要2-4幅相移干涉条纹图像，拍摄多幅相移干涉条纹图像耗费时间且拍摄过程中干涉条纹的相移精度极易受到震动、空气对流等环境因素影响，不仅无法实现快速实时的数字全息三维测量而且测量环境要求苛刻，这些因素都导致数字全息测量设备价格昂贵，应用场合受限。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种数字全息三维重建方法，该数字全息三维重建方法，通过对一幅干涉条纹图像进行频域分析，快速实时地从一幅干涉条纹图像中提取三维测量所需的正的物体光相位信息，从而实现高速实时且精密稳定的单次曝光数字全息测量。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：