一种用于数字全息成像的自动聚焦方法、电子设备和介质

1.本发明涉及自动聚焦技术领域，尤其是涉及一种用于数字全息成像的自动聚焦方法、电子设备和介质。


背景技术：

2.在数字全息成像中，数字全息图包括被测物体的强度和相位信息，为了准确地重建这些强度或相位信息，获得准确的最佳重建距离对于重建质量至关重要。在实际中难以准确测量重建距离的大小，当重建距离与记录距离存在偏差时，由于数字全息技术的相干成像特性，导致重建像的边缘出现振荡现象，从而降低重建像的清晰度和测量的准确性。为了准确且清晰的重建被测物体的信息，自动聚焦技术被引入到数字全息领域。通常，数字全息成像自动聚焦涉及使用不同的重建距离d对全息图进行重建，然后基于自动聚焦评价函数分别作用于重建后的图像。该评价函数获得最大值或者最小值对应的重建距离d即为待测物体的最佳重建距离。一个好的自动聚焦方法应该在设定的重建范围内具有单峰性，较小的半峰全宽，并能准确检测各种类型的物体。因此，自动聚焦评价函数即成为数字全息重建自动聚焦的关键。
3.目前，已经提出了多种数字全息自动聚焦方法，大致可分为两类：基于锐度度量的方法和基于非锐度度量的方法；最常用的基于锐度度量的方法有：加权光谱分析(spec),灰度值分布方差(var),梯度计算累积边缘检测(gra),和基于拉普拉斯滤波的累积边缘检测(lap)。这些基于锐度度量的方法的性能高度依赖于样本的特征，存在对不同类型物体的适应能力相对较弱和计算量相对较大等方面的不足，因此在实际应用中受到很大限制。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于数字全息成像的自动聚焦方法、电子设备和介质，本发明适用于所有离轴数字全息光路，能够实现在数字全息仪器装备的重建过程中的准确、快速对焦。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.根据本发明的第一个方面，本发明提供一种用于数字全息成像的自动聚焦方法，包括如下步骤：
7.s1：通过离轴数字全息光路装置获取被测物体的离轴数字全息图；
8.s2：设定搜索范围和搜索范围内的采样数，进而计算采样间隔和重建距离；
9.s3：在s2计算得到的每个重建距离对s1获得的离轴数字全息图进行数值重建，得到不同重建距离上的物光场分布；
10.s4：根据s3得到的物光场分布，计算不同重建距离下的振幅图像分布；
11.s5：构造自动聚焦评价函数，根据自动聚焦评价函数和s4获取的振幅图像计算函数值，并对函数值进行归一化；
12.s6：以重建距离为横坐标，s5计算的函数值为纵坐标，构建聚焦评价函数曲线，对
函数值进行遍历搜索，根据被测物体的属性，搜索聚焦评价函数曲线的对应值，对应值对应的重建距离为最佳重建距离。
13.优选地，所述离轴数字全息光路装置包括激光器、扩束准直组件、第一分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第二分束镜、ccd相机和计算机，所述激光器用以生成光束，所述光束经扩束准直组件处理后被第一分束镜分成物光和参考光，所述第一反射镜和所述第二反射镜用以调节参考光和物光的干涉角度，所述参考光经第一反射镜反射后照射于第二分束镜上，所述物光经第二反射镜反射后照射被测物体，与参考光在第二分束镜上合束，合束后的物光和参考光在ccd相机上干涉，形成离轴数字全息图，并输入计算机。
14.优选地，所述s2中，测量被测物体与ccd相机之间的距离zr，根据距离zr设定搜索范围[z1,zk]，z1《zr《zk，k为采样数。
[0015]
优选地，计算采样间隔的公式为：
[0016]dz
＝(z
k-z1)/(k-1)。
[0017]
优选地，描述重建距离的公式为：
[0018]
z2＝z1+dz,z3＝z2+dz,z4＝z3+dz…
zk＝z1+(k-1)*dz。
[0019]
优选地，所述s3中，通过对在每个重建距离上对全息图依次进行傅里叶变换、角谱传播、逆傅里叶变换处理，实现对全息图的数值重建。
[0020]
优选地，所述s5中，描述自动聚焦评价函数的公式为：
[0021]ck-2
＝∑
x
∑y(|u
k-2
|+|u
k-1
|-2|uk|)2[0022]
式中，k为采样数，∣u
k-2
∣、∣u
k-1
∣、∣uk∣为三幅相邻的振幅图像，x和y分别为振幅图像上像素点的横坐标和纵坐标。
[0023]
优选地，所述s6中，若被测物体属于振幅型物体，搜索聚焦评价函数曲线的最小值，最小值对应的重建距离为最佳重建距离；若被测物体属于相位型物体，搜索聚焦评价函数曲线的最大值，最大值对应的重建距离为最佳重建距离。
[0024]
根据本发明的第二个方面，本发明提供一种电子设备，包括：
[0025]
一个或多个处理器；存储器；和被存储在存储器中的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如上任一所述的用于数字全息成像的自动聚焦方法的指令。
[0026]
根据本发明的第三个方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如上任一所述的用于数字全息成像的自动聚焦方法的指令。
[0027]
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
[0028]
本发明提供的用于数字全息成像的自动聚焦方法，适用于所有离轴数字全息光路，通过光学衍射算法在数字全息重建过程中重建出不同距离的光场，对三个相邻的光场的振幅作差和的平方再求和，得到最大值或者最小值，实现了在数字全息仪器装备的重建过程中的准确、快速对焦，从而让数字全息仪器获取精确的物体位置和清晰的图像，并且同时没有增加任何的硬件设备。
附图说明
[0029]
图1为本实施例提供的一种用于数字全息成像的自动聚焦方法的流程示意图。
[0030]
图2为图1所示实施例中离轴数字全息光路装置的结构示意图。
[0031]
图3为实施例1的重建结果，(a)图为振幅型物体的原始数字全息图，(b)图为归一化后的自动聚焦评价数值与重建距离之间的函数曲线图，(c)图和(d)图分别为聚焦和离焦时振幅型物体的数值重建强度图。
[0032]
图4为实施例2的重建结果，(a)图为相位型物体的原始数字全息图，(b)为归一化后的自动聚焦评价数值与重建距离之间的函数曲线图，(c)图、(d)图和(e)图分别为聚焦时相位型物体重建的强度图、二维相位图和三维相位图。
[0033]
图中标记为：1、激光器，2、扩束准直组件，3、第一分束镜，4、第一反射镜，5、第二反射镜，6、被测物体，7、第二分束镜，8、ccd相机，9、计算机。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0035]
参考图1所示，根据本发明的第一个方面，本实施例提供一种用于数字全息成像的自动聚焦方法，包括如下步骤：
[0036]
s1：通过离轴数字全息光路装置获取待处理的离轴数字全息图。
[0037]
作为一种可选的实施方式，参考图2所示，离轴数字全息光路装置包括激光器1、扩束准直组件2、第一分束镜3、第一反射镜4、第二反射镜5、第二分束镜7、ccd相机8和计算机9，激光器1用以生成光束，该光束经扩束准直组件2后被第一分束镜3分成物光和参考光，第一反射镜4和第二反射镜5用以调节参考光和物光的干涉角度，参考光经第一反射镜4反射后照射于第二分束镜7上，物光经第二反射镜5反射后照射被测物体6，与参考光在第二分束镜7上合束，最后，物光和参考光在ccd相机8上干涉，形成离轴数字全息图，并输入计算机9。
[0038]
作为一种可选的实施方式，激光器1为氦氖激光器，发出波长λ等于632.8nm的光。
[0039]
作为一种可选的实施方式，ccd相机8生成图像的像素大小为4.65um
×
4.65um。
[0040]
s2：测量被测物体6与ccd相机8之间的距离zr，设定搜索范围[z1,zk]，z1《zr《zk，设定搜索范围内的采样数k，计算采样间隔和重建距离。
[0041]
计算采样间隔的公式为：
[0042]dz
＝(z
k-z1)/(k-1)
[0043]
描述重建距离的公式为：
[0044]
z2＝z1+dz,z3＝z2+dz,z4＝z3+dz…
zk＝z1+(k-1)*dz[0045]
s3：采用角谱法在每个重建距离上对全息图进行数值重建，得到不同重建距离上的物光场分布u1，u2，
…
，uk。
[0046]
具体地，通过对在每个重建距离上对全息图依次进行傅里叶变换、角谱传播、逆傅里叶变换处理，实现对全息图的数值重建。
[0047]
s4：根据s3得到的物光场分布u1，u2，
…
，uk，计算不同重建距离下的振幅分布∣u1∣，∣u2∣，
…
，∣uk∣，其中，∣u
k-2
∣、∣u
k-1
∣、∣uk∣为三幅相邻的振幅图像，k大于2且为整数。
[0048]
s5：构造自动聚焦评价函数，根据自动聚焦评价函数计算函数值c1，c2，
…
，c
k-2
，并对函数值进行归一化。
[0049]
描述自动聚焦评价函数的公式为：
[0050]ck-2
＝∑
x
∑y(|u
k-2
|+|u
k-1
|-2|uk|)2[0051]
s6：以重建距离为横坐标，计算出的函数值为纵坐标，构建聚焦评价函数曲线，对函数值c1，c2，
…
，c
k-2
直接进行遍历搜索，如果被测对象属于振幅型物体，搜索聚焦评价函数曲线的最小值；如果被测对象属于相位型物体，搜索聚焦评价函数曲线的最大值；所搜得到的最小值或最大值所对应的重建距离为最佳重建距离，即实现准确聚焦。
[0052]
根据本发明的第二个方面，本发明提供一种电子设备，包括：
[0053]
一个或多个处理器；存储器；和被存储在存储器中的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如上任一所述的用于数字全息成像的自动聚焦方法的指令。
[0054]
根据本发明的第三个方面，本发明一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如上任一所述的用于数字全息成像的自动聚焦方法的指令。
[0055]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0056]
实施例1
[0057]
采用本实施例提出的用于数字全息成像的自动聚焦方法对振幅型物体进行自动聚焦的过程具体如下：
[0058]
s1：通过离轴数字全息光路装置对振幅型物体照射，生成对应的离轴数字全息图。
[0059]
s2：用软尺粗略测量振幅型物体到ccd相机8的距离，后估算出搜索区间[136mm,152mm]，设置搜索区间内的采样数为320，计算采样间隔dz＝0.05mm，得到重建距离分别为z1＝136mm，z2＝136.05mm,
…
zk＝152mm。
[0060]
s3：对重建距离分别为z1＝136mm，z2＝136.05mm,
…
zk＝152mm依次采用角谱法对全息图进行数值重建，得到不同重建距离上的物光场分布u1，u2，
…
，u
320
。
[0061]
s4：根据得到的物光场分布u1，u2，
…
，u
320
，计算得到不同重建距离下的振幅图像∣u1∣，∣u2∣，
…
，∣u
320
∣。
[0062]
s5：根据自动聚焦评价函数计算函数值c1，c2，
…
，c
318
，并对函数值进行归一化。
[0063]
s6：对函数值c1,c2,
…
,c
k-2
进行遍历搜索，搜索得到的最小值c
k0
所对应的重建距离zi＝144.2mm即为最佳重建距离，垂直光传播方向的平面为聚焦面。
[0064]
表1本实施例提供的自动聚焦方法和其他四种常用方法(基于加权光谱分析，基于灰度值分布方差，梯度计算累积边缘检测和基于拉普拉斯滤波的累积边缘检测的方法)对振幅型物体的聚焦检测结果
[0065][0066]
可以看出本发明在同等条件下，聚焦精度最高。
[0067]
实施例2
[0068]
采用本实施例提出的用于数字全息成像的自动聚焦方法对相位型物体进行自动聚焦的过程具体如下：
[0069]
s1：通过离轴数字全息光路装置对相位型物体照射，生成对应的离轴数字全息图。
[0070]
s2：用软尺粗略测量振幅型物体到ccd相机8的距离，后估算出搜索区间[54mm,70mm]，设置搜索区间内的采样数为320，计算采样间隔dz＝0.05mm，得到重建距离分别为z1＝54mm，z2＝54.05mm,
…
zk＝70mm。
[0071]
s3：对重建距离分别为z1＝136mm，z2＝136.05mm,
…
zk＝152mm依次采用角谱法对全息图进行数值重建，得到不同重建距离上的物光场分布u1，u2，
…
，u
320
。
[0072]
s4：根据得到的物光场分布u1，u2，
…
，u
320
，计算得到不同重建距离下的振幅图像∣u1∣，∣u2∣，
…
，∣u
320
∣。
[0073]
s5：根据自动聚焦评价函数计算函数值c1，c2，
…
，c
318
，并对函数值进行归一化。
[0074]
s6：对函数值c1,c2,
…
,c
k-2
进行遍历搜索，搜索得到的最大值c
k0
所对应的重建距离zi＝62mm即为最佳重建距离，垂直光传播方向的平面为聚焦面。
[0075]
表2本实施例提供的自动聚焦方法和其他四种常用方法(基于加权光谱分析，基于灰度值分布方差，梯度计算累积边缘检测和基于拉普拉斯滤波的累积边缘检测的方法)对相位型物体的聚焦检测结果
[0076][0077]
可以看出本发明在同等条件下，聚焦精度最高。
[0078]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种用于数字全息成像的自动聚焦方法，其特征在于，包括如下步骤：s1：通过离轴数字全息光路装置获取被测物体(6)的离轴数字全息图；s2：设定搜索范围和搜索范围内的采样数，进而计算采样间隔和重建距离；s3：在s2计算得到的每个重建距离对s1获得的离轴数字全息图进行数值重建，得到不同重建距离上的物光场分布；s4：根据s3得到的物光场分布，计算不同重建距离下的振幅图像分布；s5：构造自动聚焦评价函数，根据自动聚焦评价函数和s4获取的振幅图像计算函数值，并对函数值进行归一化；s6：以重建距离为横坐标，s5计算的函数值为纵坐标，构建聚焦评价函数曲线，对函数值进行遍历搜索，根据被测物体(6)的属性，搜索聚焦评价函数曲线的对应值，对应值对应的重建距离为最佳重建距离。2.根据权利要求1所述的一种用于数字全息成像的自动聚焦方法，其特征在于，所述离轴数字全息光路装置包括激光器(1)、扩束准直组件(2)、第一分束镜(3)、第一反射镜(4)、第二反射镜(5)、第二分束镜(7)、ccd相机(8)和计算机(9)，所述激光器(1)用以生成光束，所述光束经扩束准直组件(2)处理后被第一分束镜(3)分成物光和参考光，所述第一反射镜(4)和所述第二反射镜(5)用以调节参考光和物光的干涉角度，所述参考光经第一反射镜(4)反射后照射于第二分束镜(7)上，所述物光经第二反射镜(5)反射后照射被测物体(6)，与参考光在第二分束镜(7)上合束，合束后的物光和参考光在ccd相机(8)上干涉，形成离轴数字全息图，并输入计算机(9)。3.根据权利要求2所述的一种用于数字全息成像的自动聚焦方法，其特征在于，所述s2中，测量被测物体(6)与ccd相机(8)之间的距离z
r
，根据距离z
r
设定搜索范围[z1,z
k
]，z1<z
r
<z
k
，k为采样数。4.根据权利要求3所述的一种用于数字全息成像的自动聚焦方法，其特征在于，计算采样间隔的公式为：d
z
＝(z
k-z1)/(k-1)。5.根据权利要求3所述的一种用于数字全息成像的自动聚焦方法，其特征在于，描述重建距离的公式为：z2＝z1+d
z
,z3＝z2+d
z
,z4＝z3+d
z
…
z
k
＝z1+(k-1)*d
z
。6.根据权利要求1所述的一种用于数字全息成像的自动聚焦方法，其特征在于，所述s3中，通过对在每个重建距离上对全息图依次进行傅里叶变换、角谱传播、逆傅里叶变换处理，实现对全息图的数值重建。7.根据权利要求1所述的一种用于数字全息成像的自动聚焦方法，其特征在于，所述s5中，描述自动聚焦评价函数的公式为：c
k-2
＝∑
x
∑
y
(|u
k-2
|+|u
k-1
|-2|u
k
|)2式中，k为采样数，∣u
k-2
∣、∣u
k-1
∣、∣u
k
∣为三幅相邻的振幅图像，x和y分别为振幅图像上像素点的横坐标和纵坐标。8.根据权利要求1所述的一种用于数字全息成像的自动聚焦方法，其特征在于，所述s6中，若被测物体(6)属于振幅型物体，搜索聚焦评价函数曲线的最小值，最小值对应的重建距离为最佳重建距离；若被测物体(6)属于相位型物体，搜索聚焦评价函数曲线的最大值，
最大值对应的重建距离为最佳重建距离。9.一种电子设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器；存储器；和被存储在存储器中的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1～8任一所述的用于数字全息成像的自动聚焦方法的指令。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1～8任一所述的用于数字全息成像的自动聚焦方法的指令。

技术总结
本发明涉及一种用于数字全息成像的自动聚焦方法，包括如下步骤：通过离轴数字全息光路装置获取被测物体的离轴数字全息图；设定搜索范围和搜索范围内的采样数，进而计算采样间隔和重建距离；在每个重建距离对离轴数字全息图进行数值重建，得到不同重建距离上的物光场分布；计算不同重建距离下的振幅图像分布；构造自动聚焦评价函数，根据自动聚焦评价函数计算函数值，并对函数值进行归一化；构建聚焦评价函数曲线，根据被测物体的属性，搜索聚焦评价函数曲线的对应值，对应值对应的重建距离为最佳重建距离。与现有技术相比，本发明适用于所有离轴数字全息光路，能够实现在数字全息仪器装备的重建过程中的准确、快速对焦。快速对焦。快速对焦。


技术研发人员：关赢 周文静 崔泽 黄光彩
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/9/9