CN102878930B - 一种位相物体位相分布的定量测量方法和装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种位相物体位相分布的定量测量方法和装置及其应用。该方法为将平行光投射到位相物体上，经过成像透镜，得到位相物体的明场像；沿着光束方向，在成像透镜后的频谱面上放置滤波器吸收物体的零级频谱，得到位相物体的暗场像；根据两幅图像所携带的信息及像光强的理论表达式，利用图像处理技术分析明场像和暗场像，得到位相物体的每一点位相值，重构位相物体的位相分布或图像。实现该方法的装置为沿着光束前进方向，光源、扩束透镜、针孔滤波器、准直透镜、用于放置位相物体的装置、成像透镜、用于吸收位相物体零级频谱的滤波器和面阵光电探测器依次排列。本发明实现了位相物体的定量测量，测量位相范围0～π，装置简单，成本低。

Description

一种位相物体位相分布的定量测量方法和装置及其应用

技术领域

本发明属于光学精密测量及图像显示技术领域，特别涉及一种位相物体位相分布的定量测量方法和装置及其应用。

背景技术

观察及显示纯位相物体的方法有多种，主要有相衬法、暗场法、纹影法、刀口法等，这些方法在光学信息处理、生物医学、材料检测及科学研究等领域有广泛应用，但这些方法多用于定性观察，难以实现纯位相物体的定量位相分布测量。目前，位相物体的定量测量方法主要有双点源干涉扫描成像法、微分干涉相衬法、相移干涉法等，这些方法各有优缺点，有些不能进行实时测量，有些光学元件较多，光路调节比较复杂。虽然双点源干涉扫描成像法可以实现位相物体位相分布的测量与重构成像，但成像时间较长，不能用于实时成像或观察。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种位相物体位相分布的定量测量方法。

本发明的另一目的在于提供实现上述位相物体位相分布的定量测量方法的装置。

本发明的再一目的在于提供所述的装置的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种位相物体位相分布的定量测量方法，包括以下步骤：

（1）由光源发射一束单色光，经光束处理机构处理，得到一束平行光；

（2）步骤（1）得到的平行光投射到位相物体上，经过成像透镜，利用面阵光电探测器接收并拍摄位相物体，得到位相物体的明场像；沿着光束方向，在成像透镜后的频谱面上放置滤波器吸收物体的零级频谱，利用面阵光电探测器接收并拍摄位相物体，得到位相物体的暗场像；根据两幅图像所携带的信息及像光强的理论表达式，利用图像处理技术分析明场像和暗场像，得到位相物体的每一点位相值，重构位相物体的位相分布或图像；

步骤（1）中所述的光束处理机构包括沿着光束前进方向依次共轴排列的扩束透镜、针孔滤波器和准直透镜；

步骤（2）中所述的成像透镜优选为凸透镜；

步骤（2）中所述的滤波器优选为高通滤波器；

步骤（2）中所述的利用图像处理技术分析明场像和暗场像的具体步骤为：分析位相物体的明场像和暗场像上的光强分布，并与理论光强分布进行比较，求出暗场成像的调制度或反衬度，确定位相定量的求解公式，进而利用暗场成像的光强分布公式定量计算像面上每一点的位相，最后重构位相物体的位相分布或图像；

所述的位相物体的位相分布为其中，I(x,y)为暗场像面光强分布，I₀(x,y)为明场像面光强分布；

一种实现上述位相物体位相分布的定量测量方法的装置，包含光源、扩束透镜、针孔滤波器、准直透镜、成像透镜、用于吸收位相物体零级频谱的滤波器、面阵光电探测器和用于放置位相物体的装置；其中，光源、扩束透镜、针孔滤波器、准直透镜、成像透镜、用于吸收位相物体零级频谱的滤波器和面阵光电探测器沿着光束前进方向依次排列，用于放置位相物体的装置设置于准直透镜和成像透镜之间；

各部件由光具座或光学平台固定，各部件之间的距离是可调的；

所述的实现位相物体位相分布的定量测量方法的装置，还包含计算机，计算机与面阵光电探测器连接；

所述的实现位相物体位相分布的定量测量方法的装置优选含有两块成像透镜，此时，该装置的结构为：光源、扩束透镜、针孔滤波器、准直透镜、成像透镜I、用于吸收位相物体零级频谱的滤波器、成像透镜II和面阵光电探测器沿着光束前进方向依次排列，用于放置位相物体的装置设置于准直透镜和成像透镜I之间；

所述的实现位相物体位相分布的定量测量方法的装置，还包含屏蔽罩，屏蔽罩设置于所有部件的外部，优选设置于成像透镜、用于吸收位相物体零级频谱的滤波器和面阵光电探测器的外部；屏蔽罩有利于降低环境光、杂散光对测量光强的影响；

所述的光源优选为单色光源，更优选为各种小功率连续波激光器，如He-Ne激光器及半导体激光器；

所述的光源为复色光源时，所述的装置还包含滤色片，滤色片位于光源和扩束透镜之间；

所述的成像透镜优选为凸透镜；

所述的用于吸收位相物体零级频谱的滤波器优选为高通滤波器；

所述的装置用于实时定量检测位相物体，具体包括以下步骤：

（1）打开光源，如果经过准直透镜的光不是光斑均匀的平行光，则需微调扩束透镜、针孔滤波器和准直透镜，最终得到一束光斑均匀的平行光；

（2）移开用于吸收位相物体零级频谱的滤波器，将位相物体置于用于放置位相物体的装置中，调节成像透镜与位相物体的距离，使位相物体成像于面阵光电探测器的受光面上，得到位相物体的明场像；

（3）将用于吸收位相物体零级频谱的滤波器调整位于成像透镜的频谱面或焦面上，通过面阵光电探测器，得到位相物体的暗场像；

（4）将步骤（2）得到的明场像和步骤（3）得到的暗场像输送到计算机，利用图像处理技术分析计算得到位相物体的位相分布及位相物体的重构像；

步骤（2）和步骤（3）的顺序可调换，即可先获得暗场像，再获得明场像；

所述的装置用于实时定量检测位相物体，还包括以下步骤：采集背景光和面阵光电探测器的本底噪声，在图像处理中，将其消除。

本发明依据位相物体透镜成像原理，分别记录明场及暗场时的位相物体成像光强分布，通过数字图像处理技术对得到的信息进行计算，并与理论光强分布进行比较，求出暗场成像的调制度或反衬度，确定位相定量的求解公式，进而利用暗场成像的光强分布公式定量计算像面上每一点的位相，最后重构位相物体的位相分布或图像。

假设位相物体的透过率函数为：

其中为位相物体的位相分布，A为一常数，表示物体对入射光的均匀吸收；则透过位相物体的光场为：

$f(x,y)=\tilde{t}(x,y)=A{e}^{\mathrm{i\κ}(x,y)}---\left(2\right)$

将式（2）写成：

经过成像透镜，即对式（3）进行傅立叶变换，得到在频谱面上的频谱为：

$F(f_x,f_y)=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}\∫f(x,y)e^{-i2\mathrm{\π}(f_{x}x+f_{y}y)}\mathrm{dxdy}=\mathrm{A\δ}(f_x,f_y)+A[\mathrm{\Φ}(f_x,f_y)-\mathrm{\δ}(f_x,f_y)]---\left(4\right)$

式（4）中Φ(x,y)为的傅立叶变换，其中第一项零级频谱，对应直流分量，第二项为位相物体的交流频谱，分布在零级频谱周围；在频谱面上加上高通滤波器，其空间滤波函数为：

通过高通滤波器的光场复振幅为：

F′(f_x,f_y)=F(f_x,f_y)H(f_x,f_y)=A[Φ(f_x,f_y)-δ(f_x,f_y)]            （6）

对式（6）进行傅立叶逆变换，得到像面上的光场复振幅为：

因此，得到暗场法像面上的光强分布为：

则

移开滤波器，即不吸收零级频谱，则物体在像面的光场复振幅为：

则明场光强分布为：

I₀(x，y)＝f″(x，y)f″^*(x，y)＝A²        （11）

则（9）式可以写成

分析（8）、（11）、（12）式可知：

①吸收零级频谱后，暗场像面光强分布与物体位相分布的余弦值成线性关系，用面阵光电探测器记录下暗场的像面光强分布，为I(x,y)；

②没有滤波器，明场像面光强分布为：I₀(x,y)=A²；

③根据步骤①和②得到的值，代入（12）式则可求得物体的位相分布

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明实现了位相物体的定量测量，测量位相范围0～π；

（2）本发明实现对位相物体的图像重构，可表示为三维图像、灰度图像或伪彩色图像；

（3）测量过程无损样品表面，速度快，且易于实现活体透明样品的自动测量；

（4）本发明所提供的装置简单，光路简单，所需元件少，调节方便，成本低，定量测量位相分布过程快速，能实现实时成像等特点。

附图说明

图1是实施例1提供的装置的示意图；

图2是实施例2提供的装置的示意图；

其中，1-光源、2-扩束透镜、3-针孔滤波器、4-准直透镜、5-搭载位相物体的透明介质、6-凸透镜、7-高通滤波器、8-屏蔽罩、9-面阵光电探测器、10-计算机、11-反射镜、12-凸透镜。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种实现位相物体位相分布的定量测量方法的装置，包含光源1、扩束透镜2、针孔滤波器3、准直透镜4、搭载位相物体的透明介质5、凸透镜6、高通滤波器7、屏蔽罩8、面阵光电探测器9和计算机10。其中，沿着光束方向，光源1、扩束透镜2、针孔滤波器3、准直透镜4、搭载位相物体的透明介质5、凸透镜6、高通滤波器7和面阵光电探测器9依次排列，计算机10和面阵光电探测器9连接，屏蔽罩8设置在凸透镜6、高通滤波器7和面阵光电探测器9的外部。

光源1可为各种小功率可见光激光器，如氦氖激光器、半导体激光器等单色光源或复色光源加滤色片；扩束透镜2及准直透镜4为玻璃凸透镜或透镜组；针孔滤波器3可与扩束透镜2整合成一个部件，方便系统的搭建；搭载位相物体的透明介质5为诸如玻璃板的透明物质；凸透镜6为消像差及色差透镜组，如显微镜物镜组；高通滤波器7可由玻璃镀膜或感光材料等制成，不透光区的直径选取与凸透镜6的焦距有关，一般在5微米～500微米之间，且装于三维精密微调座上，以便调整其位置准确位于凸透镜6的焦点上；面阵光电探测器9可选用CCD、COMS等面阵光电器件，其光谱响应应与光源波长匹配。另外，为减小环境光、杂散光对测量光强的影响，将凸透镜6、滤波器7及面阵光电探测器9装于屏蔽罩8内。

本方案装置的光路调节与测量过程为：首先装上光源1，调节光源1发出的光束与光学平台或光具座平行，调节扩束透镜2、针孔滤波器3、准直透镜4、凸透镜6与光源1发出的光束共轴。微调扩束透镜2、针孔滤波器3、准直透镜4的位置，得到一束光斑均匀的平行光，投射到载于搭载位相物体的透明介质5上的位相物体上，调节凸透镜6与位相物体的距离，使位相物体成像于面阵光电探测器9的受光面上。在凸透镜6的频谱面或焦面上放上高通滤波器7吸收位相物体的零级频谱，微调高通滤波器7的位置，使面阵光电探测器9获得物体的暗场像，并用其接收并拍摄暗场时的像面光强分布；移开高通滤波器7，再用面阵光电探测器9记录位相物体的明场像光强分布；暗场像与明场像的拍摄顺序也可以倒过来，即先不放高通滤波器7，用面阵光电探测器9记录位相物体的明场像，再放上高通滤波器7，接着拍摄位相物体的暗场像。将两次记录像光强分布的图像输出到计算机10，利用图像处理技术分析计算得到物体的位相分布及位相物体的重构像。此外，还要采集本底光强（背景光及面阵光电探测器9的本底噪声等）的数据，进一步消除它们的影响。

实施例2

如图2所示，一种实现位相物体位相分布的定量测量方法的装置，包含光源1、扩束透镜2、针孔滤波器3、准直透镜4、搭载位相物体的透明介质5、凸透镜6、高通滤波器7、屏蔽罩8、面阵光电探测器9、计算机10、反射镜11和凸透镜12。其中，沿着光束方向，光源1、反射镜11、扩束透镜2、针孔滤波器3、准直透镜4、搭载位相物体的透明介质5、凸透镜6、高通滤波器7、凸透镜12和面阵光电探测器9依次排列；计算机10和面阵光电探测器9连接；扩束透镜2、针孔滤波器3、准直透镜4、搭载位相物体的透明介质5、凸透镜6、高通滤波器7、面阵光电探测器9和凸透镜12均设置在屏蔽罩内。光源1发出的光束经过反射镜11后，再通过扩束镜2、针孔滤波器3、准直透镜4后输出均匀的平行光，投射到载于搭载位相物体的透明介质5上的位相物体上，经过凸透镜6形成物体的频谱，在频谱面上采用高通滤波器7屏蔽零级频谱，再经过凸透镜12，在像面形成一光强分布为的暗场像，用面阵光电探测器9接收并拍摄；移开高通滤波器7，在像面形成以光强分布为I₀(x,y)=A²的明场像，再用面阵光电探测器9接收并拍摄，将两张含有不同信息的图像输出到计算机10，利用图像处理技术分析计算得到物体的位相分布同样地，采用屏蔽罩8对装置进行杂散光的屏蔽。

本实施例提供的装置与实施例1提供的装置比较，区别在于：（1）采用立式结构，采用反射镜将光源与其它元件分离，减少屏蔽罩的长度；（2）在高通滤波器7与面阵光电探测器9之间多了一个凸透镜12，其作用是缩短成像距离，减少屏蔽罩的长度，为实现仪器制造提供了基础；（3）屏蔽罩8在搭载位相物体的透明介质5、高通滤波器7处均开孔，使用者可以进行更换位相物体，若将高通滤波器7换成泽尼特相板，则装置则可以改装成相衬显微装置。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种位相物体位相分布的定量测量方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)由光源发射一束单色光，经光束处理机构处理，得到一束平行光；

(2)步骤(1)得到的平行光投射到位相物体上，经过成像透镜，利用面阵光电探测器接收并拍摄位相物体，得到位相物体的明场像；沿着光束方向，在成像透镜后的频谱面上放置滤波器吸收物体的零级频谱，利用面阵光电探测器接收并拍摄位相物体，得到位相物体的暗场像；根据两幅图像所携带的信息及像光强的理论表达式，利用图像处理技术分析明场像和暗场像，得到位相物体的每一点位相值，重构位相物体的位相分布或图像；

步骤(2)中所述的利用图像处理技术分析明场像和暗场像的具体步骤为：分析位相物体的明场像和暗场像上的光强分布，并与理论光强分布进行比较，求出暗场成像的调制度或反衬度，确定位相定量的求解公式，进而利用暗场成像的光强分布公式定量计算像面上每一点的位相，最后重构位相物体的位相分布或图像；

所述的位相物体的位相分布为其中，I(x,y)为暗场像面光强分布，I₀(x,y)为明场像面光强分布。

2.根据权利要求1所述的位相物体位相分布的定量测量方法，其特征在于：步骤(1)中所述的光束处理机构包括沿着光束前进方向依次共轴排列的扩束透镜、针孔滤波器和准直透镜。

3.根据权利要求1所述的位相物体位相分布的定量测量方法，其特征在于：步骤(2)中所述的成像透镜为凸透镜；

步骤(2)中所述的滤波器为高通滤波器。

4.一种实现权利要求1～3任一项所述位相物体位相分布的定量测量方法的装置，其特征在于：包含光源、扩束透镜、针孔滤波器、准直透镜、成像透镜、用于吸收位相物体零级频谱的滤波器、面阵光电探测器和用于放置位相物体的装置；其中，光源、扩束透镜、针孔滤波器、准直透镜、成像透镜、用于吸收位相物体零级频谱的滤波器和面阵光电探测器沿着光束前进方向依次排列，用于放置位相物体的装置设置于准直透镜和成像透镜之间。

5.根据权利要求4所述的实现位相物体位相分布的定量测量方法的装置，其特征在于：所述的成像透镜的数量为两块时，该装置的结构为：光源、扩束透镜、针孔滤波器、准直透镜、成像透镜I、用于吸收位相物体零级频谱的滤波器、成像透镜II和面阵光电探测器沿着光束前进方向依次排列，用于放置位相物体的装置设置于准直透镜和成像透镜I之间。

6.根据权利要求4所述的实现位相物体位相分布的定量测量方法的装置，其特征在于：还包含计算机，计算机与面阵光电探测器连接。

7.根据权利要求4所述的实现位相物体位相分布的定量测量方法的装置，其特征在于：还包含屏蔽罩，屏蔽罩设置于所有部件的外部。

8.根据权利要求4所述的实现位相物体位相分布的定量测量方法的装置，其特征在于：所述的光源为单色光源或复色光源；所述的光源为复色光源时，所述的装置还包含滤色片，滤色片位于光源和扩束透镜之间；

所述的成像透镜为凸透镜；

所述的用于吸收位相物体零级频谱的滤波器为高通滤波器。

9.权利要求4所述的装置的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)打开光源，如果经过准直透镜的光不是光斑均匀的平行光，则需微调扩束透镜、针孔滤波器和准直透镜，最终得到一束光斑均匀的平行光；

(2)移开用于吸收位相物体零级频谱的滤波器，将位相物体置于用于放置位相物体的装置中，调节成像透镜与位相物体的距离，使位相物体成像于面阵光电探测器的受光面上，得到位相物体的明场像；

(3)将用于吸收位相物体零级频谱的滤波器调整位于成像透镜的频谱面或焦面上，通过面阵光电探测器，得到位相物体的暗场像；

(4)将步骤(2)得到的明场像和步骤(3)得到的暗场像输送到计算机，利用图像处理技术分析计算得到位相物体的位相分布及位相物体的重构像。