CN104142131A - 一种相位成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种相位成像系统，包括光学成像系统、图像转换模块、平面位置确定模块、平面图像获取模块和相位恢复模块。采用该光学成像系统，经过透镜阵列中单元透镜的二次汇聚作用可以将透过光学系统光瞳面的光线一次成像在探测器的像元上，无需沿光轴移动探测器进行多次成像。这样，无需包括运动部件或分光部件即可对目标物体进行成像，保证了系统可以准确探测高速运动目标或者形态属性发生瞬变的目标，减少了系统结构的复杂度，增加了系统的稳定性。

Description

一种相位成像系统

技术领域

本发明属于光学成像技术，涉及一种相位成像系统。

背景技术

相位成像技术基于波前测量和形状成像原理，由一组纵向离焦序列图像经过处理后获得所需的形状信息。相位成像算法利用三帧在运动方向(运动方向与光波衍射方向一致)上不同位置的图像作为数据处理的基础，利用光强信息恢复波振面。相位图像中的物体几何特征更明显，噪声对其影响比较小，且不受明暗对比度的影响，基于这些优良特性，相位成像可以用于微弱目标检测及提供三维形状图像。

由于需要记录三个面的光强信息，现有的方法有两种，一种是通过固定物体位置，利用探测器沿着光轴方向进行移动分别成像，记录欠焦、聚焦及过焦平面上的光强信息；另一种通过能量分光，利用三个探测器实现记录欠焦、聚焦及过焦平面上的光强信息。

由上可见，第一种相位成像技术要求该成像系统的机械调焦机构中必须包含运动部件，才能将探测器沿着光轴移动进行扫描成像，这样必然增加了结构的复杂度，且该运动部件的引入降低了系统的稳定性；第二种相位成像技术要求该成像系统必须包含三个探测器以及分束器，才能记录三个平面上的信息，这样在增加了结构的复杂度同时也增加了系统的成本，同时由于分束器的引入会造成光路的变化，使不同焦距位置的光线发生变化。此外，第一种相位成像技术要对不同焦距位置平面上的光线进行成像，需要多次调整机械调焦结构中的运动部件进行三次扫描成像，需要较长的扫描成像时间；第二种相位成像技术需要严格保证三个探测器同时触发，因此以上两种相位成像难以准确探测高速运动目标或者形态属性发生瞬变的目标。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种相位成像系统，可以准确探测高速运动目标或者形态属性发生瞬变的目标，并且降低系统结构的复杂度，增强系统的稳定性。

本发明的技术方案是：一种相位成像系统，包括光学成像系统、图像转换模块、平面位置确定模块、平面图像获取模块和相位恢复模块；

光学成像系统对目标物体进行成像，得到探测器图像；所述的光学成像系统包括透镜组、透镜阵列和探测器；目标光束经过透镜组汇聚后，再经过透镜阵列中的单元透镜进行二次汇聚，将透镜组光瞳面的光线一次成像在探测器像元上；

图像转换模块将获取的探测器图像转换为四维光束分布矩阵；

平面位置确定模块计算获得各焦面对应的像平面位置z_k；

平面图像获取模块根据所述平面位置确定模块获取的各焦面对应的像平面位置z_k，对所述四维光束分布矩阵进行求和，得到各焦面对应的像平面图像；

所述相位恢复模块根据所述各焦面对应的像平面图像，计算得到波振面相位信息，即得到相位图像。

图像转换模块根据如下公式将所述探测器图像转换为四维光强分布矩阵：

$O(x,y,z)=\underset{i=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{q-1}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{m,n}(x,y,z)$

其中，L_m,n(x,y,z)为第m行、第n列个基原图像重建得到的光强分布矩阵，其中p，q分别是微透镜在x,y方向上的个数，O(x,y,z)为四维光强分布矩阵；所述的基原图像为某个微透镜单元在探测器像面上所成的图像。

所述平面图像获取模块，用于对所述四维光束分布矩阵进行求和，得到各焦面的像平面图像

$O(x,y,z_k)=\underset{i=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{q-1}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{m,n}(x,y,z_k).$

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)采用本发明，经过透镜阵列中单元透镜的二次汇聚作用可以将透镜组光瞳面的光线一次成像在探测器像元上，因此无需沿光轴移动探测器进行成像，即可得到不同焦面的图像。

2)现有的相位成像系统需要记录三个面的光强信息，现有的方法有两种，一种是通过固定物体位置，利用探测器沿着光轴方向进行移动分别成像，记录欠焦、聚焦及过焦平面上的光强信息；另一种通过能量分光，利用三个探测器实现记录欠焦、聚焦及过焦平面上的光强信息。

3)与现有的相位成像系统相比，无需包括运动部件或分光部件即可准确探测高速运动目标或者形态属性发生瞬变的目标，仅需拍摄一次，并且降低系统结构的复杂度，增强系统的稳定性。易于实现轻量小型化。

附图说明

图1本发明实施例中的光学系统结构示意图；

图2相位成像系统；

图3为光场相机图像复原的示意图；

图4不同焦面计算过程示意图；

图5相位恢复流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，一下参照附图并列举实施例，对本发明进一步说明。

图1为本发明实施例中光学成像系统示意图，该光学成像系统包括：透镜组、透镜阵列和探测器。

经过透镜阵列中单元透镜的二次汇聚作用可以将透镜组光瞳面的光线一次成像在探测器像元上，无需沿光轴移动探测器进行成像。这样，无需包括运动部件或分光部件即可准确探测高速运动目标或者形态属性发生瞬变的目标，并且降低系统结构的复杂度，增强系统的稳定性。易于实现轻量小型化。

图2出示了包含图1所示光学系统的相位成像系统。该相位成像系统包括光学成像系统、图像转换模块、平面位置确定模块、平面图像获取模块和相位恢复模块。

其中光学成像系统，用于对目标物体进行成像，得到探测器图像；

图像转换模块，用于从所述光学成像系统获取所述探测器图像，并将所述探测器图像转换为四维光束分布矩阵；

平面位置确定模块用于计算获得各焦面对应的像平面位置z_k；

平面图像获取模块，根据所述平面位置确定模块获取所述各焦面对应的像平面位置，对所述四维光束分布矩阵进行求和，得到各焦面对应的像平面图像；

所述相位恢复模块，从所述各焦面对应的像平面图像得到波振面相位信息，即得到相位图像。

在具体的应用中该图像转换模块、平面位置确定模块和平面图像获取模块通过使用计算机合成的微透镜阵列形成原始的逆绘图程序，图3中，探测器像面到微透镜距离为f，微透镜到重构像面距离为d，根据几何光学关系，探测器像面通过微透镜后在重构像面上形成放大或者缩小的倒像，其比例因子为M＝d/f。

由探测器像面记录下第m行、第n列基原图像(微透镜单元在探测器像面上成的像)重构的光强分布矩阵L_m,n(x,y,z)可以表示为：

$L_{m,n}(x,y,z)=\frac{I_{m,n}(x,y)((m-1)h_x-\frac{x-(m-1)h_x}{M},(n-1)h_y-\frac{x-(n-1)h_y}{M})}{{(d+f)}^2+{(x-(m-1)h_x)}^2(1+\frac{1}{M})+{(y-(n-1)h_y)}^2(1+\frac{1}{M})}$

式中：I_m,n(x,y,z)为探测器像面上记录下的第m行、第n列基原图像的光强信息；

x，y，z表示空间坐标；

h_x，h_y表示基原图像在x，y方向上的长度；

f为探测器像面到微透镜距离；

d为微透镜到重构像面距离；

M为比例因子d/f；

重构得到四维光束分布矩阵是所有基原图像的重构光强矩阵的线性叠加：

$O(x,y,z)=\underset{i=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{q-1}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{m,n}(x,y,z)$

其中p，q分别是微透镜在x,y方向上的个数。

由平面位置确定模块确定所需各焦面像所在的位置z_k；

图4是不同焦面成像计算过程示意图，在不同重构位置z_k处对图像进行重构，得到不同焦面的图像O(x,y,z_k)，其中，

$O(x,y,z_k)=\underset{i=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{q-1}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{m,n}(x,y,z_k)$

该相位恢复模块，根据各焦面的像平面图像计算波振面相位信息，得到相位图像。流程如图5所示，使用已知的平面2强度与假设的相位生成一个光波场，光波场通过传波公式传输到平面3，使用已知平面3的强度与算出的平面3的相位结合产生新的光波场，之后再传播到平面2，使用已知平面2的强度与算出的平面2的相位结合产生新的光波场，直到迭代结束。其中传播公式为：

$\mathrm{\ξ}(r,z=\mathrm{\Δz})=F^{-1}\exp (-\frac{{\mathrm{i\Δzq}}^2}{2k})F\left[\mathrm{\ξ}(r,z=0)\right]$

其中，k＝2π/λ为波数，λ为波长，q为频域与x，y相关的系数，Δz为两焦面的距离差，F和F^-1分别为傅里叶变换和傅里叶逆变换，ξ(r,z)为波场方程：

ξ(r,z)＝I^1/2(r,z)exp[iφ(r,z)]

I^1/2(r,z)为光强，φ(r,z)为相位。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种相位成像系统，其特征在于：包括光学成像系统、图像转换模块、平面位置确定模块、平面图像获取模块和相位恢复模块；

光学成像系统对目标物体进行成像，得到探测器图像；所述的光学成像系统包括透镜组、透镜阵列和探测器；目标光束经过透镜组汇聚后，再经过透镜阵列中的单元透镜进行二次汇聚，将透镜组光瞳面的光线一次成像在探测器像元上；

图像转换模块将获取的探测器图像转换为四维光束分布矩阵；

平面位置确定模块计算获得各焦面对应的像平面位置z_k；

平面图像获取模块根据所述平面位置确定模块获取的各焦面对应的像平面位置z_k，对所述四维光束分布矩阵进行求和，得到各焦面对应的像平面图像；

所述相位恢复模块根据所述各焦面对应的像平面图像，计算得到波振面相位信息，即得到相位图像。

2.根据权利要求1所述的一种相位成像系统，其特征在于：图像转换模块根据如下公式将所述探测器图像转换为四维光强分布矩阵：

$O(x,y,z)=\underset{i=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{q-1}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{m,n}(x,y,z)$

其中，L_m,n(x,y,z)为第m行、第n列个基原图像重建得到的光强分布矩阵，其中p，q分别是微透镜在x,y方向上的个数，O(x,y,z)为四维光强分布矩阵；所述的基原图像为某个微透镜单元在探测器像面上所成的图像。

3.根据权利要求2所述的一种相位成像系统，其特征在于：所述平面图像获取模块，用于对所述四维光束分布矩阵进行求和，得到各焦面的像平面图像

$O(x,y,z_k)=\underset{i=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{q-1}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{m,n}(x,y,z_k).$