CN105222901A

CN105222901A - 基于光强传输方程的实时定量相位检测装置

Info

Publication number: CN105222901A
Application number: CN201510612837.6A
Authority: CN
Inventors: 程灏波; 文永富
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-09-24
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2016-01-06

Abstract

本发明公开了一种基于光强传输方程的实时定量相位检测装置，携带有物体信息的平行光进入4f成像系统后，通过正交分光棱镜将平行光分成三束光分别成像在三台相机上；利用高精密位移台调节三台相机的相对位置，通过计算机控制三台相机分别同时采集一副欠焦、聚焦和过焦光强图像；最后通过求解光强传输方程，可实现物体相位信息的定量获取。本发明相机的安装结构使得两幅非聚焦图像的离焦量严格相等以确保重构精度；另外采用三台普通相机同时成像，大大提高了系统的采集速度，特别适合于动态实时相位成像领域的相关应用。

Description

基于光强传输方程的实时定量相位检测装置

技术领域

本发明涉及一种基于光强传输方程的实时定量相位检测装置，属于光学测量和三维成像技术领域。

技术背景

相位的定量检测是光学测量与三维成像技术领域的一个重要研究课题，无论是在生物医学、波阵面重构还是表面形貌检测等领域中都发挥着非常重要的作用。众所周知，光波是由振幅和相位组成。统计表明大约有四分之一的信息被编码在振幅中，而有四分之三的信息被编码在相位中。然而，由于光波场的振荡频率非常高(10¹⁵Hz)，以致目前没有一个光学传感器能直接记录下光波场的振幅和相位信息。目前，干涉测量法作为最常用的相位检测技术，可以同时获取光波的振幅和相位信息。但是该技术一般需要高度空间相干和时间相干的光源，从而需要较为复杂的干涉装置和颇为严格的测量环境。

基于光强传输方程(TransportofIntensityEquation,TIE)的相位检测技术是一种非干涉测量技术。光强传输方程实际上是一个二阶椭圆偏微分方程，其描述了沿光轴方向上光强的变化量与光波的相位之间的定量关系。这避免了直接测量光波场的相位信息，而是通过测量与光轴垂直的两个或多个平面上的光场强度，就可以通过求解光强传输方程来直接获取光波的相位信息。与干涉法相比，其主要优点有：非干涉、无需相位解包裹、对光源要求低(白光照明)、光学结构简单、对实验环境要求低等。目前，基于光强传输方程的相位检测技术的相关专利和产品有：Phaseview公司推出的产品ZeeScan需要通过单一精密位移台控制一台相机先后采集两个或者多个与光轴垂直的平面的光强分布，这无可避免地减低了数据采集的速度，使得该技术难以应用于实时测量场合。国际发明专利WO2015002614A1和中国专利CN104345438A公开了一种电控流变透镜以及4f成像系统实现了恒定放大率的快速轴向扫描。这种技术的优点是无需采用机械位移装置即可实现离聚焦操作、操作简便快捷。但其也存在一些的缺点：首先，需要精确标定电控变焦透镜的输出电流和系统离焦量之间的关系，标定结果将直接决定检测结果的准确性和精度；其次，目前电控变焦透镜在工作过程中，其温度变化很大，这使得系统输出电流不稳定，进而导致系统的稳定性变差；另外，输出电流和电控变焦透镜的焦距是非线性的，这也给实际应用带来不少问题。中国专利CN104344793A提出采用空间光调制器实现了单帧图像的相位检测，从而可实现高速动态物体的测量。但是该技术存在观测视场小、空间分辨率低、空间光调制器价格高等缺点，同时由于该技术只采用两幅光强图像参与光强传输方程的求解，其精度和稳定性相对较差。中国专利CN104125382A公开了一种集成多CCD采集读数摄像机采集装置，由于该技术中采用了4台位移装置、4台CCD相机以及3个分光棱镜，硬件结构过于复杂；其次，由于开环精密位移台或多或少都存在回程误差的问题以及各CCD相机采用独立式结构(每个CCD相机都固定在相互独立的精密位移台上)，这都容易导致散焦步长(或离焦量)的一致性难以保证；另外，其采用一个标准的摄像机镜头来收集自然光照携带的物体信息，其实质是一个非远心光路，这会导致光学系统的放大率随着离焦量的变化而改变，从而使后期算法变得更加复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光强传输方程的实时定量相位检测装置，以解决现有技术存在的实时性差、结构复杂、离焦量的一致性差、观测视场小以及算法求解稳定性差等问题，有效地将光强传输方程法应用到实时观测领域，实现高速高分辨率的三维定量相位检测。

为达到上述目的，本发明通过如下技术方案实现：

基于光强传输方程的实时定量相位检测装置，包括4f成像系统2、固定支架5、正交分光棱镜6、第一精密位移台8、第二精密位移台10，相机7、相机9和相机11；

所述4f成像系统2由第一透镜3和第二透镜4组成，第一透镜3和第二透镜4的焦距f＝f₃＝f₄；4f成像系统的光轴和相机7、相机9、相机11以及正交分光棱镜6的中心在同一水平高度且重合；所述相机7和相机11固定在第一精密位移台8的两端，通过第一精密位移台8可一次同时调节相机7、相机11做一维直线运动；

所述相机9固定在第二精密位移台10上，通过第二精密位移台10可调节相机9做一维直线运动；

所述正交分光棱镜6安装在固定支架5上，固定支架5和第一精密位移台8安装好后不发生机械干涉；

本发明的一种基于光强传输方程的实时定量相位检测装置，其特征在于被测物体放置在第一透镜3的前焦面，携带有物体信息的平行光在通过4f成像系统2后，被正交分光棱镜6分成三束光并分别成像在相机7、相机9、相机11上；通过第二精密位移台10调节相机9的位置，使其位于第二透镜4的后焦面上，从而获得一副聚焦光强图像；随后根据被测物体特性，利用第一精密位移台10同时调节相机7、相机11的位置，使其分别获得一副欠焦和过焦光强图像；在完成上述准备工作之后，即可通过计算机控制并同时采集欠焦、聚焦和过焦三幅光强图像；另外采用图像配准方法对三幅图像进行图像配准，同时确保图像尺寸完全一致；最后通过求解光强传输方程，即可实现物体相位信息的定量获取。

有益效果：

本发明与现有技术相比，具有显著优点：(1)实际测量中，根据被测物体的特性，需要对两幅非聚焦(欠焦和过焦)图像的离焦量进行相应的调节，以确保测量精度。由于本发明中的用于记录欠焦和过焦图像的两台相机7和相机11都固定在第一精密位移台8上，因此可以通过一次性调节第一精密位移台8即可巧妙地实现两幅非聚焦图像的获取，这种结构不仅确保了两幅非聚焦图像的离焦量绝对一致，且结构简单、操作便捷。(2)本发明仅需要一个正交分光棱镜6即可实现光束的一分为三，而传统方法需要三个分光棱镜才能实现，因此，使得本发明的系统更加紧凑。(3)本发明采用三台相机分别同时记录欠焦、聚焦和过焦三幅光强图像，具有实时性好、算法精度高的特点。(4)在测量参数确定之后，测量过程中无需进行任何机械移动与调整，受温度和外界环境影响小，因此，可以得到非常稳定和高精度的相位检测结果。

附图说明

图1为本发明基于光强传输方程的实时定量相位检测装置结构示意图；

图2为本发明装置的第一精密位移台8、相机7和相机11和固定支架5以及正交分光棱镜6的安装示意图；

图3为本发明装置的正交分光棱镜6的分光特性示意图；

图4为本发明装置测量透射物体的实施例示意图；

图5为本发明装置测量反射型物体的实施例示意图；

图6为本发明装置用于显微镜中的实施例示意图；

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示是基于光强传输方程的实时定量相位检测装置1，包括4f成像系统2、固定支架5、正交分光棱镜6、第一精密位移台8、第二精密位移台10，相机7、相机9和相机11；其中4f成像系统2由第一透镜3和第二透镜4组成，第一透镜3和第二透镜4的焦距f＝f₃＝f₄；4f成像系统的光轴和相机7、相机9、相机11以及正交分光棱镜6的中心在同一水平高度且重合；所述相机9固定在第二精密位移台10上，通过第二精密位移台10调节相机9的前后位置，确保其严格放置在第二透镜4的后焦面上，使得相机9获得一副聚焦图像；相机7和相机11固定在第一精密位移台8的两端,且它们中间放置有一个正交分光棱镜6，如图2(a)所示，其中正交分光棱镜6安装在固定支架5上，如图2(b)所示；固定支架5和第一精密位移台8安装好后不发生机械干涉；图3显示了正交分光棱镜6的分光特性。

实施例1：图4为本发明装置测量透射型物体的实施例示意图，包括基于光强传输方程的实时定量相位检测装置1(如图1所示)、第一被测透射型物体13、准直光源14；具体实施过程如下：准直光源14发出的第一平行光12照射在被测透射型物体13上，将第一被测透射型物体13放置在第一透镜3的前焦面上，此时相机9上将获得一副清晰的聚焦图像。随后根据物体的特性，通过调节第一精密位移台8使得相机7、相机11获得一个合适的离焦量Δz，此时相机7、相机11将分别获得一副欠焦图像和过焦图像。至此，测量准备工作完成。当正式测量时，通过计算机编程控制三个相机同时采集图像，分别获得欠焦、聚焦、过焦三幅光强图像，分别记作I_+z(x,y)、I₀(x,y)、I_-z(x,y),它们的离焦距离分别是Δz，0，-Δz。最后，利用光强传输方程计算物体的相位和高度信息，具体过程如下：

第一步：采用图像配准方法对三幅图像进行图像配准，同时确保图像尺寸完全一致；

第二步：光强传输方程(1)左边的光强轴向微分通常用采集到的光强图像的数值差分表示

第三步：通过方程(1)可以得到物体的相位信息

其中是逆拉普拉斯运算符，为梯度运算符，k为波数。

第四步：将相位通过下式转换为样品的实际高度h(x,y)

其中λ为光波波长，Δn为样品与周围介质的折射率之差。

实施例2：图5为本发明装置测量反射型物体的实施例示意图，包括基于光强传输方程的实时定量相位检测装置1(如图1所示)、被测反射型物体15、准直光源14、分光棱镜16；具体实施过程如下：准直光源14发出的第一平行光12经分光棱镜16反射后照射在被测反射型物体15上；将被测反射型物体15严格放置在第一透镜3的前焦面上，此时相机9上将获得一副清晰的聚焦图像。随后，根据物体的特性，通过调节第一精密位移台8使得相机7、相机11获得一个合适的离焦量，以便分别获得一副欠焦图像和过焦图像。当正式测量时，通过计算机编程控制三个相机同时采集图像，分别获得欠焦、聚焦、过焦三幅光强图像。随后的相位高度计算方法和实施例1完全相同。

实施例3：图6为本发明装置用于显微镜中的实施例示意图，包括基于光强传输方程的实时定量相位检测装置1、第二被测透射型物体20、显微镜19；具体实施过程如下：第二被测透射型物体20经显微镜19显微成像在相机端口的图像平面17上；从相机端口出来的光为第二平行光18；当图像平面17严格放置在第一透镜3的前焦面上时，相机9上将获得一副清晰的聚焦图像。随后，根据物体的具体特性，通过调节第一精密位移台8使相机7、相机11获得一个合适的离焦量，使得相机7、相机11分别获得一副欠焦图像和过焦图像。当正式测量时，通过计算机编程控制三个相机同时采集图像，分别获得欠焦、聚焦、过焦三幅光强图像。随后相位高度计算过程和实施例1完全相同。

以上所述实施例方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明的应用范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围。

Claims

1.基于光强传输方程的实时定量相位检测装置，包括4f成像系统2、固定支架5、正交分光棱镜6、第一精密位移台8、第二精密位移台10，相机7、相机9、相机11；所述4f成像系统2由第一透镜3和第二透镜4组成，第一透镜3和第二透镜4的焦距f＝f₃＝f₄；相机7和相机11固定在第一精密位移台8的两端，利用第一精密位移台8可一次同时调节相机7、相机11做一维直线运动；相机9固定在第二精密位移台10上，利用第二精密位移台10可调节相机9做一维直线运动；正交分光棱镜6固定在固定支架5上；

其特征在于被测物体或者被测物体的图像平面到第一透镜3的距离为f₃，携带有物体信息的平行光在通过4f成像系统后，被正交分光棱镜6分成三束光并分别成像在相机7、相机9、相机11上；利用第二精密位移台10调节相机9的位置，使都位于第二透镜4的后焦面上，以获得一副聚焦光强图像；随后根据被测物体特性，利用第一精密位移台8同时调节相机7、相机11的位置，使其分别获得一副欠焦和过焦光强图像；在完成上述装调之后，即可通过计算机控制并同时采集欠焦、聚焦和过焦三幅光强图像；接下来采用图像配准方法对三幅图像进行图像配准，并保证图像尺寸完全一致；最后通过求解光强传输方程，可实现物体相位信息的定量获取。

2.根据权利要求1所述的基于光强传输方程的实时定量相位检测装置，其特征在于：所述相机7、相机9和相机11为同款CCD或者CMOS相机。

3.根据权利要求1所述的基于光强传输方程的实时定量相位检测装置，其特征在于：所述相机7和相机9用于采集两幅具有相同离焦距离的非聚焦图像(欠焦和过焦)，相机11用于采集一副聚焦图像。

4.根据权利要求1所述的基于光强传输方程的实时定量相位检测装置，其特征在于：所述正交分光棱镜6具备将一束光分解成三束光的能力。

5.根据权利要求1所述的基于光强传输方程的实时定量相位检测装置，其特征在于：所述固定支架5是一个C型结构，它相对于第一精密位移台8垂直放置且不发生机械干涉。