CN105675151B - 一种基于光强传输方程相位恢复应用装置 - Google Patents
一种基于光强传输方程相位恢复应用装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105675151B CN105675151B CN201610002587.9A CN201610002587A CN105675151B CN 105675151 B CN105675151 B CN 105675151B CN 201610002587 A CN201610002587 A CN 201610002587A CN 105675151 B CN105675151 B CN 105675151B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- light
- splitting piece
- phase
- fourier transform
- speculum
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title claims abstract description 27
- 238000011084 recovery Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 17
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 3
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 3
- 239000000571 coke Substances 0.000 claims description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 2
- 230000003760 hair shine Effects 0.000 claims 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000009738 saturating Methods 0.000 description 1
- 210000001082 somatic cell Anatomy 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
- G01J9/04—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by beating two waves of a same source but of different frequency and measuring the phase shift of the lower frequency obtained
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Microscoopes, Condenser (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于光强传输方程相位恢复应用装置。本装置利用分光片、反射镜和空间光调制器将成像光束分为三束子光束，并通过调节空间光调制器上的角谱传递函数使CCD同时获得一副聚焦强度图像和两幅具有相等离焦距离的正、负离焦强度图像，然后将采集到的图像应用于光强传输方程相位恢复技术来重建出物体的相位。由于采集过程不需要任何机械移动与调整，且仅需要单个相机单次曝光，所以本系统可以非常稳定、高速地恢复出定量相位图像，并将传统光强传输相位成像拓展到可相对快速移动的动态物体进行测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光强传输方程相位恢复应用装置。
背景技术
基于光强传输方程的相位恢复技术是一种非干涉的定量相位恢复方法，该方法通过测量聚焦面和离焦面的强度信息来进行相位重构。相比于传统的干涉技术，光强传输方程相位恢复技术只需测量单一光路的光场分布，而不需要物光和参考光的叠加，所以无需复杂的光学系统且对于实验环境没有苛刻的要求；其次，光强传输方程相位恢复技术可由测量的强度图像直接求解得到相位，不需要对获得的相位进行解包裹，而解包裹算法通常很复杂且需要对误差进行补偿；所以，基于光强传输方程的相位恢复技术广泛应用于X射线成像、天文学成像、自适应光学、二元光学设计、光学相位显微等众多领域。
基于光强传输方程的相位恢复技术一般需要3幅强度图像进行相位重构：一幅聚焦强度图像和两幅具有相等离焦距离的正、负离焦强度图像。传统的光强传输方程相位恢复应用装置需要手动或者机械移动CCD或者物体，这将不可避免的会引入人为误差或者机械系统误差；其次，传统的实验装置相机每次只拍摄一幅强度图像，测量时间长，所以不能对相对快速移动的动态物体进行测量。
发明内容
本发明的目的在于针对已有应用装置存在的缺陷，提供一种基于光强传输方程相位恢复应用装置，是一种非机械的并可以对快速移动的动态物体进行测量的简单、高速、有效的定量相位恢复应用装置。
为达到上述目的，本发明的思路如下：
为能对相对快速移动的动态物体进行测量，利用分光片与反射镜将成像光束一分为三，由一个CCD同时采集一幅聚焦强度图像和两幅具有相等离焦距离的正、负离焦强度图像；为避免传统光强传输方程相位恢复应用装置手动或者机械移动CCD或者物体引入的人为误差或者机械系统误差，可以采用空间光调制器调节三幅强度图像的离焦距离。
基于以上思路，本发明采用如下技术方案：
一种基于光强传输方程相位恢复应用装置，包括光源，4f系统，分光片，反射镜和CCD；被测物体设置于光源和4f系统之间，在4f系统后方设置第一分光片，第一分光片上方设置第一空间光调制器，下方正交设置第二分光片，后方设置第一反射镜和第二反射镜彼此正交；所述第二分光片前方设置CCD，后方设置第二空间光调制器以及第三反射镜和第四反射镜彼此正交，下方设置第三空间光调制器；光源准直后照射到被测物体上形成物光束，物光束经过4f系统后形成成像光束，成像光束被分光片、反射镜与空间光调制器分为三束子光束；调节空间光调制器上的角谱传递函数，使CCD采集的三幅强度图像分别为一幅聚焦强度图像和两幅具有相等离焦距离的正、负离焦强度图像；最后将采集到的图像应用于光强传输方程相位恢复技术重建出物体的相位。
所述光源包括He-Ne激光器、空间光滤波器、第一孔径光阑、第一准直透镜，所述He-Ne激光器发出的激光依次经过空间光滤波器、第一孔径光阑、第一准直透镜变成平行光束后照射到被测物体上。
或者所述光源包括LED灯、第二孔径光阑、第二准直透镜、场调制掩膜，所述LED灯发出的光依次经过第二孔径光阑、第二准直透镜、场调制掩膜后照射到被测物体上。
所述4f系统由两个傅里叶变换透镜组成，两个傅里叶变换透镜之间的距离为二者焦距之和；所述被测物体放在第一傅里叶变换透镜的前焦点处，准直后的平行光束照射到被测物体上，经过第一傅里叶变换透镜后在透镜后焦面形成物体的傅里叶变换频谱，再通过第二傅里叶变换透镜在像面形成物体的像；由于4f系统物像成严格共轭关系，所以被测物体通过4f系统后形成等倍率放大、无畸变的像。
与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：
本发明装置通过单次图像采集定量恢复出相位，非常适用于对动态物体进行成像，例如活体细胞；其次由于采集过程不需要任何机械移动与调整，所以避免了机械移动带来的人为误差或者机械系统误差，为光强传输相位成像技术提供了一种简单、高速、有效、稳定、实用的成像应用系统。
附图说明
图1为本发明基于光强传输方程相位恢复应用装置光路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。
一种基于光强传输方程相位恢复应用装置，包括光源，4f系统，分光片，反射镜和CCD；被测物体9设置于光源和4f系统之间，在4f系统后方设置第一分光片12，第一分光片12上方设置第一空间光调制器15，下方正交设置第二分光片16，后方设置第一反射镜13和第二反射镜14彼此正交；所述第二分光片16前方设置CCD21，后方设置第二空间光调制器17以及第三反射镜19和第四反射镜20彼此正交，下方设置第三空间光调制器18；光源准直后照射到被测物体9上形成物光束，物光束经过4f系统后形成成像光束，成像光束被分光片、反射镜与空间光调制器分为三束子光束；调节空间光调制器上的角谱传递函数，使CCD21采集的三幅强度图像分别为一幅聚焦强度图像和两幅具有相等离焦距离的正、负离焦强度图像；最后将采集到的图像应用于光强传输方程相位恢复技术重建出物体的相位。
所述光源包括He-Ne激光器1、空间光滤波器2、第一孔径光阑3、第一准直透镜4，所述He-Ne激光器1发出的激光依次经过空间光滤波器2、第一孔径光阑3、第一准直透镜4变成平行光束后照射到被测物体9上。
所述光源包括LED灯5、第二孔径光阑6、第二准直透镜7、场调制掩膜8，所述LED灯5发出的光依次经过第二孔径光阑6、第二准直透镜7、场调制掩膜8后照射到被测物体9上。
所述4f系统由两个傅里叶变换透镜10、11组成，两个傅里叶变换透镜10、11之间的距离为二者焦距之和；所述被测物体9放在第一傅里叶变换透镜10的前焦点处，准直后的平行光束照射到被测物体9上，经过第一傅里叶变换透镜10后在透镜后焦面形成物体的傅里叶变换频谱，再通过第二傅里叶变换透镜11在像面形成物体的像；由于4f系统物像成严格共轭关系，所以被测物体9通过4f系统后形成等倍率放大、无畸变的像。
光源准直后照射到被测物体9上形成物光束，物光束经过4f系统后形成成像光束，成像光束被第一分光片12分为透射光束L1和反射光束L2；透射光束L1被第一反射镜13和第二反射镜14反射后经过第一分光片12产生反射光束L3，反射光束L3经过第二分光片16产生反射光束L4和透射光束L5，反射光束L4被第二空间光调制器17所反射，经过第二分光片16后产生透射光束L6被CCD21采集，反射光束L5不被采集；反射光束L2被第一空间光调制器15反射后经过第一分光片12产生透射光束L7，透射光束L7经过第二分光片16产生反射光束L8和透射光束L9，反射光束L8被第二空间光调制器17所反射，经过第一分光片12后产生透射光束L10被CCD21采集；透射光束L9被第三空间光调制器18、第三反射镜19和第四反射镜20反射后经过第二分光片16产生透射光束L11被CCD21采集；首先调节第二空间光调制器17上的角谱传递函数，使第二傅里叶变换透镜11沿着光路L1、 L3、 L4、 L6到CCD21的距离为第二傅里叶变换透镜11的焦距，然后调节第一空间光调制器15上的角谱传递函数，使第二傅里叶变换透镜11沿着光路L2、 L7、 L8、 L10到CCD21的距离为第二傅里叶变换透镜11的焦距减去离焦距离，最后调节第三空间光调制器18上的角谱传递函数，使第二傅里叶变换透镜11沿着光路L2、 L7、 L9、 L11到CCD21的距离为第二傅里叶变换透镜11的焦距加上相等的离焦距离，这样获得了基于TIE的相位恢复技术需要的三幅强度图像：一副聚焦强度图像和两幅具有相等离焦距离的正、负离焦强度图像；对CCD采集到的三幅图像采用图像匹配方法（如相互法、傅里叶相位相关法等）进行图像配准，并保证尺寸完全一致，一旦三幅图像的相对位移参数确定后，后续测量就不需要再进行标定了；图像配准后，将采集到的图像应用于光强传输方程相位恢复技术来重建出物体的相位；由光强传输方程相位恢复技术可知，最优的离焦距离与噪声水平和物体本身的特性密切相关，当被测物体情况未知时，可以尝试采用不同的离焦距离去恢复物体相位，然后比较重建结果以去寻找最优离焦量。
Claims (4)
1.一种基于光强传输方程相位恢复应用装置，其特征在于，包括光源，4f系统，分光片，反射镜和CCD；被测物体(9)设置于光源和4f系统之间，在4f系统后方设置第一分光片(12)，第一分光片(12)上方设置第一空间光调制器(15)，下方正交设置第二分光片(16)，后方设置第一反射镜(13)和第二反射镜(14)彼此正交；所述第二分光片(16)前方设置CCD(21)，后方设置第二空间光调制器(17)以及第三反射镜(19)和第四反射镜(20)彼此正交，下方设置第三空间光调制器(18)；光源准直后照射到被测物体(9)上形成物光束，物光束经过4f系统后形成成像光束，成像光束被第一分光片(12)分为透射光束L1和反射光束L2；透射光束L1被第一反射镜(13)和第二反射镜(14)反射后经过第一分光片(12)产生反射光束L3，反射光束L3经过第二分光片(16)产生反射光束L4和透射光束L5，反射光束L4被第二空间光调制器(17)所反射，经过第二分光片(16)后产生透射光束L6被CCD(21)采集，反射光束L5不被采集；反射光束L2被第一空间光调制器(15)反射后经过第一分光片(12)产生透射光束L7，透射光束L7经过第二分光片(16)产生反射光束L8和透射光束L9，反射光束L8被第二空间光调制器(17)所反射，经过第一分光片(12)后产生透射光束L10被CCD(21)采集；透射光束L9被第三空间光调制器(18)、第三反射镜(19)和第四反射镜(20)反射后经过第二分光片(16)产生透射光束L11被CCD(21)采集；首先调节第二空间光调制器(17)上的角谱传递函数，使第二傅里叶变换透镜(11)沿着光路L1、L3、L4、L6到CCD(21)的距离为第二傅里叶变换透镜(11)的焦距，然后调节第一空间光调制器(15)上的角谱传递函数，使第二傅里叶变换透镜(11)沿着光路L2、L7、L8、L10到CCD(21)的距离为第二傅里叶变换透镜(11)的焦距减去离焦距离，最后调节第三空间光调制器(18)上的角谱传递函数，使第二傅里叶变换透镜(11)沿着光路L2、L7、L9、L11到CCD(21)的距离为第二傅里叶变换透镜(11)的焦距加上相等的离焦距离，这样获得了基于TIE的相位恢复技术需要的三幅强度图像：一副聚焦强度图像和两幅具有相等离焦距离的正、负离焦强度图像；对CCD采集到的三幅图像采用图像匹配方法，如相互法、傅里叶相位相关法进行图像配准，并保证尺寸完全一致，一旦三幅图像的相对位移参数确定后，后续测量就不需要再进行标定了；图像配准后，将采集到的图像应用于光强传输方程相位恢复技术来重建出物体的相位；由光强传输方程相位恢复技术可知，最优的离焦距离与噪声水平和物体本身的特性密切相关，当被测物体情况未知时，可以尝试采用不同的离焦距离去恢复物体相位，然后比较重建结果以去寻找最优离焦量。
2.根据权利要求1所述的基于光强传输方程相位恢复应用装置，其特征在于，所述光源包括He-Ne激光器(1)、空间光滤波器(2)、第一孔径光阑(3)、第一准直透镜(4)，所述He-Ne激光器(1)发出的激光依次经过空间光滤波器(2)、第一孔径光阑(3)、第一准直透镜(4)变成平行光束后照射到被测物体(9)上。
3.根据权利要求1所述的基于光强传输方程相位恢复应用装置，其特征在于，所述光源包括LED灯(5)、第二孔径光阑(6)、第二准直透镜(7)、场调制掩膜(8)，所述LED灯(5)发出的光依次经过第二孔径光阑(6)、第二准直透镜(7)、场调制掩膜(8)后照射到被测物体(9)上。
4.根据权利要求1所述的基于光强传输方程相位恢复应用装置，其特征在于，所述4f系统由两个傅里叶变换透镜(10、11)组成，两个傅里叶变换透镜(10、11)之间的距离为二者焦距之和；所述被测物体(9)放在第一傅里叶变换透镜(10)的前焦点处，准直后的平行光束照射到被测物体(9)上，经过第一傅里叶变换透镜(10)后在透镜后焦面形成物体的傅里叶变换频谱，再通过第二傅里叶变换透镜(11)在像面形成物体的像；由于4f系统物像成严格共轭关系，所以被测物体(9)通过4f系统后形成等倍率放大、无畸变的像。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610002587.9A CN105675151B (zh) | 2016-01-06 | 2016-01-06 | 一种基于光强传输方程相位恢复应用装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610002587.9A CN105675151B (zh) | 2016-01-06 | 2016-01-06 | 一种基于光强传输方程相位恢复应用装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105675151A CN105675151A (zh) | 2016-06-15 |
| CN105675151B true CN105675151B (zh) | 2018-10-23 |
Family
ID=56298732
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610002587.9A Expired - Fee Related CN105675151B (zh) | 2016-01-06 | 2016-01-06 | 一种基于光强传输方程相位恢复应用装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105675151B (zh) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106289543B (zh) * | 2016-07-25 | 2019-07-12 | 南京理工大学 | 大动态离焦范围单帧双幅图像光强采集装置及其采集方法 |
| CN106842540B (zh) | 2017-03-24 | 2018-12-25 | 南京理工大学 | 基于光强传输方程的环形光照明高分辨率定量相位显微成像方法 |
| CN107942523B (zh) * | 2017-12-05 | 2023-10-10 | 安徽大学 | 一种基于光强传输测量计算的相位恢复系统 |
| CN108535878B (zh) * | 2018-04-17 | 2020-06-19 | 图灵人工智能研究院（南京）有限公司 | 稳定量子光源的方法及稳定量子光源 |
| CN110411981A (zh) * | 2019-06-24 | 2019-11-05 | 深圳大学 | 一种基于tie的相位成像方法、装置及可读存储介质 |
| CN110763161B (zh) * | 2019-11-22 | 2024-04-09 | 安徽大学 | 一种基于强度传输方程的三维重构数据采集系统 |
| CN113203485B (zh) * | 2021-04-27 | 2022-08-05 | 浙江大学 | 一种通过单次曝光实现轴向相位差波前重建的装置及方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102865832A (zh) * | 2012-09-18 | 2013-01-09 | 西安电子科技大学 | 基于相位恢复的4f镜面检测成像系统及其方法 |
| CN104040438A (zh) * | 2011-10-26 | 2014-09-10 | 两树光子学有限公司 | 使用参数继承的迭代相位恢复 |
| CN104344793A (zh) * | 2014-10-29 | 2015-02-11 | 南京理工大学 | 单帧光强传输定量相位显微系统及其方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AUPR672401A0 (en) * | 2001-07-31 | 2001-08-23 | Iatia Imaging Pty Ltd | Optical system and method for producing in focus and defocused image |
| EP2478407A1 (en) * | 2009-09-15 | 2012-07-25 | The University Of Sheffield | Method and apparatus for retrieving a phase of a wavefield |
| JP2015506496A (ja) * | 2012-01-06 | 2015-03-02 | ダンマークス テクニスケ ウニバーシテートＤａｎｍａｒｋｓ Ｔｅｋｎｉｓｋｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｅｔ | ４ｆ光学系を用いた位相画像システム |
| US10180564B2 (en) * | 2013-07-02 | 2019-01-15 | Nanyang Technological University | Methods and systems for transport-of-intensity imaging |
-
2016
- 2016-01-06 CN CN201610002587.9A patent/CN105675151B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104040438A (zh) * | 2011-10-26 | 2014-09-10 | 两树光子学有限公司 | 使用参数继承的迭代相位恢复 |
| CN102865832A (zh) * | 2012-09-18 | 2013-01-09 | 西安电子科技大学 | 基于相位恢复的4f镜面检测成像系统及其方法 |
| CN104344793A (zh) * | 2014-10-29 | 2015-02-11 | 南京理工大学 | 单帧光强传输定量相位显微系统及其方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| High-speed transport-of-intensity phase microscopy with an electrically tunable lens;Chao Zuo等;《OPTICS EXPRESS》;20121007;第21卷(第20期);第24060~24075页 * |
| Quantitative phase microscopy using defocusing by means of a spatial light modulator;Luis Camacho等;《OPTICS EXPRESS》;20100329;第18卷(第7期);第6755~6766页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105675151A (zh) | 2016-06-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105675151B (zh) | 一种基于光强传输方程相位恢复应用装置 | |
| CN111562665B (zh) | 一种sted超分辨技术中的自适应光学像差校正系统及方法 | |
| CN110346340B (zh) | 基于波前传感器的机器学习快速像差测量系统与方法 | |
| CN110389119B (zh) | 基于机器学习的快速自适应光学扫描显微成像系统与方法 | |
| CN106054570B (zh) | 强度传输方程实现单幅数字全息图较大相位重建方法 | |
| EP3369366B1 (en) | Full-field oct system using wavelength-tunable laser and three-dimensional image correction method | |
| KR102036640B1 (ko) | 광학 수차의 고속 보정이 가능한 광학 이미징 방법 | |
| CN102564612B (zh) | 一种基于组合棱镜的相位差波前传感器 | |
| CN110292361B (zh) | 一种超宽范围的皮肤成像设备与方法 | |
| CN110360924B (zh) | 一种双波长叠层显微成像方法及系统 | |
| CN110058392A (zh) | 一种基于光强传输方程的散斑定量相位成像系统及其方法 | |
| CN111141701A (zh) | 一种基于太赫兹单脉冲的快速超分辨成像方法及系统 | |
| CN107402447A (zh) | 具有pd图像处理功能的液晶自适应光学系统的设计 | |
| KR102082747B1 (ko) | 초점거리 조절이 가능한 ｌｅｄ 어레이 기반 3차원 이미징 장치 및 방법 | |
| EP3830628A1 (en) | Device and process for capturing microscopic plenoptic images with turbulence attenuation | |
| CN114894799A (zh) | 一种基于偏振传输矩阵的透过散射介质聚焦装置及方法 | |
| JPWO2017158695A1 (ja) | 点像分布関数の測定装置、測定方法、画像取得装置および画像取得方法 | |
| CN112666129B (zh) | 一种考虑折射率差异的三波长相干衍射成像方法 | |
| CN109238131A (zh) | 一种横向超高分辨的光学相干层析方法和系统 | |
| JP3584285B2 (ja) | 歪画像補正方法及び装置 | |
| CN112013973B (zh) | 基于斐波那契光子筛的变剪切比四波剪切干涉仪 | |
| CN114460045A (zh) | 散射介质光学传输矩阵的测量方法 | |
| CN103076674A (zh) | 一种利用光热效应改变激光传输特性的装置 | |
| CN106199996B (zh) | 利用衍射图样定标空间滤波器中小孔位置的方法 | |
| CN110160662A (zh) | 一种基于空间频域参考的波前探测方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20181023 Termination date: 20220106 |