CN106289543A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种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，其中空间光调制器放置于4f系统的两个聚焦透镜的焦平面，并加载了角谱传递函数，它可实现像面图像的数字离焦。由薄膜分束器、反射镜及直角棱镜组成的具有一定光程差的分光系统可实现一个CCD同时采集两幅图像。整个系统无需机械移动即可采集较大动态范围内的多幅离焦强度图像，并将图像用在基于光强传输方程的相位求解方法中。因此，本发明提高了光强传输方程法中图像采集的速度与精度，适用于高速、动态、实时测量光强及相位的场合。
Description
技术领域
本发明属于光学测量中的非干涉相位检测领域，具体涉及一种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。
背景技术
光强传播方程法作为一种非干涉的波前检测方法，克服了传统干涉法由于光路复杂，受测量环境影响大等缺点，并且只需要知道物光沿光轴传播的两幅光强图像，即可根据数值解法求出物体相位，计算量小光路简单，因此得到了广泛关注。但是传统的图像采集方式--使用平移台沿光轴采集光强图像，引入了机械移动，使其难以应用于高速、动态甚至实时测量的场合。因此在国际上，光强采集装置的方案也层出不穷。
2010年Waller. L.等人发表在在Optical express上的文章《phase fromchromatic aberrations》通过色差与颜色通道复用实现单次彩色图像曝光获取三幅光图像，但由于色差离焦需要尽可能采用性能较差的光学元件去最获得足够的离焦量，这显然是以牺牲成像质量为代价的。同年他们团队在optical letters上发表的《Transport ofintensity phase imaging in a volume holographic microscopy》上的文章通过体全息布拉格（Bragg）选择特性分束形成多幅强度图像，但体全息法中体全息元件的精确制作加工是十分困难的。2012年在《Enhanced deterministic phase retrieval using apartially developed speckle field》一文中，研究者指出通过空间光调制器实现离焦，但需要两个CCD进行图像采集。同年Gorthi. SS.在《Phase imaging flow cytometryusing a focus-stack collecting microscope》通过倾斜流式细胞仪使样品自动离焦，而倾斜流式细胞仪法必须依赖于特殊的专用装置，并不能普遍适用于一般样品的相位成像。而在《Single-shot phase recovery using two laterally separated defocusedimages》中研究者提出通过分束镜与多次反射实现单次记录，但是采集两幅以上图像也需要对反射镜进行机械移动。2013年，左超等人在文章《Single-shot quantitative phasemicroscopy with the transport of intensity equation》中，利用空间光调制器以及分光棱镜实现了单帧图像的采集，但其是在4f系统的频域内实现分光，因此对反射镜和空间光调制器的位置精度提出了更高的要求，并且该系统主要运用于显微成像方面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种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，克服了光强传播方程求解相位的方法中，光强图像采集装置需要机械移动，不能应用于高速动态实时测量场合的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种大动态离焦范围单帧双幅图像光强采集装置，包括激光器、光纤耦合器、光纤、光纤扩束器、准直透镜、第一聚焦透镜、空间光调制器、第二聚焦透镜、薄膜分束器、反射镜、直角棱镜和CCD；光纤耦合器固定在激光器的出光口，光纤一端与光纤耦合器连接，另一端与光纤扩束器连接；共光轴依次设置激光器、光纤扩束器、准直透镜、第一聚焦透镜、空间光调制器，上述部件所在的光轴为第一光轴，待测相位物体设置在准直透镜和第一聚焦透镜之间，第二聚焦透镜、薄膜分束器和直角棱镜依次设置在空间光调制器的反射光路上，反射镜设置在薄膜分束器前表面的反射光路上，CCD设置在薄膜分束器后表面的反射光路上，且位于反射镜的反射光路上。
激光器发出激光，经光纤耦合器耦合后由光纤传输至光纤扩束器进行扩束，扩束后的激光经准直透镜准直入射至待测相位物体，携带待测相位物体相位信息的激光射入第一聚焦透镜，经第一聚焦透镜聚焦至空间光调制器，所述携带待测相位物体信息的激光由加载在空间光调制器上的角谱传输函数调制后，反射至第二聚焦透镜，经第二聚焦透镜平行入射至薄膜分束器，经薄膜分束器的前表面分为第一透射光和第一反射光，第一反射光射入反射镜，再经反射镜返回薄膜分束器，经薄膜分束器透射后被CCD接收；第一透射光垂直入射至直角棱镜，经直角棱镜反射至薄膜分束器的后表面，经薄膜分束器的后表面反射，被CCD接收。
所述空间光调制器放置在第一聚焦透镜与第二聚焦透镜的焦平面上，空间光调制器与第一光轴垂直的方向存在夹角α。
所述第一透射光垂直入射至直角棱镜包含两条斜边的面。
所述空间光调制器为反射式，相位调制范围为0-2π。
所述薄膜分束器的前表面和后表面均镀中性分束膜，且前表面和后表面的反射率透射率之比为50：50 。
所述反射镜表面镀增反膜，反射率大于99.5%，表面粗糙度Ra优于0.5nm。
所述直角棱镜包含两条斜边的面镀增透膜，透射率大于99.5%；包括四条直角边的两个面均镀增反膜，反射率大于99.5%。
所述大动态离焦范围单帧双幅图像光强采集装置，还包括光阑，光阑设置在待测相位物体和第一聚焦透镜之间。
一种采用大动态离焦范围单帧双幅图像光强采集装置的采集方法，方法步骤如下：
步骤1、将待测相位物体设置在准直透镜和第一聚焦透镜之间，转入步骤2；
步骤2、打开激光器，激光器发出激光，经光纤耦合器耦合后由光纤传输至光纤扩束器进行扩束，扩束后的激光经准直透镜准直入射至待测相位物体，携带待测相位物体相位信息的激光射入第一聚焦透镜，经第一聚焦透镜聚焦至空间光调制器，所述携带待测相位物体信息的激光由加载在空间光调制器上的角谱传输函数调制后，反射至第二聚焦透镜，经第二聚焦透镜平行入射至薄膜分束器，经薄膜分束器的前表面分为第一透射光和第一反射光，第一反射光射入反射镜，再经反射镜返回薄膜分束器，经薄膜分束器透射后被CCD接收；第一透射光垂直入射至直角棱镜，经直角棱镜反射至薄膜分束器的后表面，经薄膜分束器的后表面反射，被CCD接收，转入步骤3；
步骤3、调节直角棱镜的位置，使得经薄膜分束器分光后的第一反射光与第一透射光，在到达CCD时具有一定的光程差，转入步骤4；
步骤4、在CCD上获得两幅不同离焦距离的光强图像，转入步骤5；
步骤5、改变空间光调制器上加载的角谱传输函数，即改变了上述光强图像的离焦距离，转入步骤6；
步骤6、在CCD上相应获得改变离焦距离后的两幅光强图像，转入步骤7；
步骤7、重复步骤5及步骤6，在CCD上更新获得步骤6中不同离焦距离的光强图像。
当步骤4中获得的两幅图像重合时，在待测相位物体和第一聚焦透镜之间设置控制光束直径大小的光阑。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）由于设置了空间光调制器，故不需要任何机械移动就可以进行多幅光强图像的采集，实现了数字化大动态离焦范围的光强图像获取。
（2）光学元件采用反射型或在其表面镀膜，减少了光能的损耗。
（3）采用了薄膜分束器、反射镜和直角棱镜，使得一个CCD即可同时采集两幅光强图像。
附图说明
图1为本发明大动态离焦范围单帧双幅图像光强采集装置的光路结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，一种大动态离焦范围单帧双幅图像光强采集装置，包括激光器1、光纤耦合器2、光纤3、光纤扩束器4、准直透镜5、第一聚焦透镜7、空间光调制器8、第二聚焦透镜9、薄膜分束器10、反射镜11、直角棱镜12和CCD13，光纤耦合器2固定在激光器1的出光口，光纤3一端与光纤耦合器2连接，另一端与光纤扩束器4连接，共光轴依次设置激光器1、光纤扩束器4、准直透镜5、第一聚焦透镜7、空间光调制器8，上述部件所在的光轴为第一光轴，待测相位物体6设置在准直透镜5和第一聚焦透镜7之间，第二聚焦透镜9、薄膜分束器10和直角棱镜12依次设置在空间光调制器8的反射光路上，反射镜11设置在薄膜分束器10前表面的反射光路上，CCD13设置在薄膜分束器10后表面的反射光路上，且位于反射镜11的反射光路。
激光器1发出激光，经光纤耦合器2耦合后由光纤3传输至光纤扩束器4进行扩束，扩束后的激光经准直透镜5准直入射至待测相位物体6，携带待测相位物体6相位信息的激光射入第一聚焦透镜7，经第一聚焦透镜7聚焦至空间光调制器8，所述携带待测相位物体6信息的激光由加载在空间光调制器8上的角谱传输函数调制后，反射至第二聚焦透镜9，经第二聚焦透镜9平行入射至薄膜分束器10，经薄膜分束器10的前表面分为第一透射光和第一反射光，第一反射光射入反射镜11，再经反射镜11返回薄膜分束器10，经薄膜分束器10透射后被CCD13接收；第一透射光垂直入射至直角棱镜12，经直角棱镜12反射至薄膜分束器10的后表面，经薄膜分束器10的后表面反射，被CCD13接收。
所述待测相位物体6、第一聚焦透镜7、第二聚焦透镜9、薄膜分束器10与其第一反射光路上的反射镜11、CCD13共同构成4f系统。即待测相位物体6与第一聚焦透镜7间距为f,第一聚焦透镜7与第二聚焦透镜9的距离为f+f=2f, 第二聚焦透镜9至CCD13的包含有反射镜11的光路，光程为f。
所述反射镜11与直角棱镜12的位置固定，且需使得经过薄膜分束器10的第一反射光与第一透射光最终被CCD13接收时，存在的光程差。
所述空间光调制器8放置在第一聚焦透镜7与第二聚焦透镜9的焦平面上，空间光调制器8与第一光轴垂直的方向存在夹角α。
所述第一透射光垂直入射至直角棱镜12包含两条斜边的面。
所述空间光调制器8为反射式，相位调制范围为0-2π。
所述薄膜分束器10的前表面和后表面均镀中性分束膜，且前表面和后表面的反射率透射率之比为50：50 。
所述反射镜11表面镀增反膜，反射率大于99.5%，表面粗糙度Ra优于0.5nm。
所述直角棱镜12包含两条斜边的面镀增透膜，透射率大于99.5%；包括四条直角边的两个面均镀增反膜，反射率大于99.5%。
所述大动态离焦范围单帧双幅图像光强采集装置，还包括光阑14，光阑14设置在待测相位物体6和第一聚焦透镜7之间。
一种大动态离焦范围单帧双幅图像光强采集装置的采集方法，方法步骤如下：
步骤1、将待测相位物体6设置在准直透镜5和第一聚焦透镜7之间，转入步骤2；
步骤2、打开激光器1，则光线按照上所述的情形进行传播。激光器1发出激光，经光纤耦合器2耦合后由光纤3传输至光纤扩束器4进行扩束，扩束后的激光经准直透镜5准直入射至待测相位物体6，携带待测相位物体6相位信息的激光射入第一聚焦透镜7，经第一聚焦透镜7聚焦至空间光调制器8，所述携带待测相位物体6信息的激光由加载在空间光调制器8上的角谱传输函数调制后，反射至第二聚焦透镜9，经第二聚焦透镜9平行入射至薄膜分束器10，经薄膜分束器10的前表面分为第一透射光和第一反射光，第一反射光射入反射镜11，再经反射镜11返回薄膜分束器10，经薄膜分束器10透射后被CCD13接收；第一透射光垂直入射至直角棱镜12，经直角棱镜12反射至薄膜分束器10的后表面，经薄膜分束器10的后表面反射，被CCD13接收，转入步骤3；
步骤3、调节直角棱镜12的位置，使得经薄膜分束器10分光后的第一反射光与第一透射光，在到达CCD13时具有一定的光程差，转入步骤4；
步骤4、在CCD13上获得两幅不同离焦距离的光强图像，转入步骤5；
步骤5、改变空间光调制器8上加载的角谱传输函数，即改变了上述光强图像的离焦距离，转入步骤6；
步骤6、在CCD13上相应获得改变离焦距离后的两幅光强图像，转入步骤7；
步骤7、重复步骤5及步骤6，在CCD13上根据需要更新获得步骤6中不同离焦距离的光强图像（一般采集50幅即可）。
当步骤4中获得的两幅图像重合时，可在待测相位物体6和第一聚焦透镜7之间设置光阑14。
本发明由于设置了空间光调制器，故不需要任何机械移动就可以进行多幅光强图像的采集，实现了数字化大动态离焦范围的光强图像获取，光学元件采用反射型或在其表面镀膜，减少了光能的损耗，采用了薄膜分束器、反射镜和直角棱镜，使得一个CCD即可同时采集两幅光强图像。
Claims (10)
1.一种大动态离焦范围单帧双幅图像光强采集装置，其特征在于：包括激光器（1）、光纤耦合器（2）、光纤（3）、光纤扩束器（4）、准直透镜（5）、第一聚焦透镜（7）、空间光调制器（8）、第二聚焦透镜（9）、薄膜分束器（10）、反射镜（11）、直角棱镜（12）和CCD（13）；光纤耦合器（2）固定在激光器（1）的出光口，光纤（3）一端与光纤耦合器（2）连接，另一端与光纤扩束器（4）连接；共光轴依次设置激光器（1）、光纤扩束器（4）、准直透镜（5）、第一聚焦透镜（7）、空间光调制器（8），上述部件所在的光轴为第一光轴，待测相位物体（6）设置在准直透镜（5）和第一聚焦透镜（7）之间，第二聚焦透镜（9）、薄膜分束器（10）和直角棱镜（12）依次设置在空间光调制器（8）的反射光路上，反射镜（11）设置在薄膜分束器（10）前表面的反射光路上，CCD（13）设置在薄膜分束器（10）后表面的反射光路上，且位于反射镜（11）的反射光路上；
激光器（1）发出激光，经光纤耦合器（2）耦合后由光纤（3）传输至光纤扩束器（4）进行扩束，扩束后的激光经准直透镜（5）准直入射至待测相位物体（6），携带待测相位物体（6）相位信息的激光射入第一聚焦透镜（7），经第一聚焦透镜（7）聚焦至空间光调制器（8），所述携带待测相位物体（6）信息的激光由加载在空间光调制器（8）上的角谱传输函数调制后，反射至第二聚焦透镜（9），经第二聚焦透镜（9）平行入射至薄膜分束器（10），经薄膜分束器（10）的前表面分为第一透射光和第一反射光，第一反射光射入反射镜（11），再经反射镜（11）返回薄膜分束器（10），经薄膜分束器（10）透射后被CCD（13）接收；第一透射光垂直入射至直角棱镜（12），经直角棱镜（12）反射至薄膜分束器（10）的后表面，经薄膜分束器（10）的后表面反射，被CCD（13）接收。
2.根据权利要求1所述的大动态离焦范围单帧双幅图像光强采集装置，其特征在于：所述空间光调制器（8）放置在第一聚焦透镜（7）与第二聚焦透镜（9）的焦平面上，空间光调制器（8）与第一光轴垂直的方向存在夹角α。
3.根据权利要求1所述的大动态离焦范围单帧双幅图像光强采集装置，其特征在于：所述第一透射光垂直入射至直角棱镜（12）包含两条斜边的面。
4.根据权利要求1所述的大动态离焦范围单帧双幅图像光强采集装置，其特征在于：所述空间光调制器（8）为反射式，相位调制范围为0-2π。
5.根据权利要求1所述的大动态离焦范围单帧双幅图像光强采集装置，其特征在于：所述薄膜分束器（10）的前表面和后表面均镀中性分束膜，且前表面和后表面的反射率透射率之比为50：50 。
6.根据权利要求1所述的大动态离焦范围单帧双幅图像光强采集装置，其特征在于：所述反射镜（11）表面镀增反膜，反射率大于99.5%，表面粗糙度Ra优于0.5nm。
7.根据权利要求1所述的大动态离焦范围单帧双幅图像光强采集装置，其特征在于：所述直角棱镜（12）包含两条斜边的面镀增透膜，透射率大于99.5%；包括四条直角边的两个面均镀增反膜，反射率大于99.5%。
8.根据权利要求1所述的大动态离焦范围单帧双幅图像光强采集装置，其特征在于：还包括光阑（14），光阑（14）设置在待测相位物体（6）和第一聚焦透镜（7）之间。
9.一种采用如权利要求1所述的大动态离焦范围单帧双幅图像光强采集装置的采集方法，其特征在于，方法步骤如下：
步骤1、将待测相位物体（6）设置在准直透镜（5）和第一聚焦透镜（7）之间，转入步骤2；
步骤2、打开激光器（1），激光器（1）发出激光，经光纤耦合器（2）耦合后由光纤（3）传输至光纤扩束器（4）进行扩束，扩束后的激光经准直透镜（5）准直入射至待测相位物体（6），携带待测相位物体（6）相位信息的激光射入第一聚焦透镜（7），经第一聚焦透镜（7）聚焦至空间光调制器（8），所述携带待测相位物体（6）信息的激光由加载在空间光调制器（8）上的角谱传输函数调制后，反射至第二聚焦透镜（9），经第二聚焦透镜（9）平行入射至薄膜分束器（10），经薄膜分束器（10）的前表面分为第一透射光和第一反射光，第一反射光射入反射镜（11），再经反射镜（11）返回薄膜分束器（10），经薄膜分束器（10）透射后被CCD（13）接收；第一透射光垂直入射至直角棱镜（12），经直角棱镜（12）反射至薄膜分束器（10）的后表面，经薄膜分束器（10）的后表面反射，被CCD（13）接收，转入步骤3；
步骤3、调节直角棱镜（12）的位置，使得经薄膜分束器（10）分光后的第一反射光与第一透射光，在到达CCD（13）时具有一定的光程差，转入步骤4；
步骤4、在CCD（13）上获得两幅不同离焦距离的光强图像，转入步骤5；
步骤5、改变空间光调制器（8）上加载的角谱传输函数，即改变了上述光强图像的离焦距离，转入步骤6；
步骤6、在CCD（13）上相应获得改变离焦距离后的两幅光强图像，转入步骤7；
步骤7、重复步骤5及步骤6，在CCD（13）上更新获得步骤6中不同离焦距离的光强图像。
10.根据权利要求9所述的大动态离焦范围单帧双幅图像光强采集装置的采集方法，其特征在于：当步骤4中获得的两幅图像重合时，在待测相位物体（6）和第一聚焦透镜（7）之间设置控制光束直径大小的光阑（14）。
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| CN201610587847.3A Active CN106289543B (zh) | 2016-07-25 | 2016-07-25 | 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 |
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|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN109718476A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-05-07 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | 三维扫描双光子刺激系统及其刺激方法 |
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- 2016-07-25 CN CN201610587847.3A patent/CN106289543B/zh active Active
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| CN113189101B (zh) * | 2021-04-27 | 2024-01-30 | 浙江大学 | 一种带有负反馈调节的无透镜成像方法 |
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| CN106289543B (zh) | 2019-07-12 |
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