CN106706638A - 基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备，包括光源装置、扩束准直元件、空间光调制器、透镜元件、阵列探测器以及图像生成装置，所述图像生成装置根据空间光调制器加载的多个相位掩膜和待测物体的相对相位取值构建参考库矩阵，根据阵列探测器记录的对应于每个相位掩膜下的待测物体的二维强度图像矩阵判别出每一幅二维强度图像矩阵中相邻像素点之间的暗条纹，再结合参考库矩阵获得相邻像素点之间的相位比率，根据预设的基准像素点和规划路径生成每一个像素点和基准像素点之间累乘比率，构建出待测物体的相位成像。本发明还提供了基于暗条纹逻辑判断的相位成像方法。该设备和方法计算复杂度低、相位重建精度高、具有全局最优性等优点。

Description

基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备及方法

技术领域

本发明涉及相位成像领域，特别涉及一种基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备及方法。

背景技术

在现有的许多光学成像系统中，光学探测装置通常是将光子转为电子，从而只能测量到光场的强度，即信号傅里叶变换幅值的平方，而无法直接测量到光场的相位信息。这主要是因为可见光的电磁场的振动频率约为10¹⁵Hz，目前没有电子测量设备能够捕捉到该振动频率下的相位信号。微波频谱的振动频率相对较低，其频率覆盖范围在百兆到数十千兆Hz，目前有成熟的相位测量器件，该相位测量器件的角分辨率约为0.1度。

为了测量光学范围内的相位信息，通常采用傅里叶强度测量和相位恢复算法相结合的方法，间接地根据一个图像的傅里叶变换幅值恢复出其原始图像。其中，傅里叶相位往往比傅里叶变换幅值更为重要，因为它包含着物体的许多结构信息。丢失了傅里叶相位，重建会变得极其困难。通常，我们把从傅里叶变换幅值的测量中确定出复函数的相位称为相位恢复(phase retrieval，PR)。目前，相位恢复已经广泛应用于诸多领域，比如X射线晶体学、光学成像、衍射成像、生物成像、全息、量子成像、天文观测、傅里叶分析成像(Fourierptychography)等等。

正是由于相位恢复(PR)具有非常好的应用前景，科学家们为解决相位恢复问题提出了各种各样的技术和方法。这些技术和方法可以按照每次迭代更新的是单幅图像还是所有图像，分为“顺序”和“全局”的技术和方法。

其中，应用最广泛的方法是基于在不同限制中交替投影的思想，这种想法起源于盖师贝格-撒克斯通(Gerchberg-Saxton，GS)算法。该方法先是设定一个随机初始猜测值，然后交替强加时域/实域限制(凸集)和傅里叶赋值限制(非凸集)，也即估算丢失相位信息值，得到候选解。该方法实属误差约化方法，虽然应用广泛，但太依赖于初始猜测值，也即信号的先验知识，而且往往无法获得最优的全局收敛，计算复杂度高。

最近，科学家们提出了一种新的基于凸优化的测量重建方法，利用矩阵移位将相位恢复(RP)问题转为半正定规划(semi-definite programming，SDP)问题，实际是将问题移到更高的维度空间，典型的方法如PhaseLift、沃廷格流(Wirtinger flow，WF)、截断沃廷格流(truncated Wirtinger flow，TWF)、压缩感知(compressed sensing，CS)等。这些方法往往要求在光学测量系统中加入空间光调制器，即需要施加一组编码衍射掩模(codeddiffraction patterns，CDP)进行相位调制，其掩模的数量为O((log n)⁴)，其中n为信号的长度，O表示复杂度符号。因而，这类方法优点在于能获得全局最优解，但对噪声缺乏鲁棒性，而且需要很多次的相位调制，测量次数较多。

以上是现有光学相位测量与重建方法的概况，综上所述，光学波段因其自身的振动频率极高，常规测量设备难以捕捉光场中的相位信息，往往需要依赖间接的测量方法，而传统的方法大致分为局部最优和全局最优方法，都具有先天的不足，也即计算复杂度高、对噪声敏感、测量次数多、相位分辨率差等，不适合实际应用。

此外，目前的用于测量傅里叶变换幅值的方法也存在着许多不足之处：光学傅里叶变换幅值系数在焦平面的中心集中了大部分的大值系数，而在焦平面周围的系数值较为分散且低，也即傅里叶平面上中心的系数值(低频)比周围的系数值(高频)高出几个量级，因而常规的阵列探测器很难同时准确记录下高频和低频信息。这些常规的阵列探测器不是为了记录高频信息而让低频信息过饱和，就是为了记录低频信息而让高频信息丢失，这导致传统方法在测量上存在不准确性。

因此，在光学相位成像领域亟待一种采用新原理、新方法的相位成像系统以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术中的计算复杂度高、对噪声敏感、测量次数多、相位分辨率差等缺陷。

鉴于此，本发明提供了一种基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备，包括：

光源装置，配置为向待测物体发射偏振激光；

扩束准直元件，配置为对所述偏振激光扩束，使得束斑大小与待测物体的大小以及空间光调制器的调制区域的大小适配；

空间光调制器，配置为通过加载预设的多个相位掩膜对穿透待测物体的偏振激光进行相位调制以形成出射光；

布置在所述出射光方向上的透镜元件；

阵列探测器，布置在所述透镜元件像平面上，用于记录对应于每个相位掩膜的待测物体的二维强度图像矩阵；

图像生成装置，配置为根据所述空间光调制器加载的多个相位掩膜和待测物体的相位取值构建参考库矩阵，根据所述阵列探测器记录的对应于每个相位掩膜下的待测物体的二维强度图像矩阵，判别出每一幅二维强度图像矩阵中相邻像素点之间的暗条纹，再结合所述参考库矩阵获得相邻像素点之间的相位比率，根据预设的基准像素点和规划路径生成每一个像素点和所述基准像素点之间累乘比率，进而构建出整个待测物体的相位成像；

所述相位掩膜符合条件其中，等比为物体相邻像素点间的相位比率，M表示掩模，上标j表示第j个掩模，j＝1,2,3,...,m，m表示掩模总个数，下标c和d表示第j个掩模M中某一个像素点的横坐标和纵坐标。

在本发明的一些实施方式中，所述空间空间光调制器选用透射式，所述透镜元件和所述阵列探测器布置在所述透射光线的路径上；所述光源装置、扩束准直元件、所述空间光调制器、所述透镜元件以及所述阵列探测器在同一主光轴上。

在本发明的一些实施方式中，所述光源装置选用随机激光器和偏振元件，所述基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备还包括：

用于布置在所述待测物体和所述透镜元件之间的非偏振分束器，所述空间光调制器、所述非偏振分束器、所述透镜元件、所述阵列探测器同轴地布置在第一轴向上，所述光源装置和所述扩束准直元件同轴地布置第二轴向上，所述第一轴向和所述第二轴向相互垂直；

所述光源发射偏振激光能够经由所述扩束准直元件扩束后直接照射在所述非偏振分束器上，再经由所述非偏振分束器反射向所述空间光调制器。

在本发明的一些实施方式中，所述光源装置只选用随机激光器，所述的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备还包括：

用于布置在所述待测物体和所述透镜元件之间的偏振分束器；

用于布置在所述待测物体和所述偏振分束器之间的半波片；

所述空间光调制器、所述半波片、所述偏振分束器、所述透镜元件、所述阵列探测器同轴地布置在第一轴向上，所述光源装置和所述扩束准直元件同轴地布置第二轴向上，所述第一轴向和所述第二轴向相互垂直；

所述光源发射的激光能够经由所述扩束准直元件扩束后直接照射在所述偏振分束器上，再经由所述偏振分束器反射向所述半波片。

在本发明的一些实施方式中，所述光源装置包括随机激光器和偏振元件或直接选用偏振激光器。

在本发明的一些实施方式中，所述偏振激光为伽马射线、X射线、紫外光、可见光、红外光。

在本发明的一些实施方式中，所述空间光调制器选自基于液晶的空间光调制器、液晶光阀、掩模切换板中的任一种。

在本发明的一些实施方式中，所述阵列探测器选用弱光阵列探测器时，所述的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备还包括布置于所述空间光调制器和所述阵列探测器之间的光衰减元件。

在本发明的一些实施方式中，所述空间光调制器配置为通过加载预设的多个相位掩膜对穿透待测物体的偏振激光进行相位调制以形成出射光包括：

当三维待测物体的像素为s₁×s₂，且s₁＝s₂时，设定相对相位取值q_j的个数为m，q_j的取值为满足q_j＝e^iθ的任意实数或者虚数，其中θ为相位角，e为自然底数；

根据相对相位取值q_j的个数和取值构建m个1×s₁矩阵，处于该矩阵第一列的像素点设定为基准像素点r，相邻像素点间的等比为其中j为自然数，*为复共轭符号，即：

构建m个像素为s₁×s₁相位掩膜其中T为转置符号。

在本发明的一些实施方式中，根据所述空间光调制器加载的多个相位掩膜和待测物体的相对相位取值构建参考库矩阵包括：

为待测物体建立m×1的物体参考取值矩阵

将r_obj矩阵拓展为m×m的矩阵

为相位掩模也设置一个1×m相位掩膜参考比率矩阵其中*为复共轭符号；

将矩阵r_pattern拓展为m×m的矩阵

将上述矩阵R_obj和矩阵R_pattern点乘(对应元素相乘)，得到点乘积矩阵B：

当点乘积矩阵B中的元素为1时，则该位置以0替换，当点乘积矩阵B中的元素不为1时，则该位置保持不变仍然记为1，由此获得由0和1组成大小为m×m的参考库矩阵R。

在本发明的一些实施方式中，根据所述阵列探测器记录的对应于每个相位掩膜下的待测物体的二维强度图像矩阵，判别出每一幅二维强度图像矩阵中相邻像素点之间的暗条纹包括：

针对m幅由所述阵列探测器记录下的待测物体的实测二维强度图像矩阵：

其中j＝1,2,3,...,m，将每一幅实测二维强度图像矩阵中的第一列的像素作为基准像素点，后一列的元素和前一列中处于同行的元素进行比较，若相同，则记为0，若不同则记为1，构建m个矩阵Matrix_au(F^j)＝zeros(s₁,s₂-1)，矩阵Matrix_au(F^j)比实测二维强度图像矩阵F^j少一列；

将每一幅实测二维强度图像矩阵中的第一行的像素作为基准像素点，后一行的元素和前一行中处于同列的元素进行比较，若相同，则记为0，若不同则记为1，构建m个矩阵Matrix_bu(F^j)＝zeros(s₁-1,s₂)，矩阵Matrix_bu(F^j)比实测二维强度图像矩阵F^j少一行。

在本发明的一些实施方式中，结合所述参考库矩阵获得相邻像素点之间的相位比率包括：

依次提取Matrix_au(F¹)＝zeros(s₁,s₂-1)～Matrix_au(F^j)＝zeros(s₁,s₂-1)中处于相同位置的像素点的值，并将该值依次记录，查询参考库矩阵R的每一列，上述依次记录的值只可能和参考库矩阵R中的某一列完全相符，记录该列所在的列数；

返回到物体参考取值矩阵中查找与该列数相同的行所对应的q_j值；

依次提取Matrix_bu(F¹)＝zeros(s₁,s₂-1)～Matrix_bu(F^j)＝zeros(s₁,s₂-1)中处于相同位置的像素点的值，并将该值依次记录，查询参考库矩阵R的每一列，上述依次记录的值只可能和参考库矩阵R中的某一列完全相符，记录该列所在的列数；

返回到物体参考取值矩阵中查找与该列数相同的行所对应的q_j值。

在本发明的一些实施方式中，根据所述阵列探测器记录的对应于每个相位掩膜下的待测物体的二维强度图像矩阵，判别出每一幅二维强度图像矩阵中相邻像素点之间的暗条纹包括：

若在m个矩阵Matrix_au(F^j)＝zeros(s₁,s₂-1)中处于相同位置的像素的值为1的次数不等于m-1次则记录下该像素点的位置；

若在m个矩阵Matrix_bu(F^j)＝zeros(s₁-1,s₂)中处于相同位置的像素的值为1的次数不等于m-1次则记录下该像素点的位置。

在本发明的一些实施方式中，根据预设的基准像素点和规划路径生成每一个像素点和所述基准像素点之间累乘比率，进而构建出整个待测物体的相位成像包括：

根据已获得待测物体的实际图像中每一个像素点和相邻像素点之间的相位比率以及上述被记录下的位置，重新规划出计算该像素点和基准像素点的累乘比率的路经，进而完全构建出待测物体的实际三维图像，所述路经绕过上述记录位置。

在本发明的一些实施方式中，根据预设的基准像素点和规划路径生成每一个像素点和所述基准像素点之间累乘比率，进而构建出整个待测物体的相位成像包括：

根据已获得待测物体的实际图像中每一个像素点和相邻像素点之间的相位比率，规划出不同的路径，计算得到多个每一个像素点和预设的基准像素点之间的累乘比率，并且将该累乘比率进行平均计算，进而根据平均计算后的累乘比率完全构建出待测物体的实际三维图像。

此外，本发明还提供了一种基于暗条纹逻辑判断的相位成像方法，其特征在于，包括：

利用光源向待测物体发射偏振激光；

利用扩束准直元件扩束，使得束斑大小与待测物体的大小以及空间光调制器的调制区域的大小适配；

利用空间光调制器向待测物体加载预设的多个相位掩膜，对所述偏振激光进行相位调制后形成出射光或者透射光；

出射光或者透射光经由布置在出射路径上的透镜元件，被布置于透镜元件的像平面上的阵列探测器探测，并记录下对应于每个相位掩膜的待测物体的二维强度图像矩阵；

根据所述空间光调制器加载的多个相位掩膜和待测物体的相对相位取值构建参考库矩阵，根据所述阵列探测器记录的对应于每个相位掩膜下的待测物体的二维强度图像矩阵，判别出每一幅二维强度图像矩阵中相邻像素点之间的暗条纹，再结合所述参考库矩阵获得相邻像素点之间的相位比率，根据预设的基准像素点和规划路径生成每一个像素点和所述基准像素点之间累乘比率，进而构建出整个待测物体的相位成像；

所述相位掩膜符合条件其中，等比为物体相邻像素点间的相位比率，M表示掩模，上标j表示第j个掩模，j＝1,2,3,...,m，m表示掩模总个数，下标c和d表示第j个掩模M中某一个像素点的横坐标和纵坐标。

在本发明的一些实施方式中，利用空间光调制器向待测物体加载预设的多个相位掩膜，对所述偏振激光进行相位调制后形成出射光或者透射光包括：

当三维待测物体的像素为s₁×s₂，且s₁＝s₂时，设定相对相位取值q_j的个数为m，q_j的取值为满足q_j＝e^iθ的任意实数或者虚数，其中θ为相位角，e为自然底数；

根据相对相位取值q_j的个数和取值构建m个1×s₁矩阵，处于该矩阵第一列的像素点设定为基准像素点r，相邻像素点间的等比为其中j为自然数，*为复共轭符号，即：

构建m个像素为s₁×s₁相位掩膜其中T为转置符号。

在本发明的一些实施方式中，根据所述空间光调制器加载的多个相位掩膜和待测物体的相对相位取值构建参考库矩阵包括：

为待测物体建立m×1的物体参考取值矩阵

将r_obj矩阵拓展为m×m的矩阵

为相位掩模也设置一个1×m相位掩膜参考比率矩阵其中*为复共轭符号；

将矩阵r_pattern拓展为m×m的矩阵

将上述矩阵R_obj和矩阵R_pattern点乘(对应元素相乘)，得到点乘积矩阵B：

当点乘积矩阵B中的元素为1时，则该位置以0替换，当点乘积矩阵B中的元素不为1时，则该位置保持不变仍然记为1，由此获得由0和1组成大小为m×m的参考库矩阵R。

在本发明的一些实施方式中，所述阵列探测器记录的对应于每个相位掩膜下的待测物体的二维强度图像矩阵，判别出每一幅二维强度图像矩阵中相邻像素点之间的暗条纹包括：

针对m幅由所述阵列探测器记录下的待测物体的实测二维强度图像矩阵：

其中j＝1,2,3,...,m，将每一幅实测二维强度图像矩阵中的第一列的像素作为基准像素点，后一列的元素和前一列中处于同行的元素进行比较，若相同，则记为0，若不同则记为1，构建m个矩阵Matrix_au(F^j)＝zeros(s₁,s₂-1)，矩阵Matrix_au(F^j)比实测二维强度图像矩阵F^j少一列；

将每一幅实测二维强度图像矩阵中的第一行的像素作为基准像素点，后一行的元素和前一行中处于同列的元素进行比较，若相同，则记为0，若不同则记为1，构建m个矩阵Matrix_bu(F^j)＝zeros(s₁-1,s₂)，矩阵Matrix_bu(F^j)比实测二维强度图像矩阵F^j少一行。

在本发明的一些实施方式中，结合所述参考库矩阵获得相邻像素点之间的相位比率包括：

依次提取Matrix_au(F¹)＝zeros(s₁,s₂-1)～Matrix_au(F^j)＝zeros(s₁,s₂-1)中处于相同位置的像素点的值，并将该值依次记录，查询参考库矩阵R的每一列，上述依次记录的值只可能和参考库矩阵R中的某一列完全相符，记录该列所在的列数；

返回到物体参考取值矩阵中查找与该列数相同的行所对应的q_j值；

依次提取Matrix_bu(F¹)＝zeros(s₁,s₂-1)～Matrix_bu(F^j)＝zeros(s₁,s₂-1)中处于相同位置的像素点的值，并将该值依次记录，查询参考库矩阵R的每一列，上述依次记录的值只可能和参考库矩阵R中的某一列完全相符，记录该列所在的列数；

返回到物体参考取值矩阵中查找与该列数相同的行所对应的q_j值。

在本发明的一些实施方式中，根据所述阵列探测器记录的对应于每个相位掩膜下的待测物体的二维强度图像矩阵，判别出每一幅二维强度图像矩阵中相邻像素点之间的暗条纹包括：

若在m个矩阵Matrix_au(F^j)＝zeros(s₁,s₂-1)中处于相同位置的像素的值为1的次数不等于m-1次则记录下该像素点的位置；

若在m个矩阵Matrix_bu(F^j)＝zeros(s₁-1,s₂)中处于相同位置的像素的值为1的次数不等于m-1次则记录下该像素点的位置。

在本发明的一些实施方式中，根据预设的基准像素点和规划路径生成每一个像素点和所述基准像素点之间累乘比率，进而构建出整个待测物体的相位成像包括：

根据已获得待测物体的实际图像中每一个像素点和相邻像素点之间的相位比率以及上述被记录下的位置，重新规划出计算该像素点和基准像素点的累乘比率的路经，进而完全构建出待测物体的实际三维图像，所述路经绕过上述记录位置。

在本发明的一些实施方式中，根据预设的基准像素点和规划路径生成每一个像素点和所述基准像素点之间累乘比率，进而构建出整个待测物体的相位成像包括：

根据已获得待测物体的实际图像中每一个像素点和相邻像素点之间的相位比率，规划出不同的路径，计算得到多个每一个像素点和预设的基准像素点之间的累乘比率，并且将该累乘比率进行平均计算，进而根据平均计算后的累乘比率完全构建出待测物体的实际三维图像。

本发明提供的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备及方法，是将偏振激光打在待测物体上，再通过空间光调制器对待测物体进行掩模的调制，使得出射光到达放置在像平面上的阵列探测器，然后将从阵列探测器记录记录的对应于每一个相位掩膜的二维图像矩阵中提取暗条纹，进而获取出相邻像素之间的相位差异。为了规避噪声的影响，还可以对任意两点之间的路径进行重新规划以绕过因噪声影响而误判的边界线，以此来计算在该两点之间路径上的累乘比率，最终同时获得待测物体图像的实部与虚部，也即实现了相位成像。

本发明提供的基于暗条纹逻辑判断的相位成像系统及方法，可有效降低相位掩模调制次数，减少测量数，提高测量精度，提高对噪声的鲁棒性，避免了傅里叶幅值测量的不准确性，具有全局最优性、计算复杂度低、相位重建精度高等优点，可推广到所有的光学相位测量系统中，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明第一实施方式的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备的结构示意图；

图2为本发明第二实施方式的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备的结构示意图；

图3为本发明第三实施方式的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备的结构示意图；

图4为本发明第四实施方式的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备的结构示意图；

图5为本发明提供的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备的方法的流程图；

图6为假设待测物体的实际图像像素为8×8时的示意图。

具体实施方式

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对发明作进一步详细的说明。虽然附图中显示了本公开示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻的理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例1

参照图1，本发明的第一实施方式提供了基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备。该相位成像设备包括：光源装置1、扩束准直元件2、空间光调制器3、透镜元件4、阵列探测器5以及图像生成装置(图未示)。

该测温设备的各个部件的连接关系和工作过程可以描述如下：

光源装置1朝向待测物体6发射偏振激光，该偏振激光经过扩束准直元件2扩束，使得束斑大小与待测物体6的大小以及空间光调制器3的调制区域的大小适配。偏振激光穿透待测物体6后抵达空间光调制器3，空间光调制器3通过加载多个相位掩膜对穿透待测物体6的偏振激光进行相位调制后形成出射光，该出射光射向透镜元件4。阵列探测器5布置在透镜元件4的像平面上，用于记录对应于每个相位掩膜的待测物体的二维强度图像矩阵。

图像生成装置根据空间光调制器3加载的多个相位掩膜和待测物体的相对相位取值构建参考库矩阵。图像生成装置根据阵列探测器5记录的对应于每个相位掩膜下的待测物体6的二维强度图像矩阵，判别出待测物体6的相邻像素点在每一幅二维强度图像矩阵中的暗条纹(存在暗条纹的相邻像素之间必定存在相位差异)，再结合上述参考库矩阵获得相邻像素点之间的相位比率。图像生成装置设定基准像素点且生成每一个像素点和该基础像素点之间的规划路径，计算待测物体6的每一个像素点和基准像素点之间的累乘比率。在得知待测物体6的每一个像素点和基准像素点之间的累乘比率后，也就实现了整个待测物体6的相位成像。

其中，图像生成装置和空间光调制器3以及阵列探测器5可以采用逻辑连接或者电连接的方式，其具体设置位置和光路无关，因此在本发明的附图中均未标明图像生成装置，但是这不会影响本领域技术人员对于本发明技术方案的理解。

其中，上述的能够发射偏振激光的光源装置1采用随机激光器1-1和偏振元件1-2组合的方式或者选用偏振激光器均可以实现发射偏振激光的目的。偏振激光的波长范围涵盖伽马射线、X射线、紫外光、可见光、红外光。

其中，空间光调制器3选自基于液晶的空间光调制器、液晶光阀、掩模切换板中的任一种。

其中，若所述阵列探测器5选用弱光阵列探测器(诸如单光子阵列探测器，其探测元件为雪崩二极管阵列APDs)，那么还需要在空间光调制器3与阵列探测器5之间设置光衰减元件7。该光衰减元件7可以对经由空间光调制器3进行相位掩膜调制后的反射光进行衰减，使得反射光的强度在阵列探测器5的测量范围内。

下面结合一个实例对相位掩膜的获取、参考库矩阵的构建、对应于每个相位掩膜下的待测物体6的二维强度图像中的暗条纹的判别、相邻像素点之间的相位比率的获取以及待测物体6的每一个像素点和基准像素点之间的累乘比率的计算分别进行详细阐述：

现有一个三维待测物体X，像素为s₁×s₂，其空间图像表示应同时包含实部和虚部，即X＝a+bi，即三维待测物体X相邻像素点间的相位比率可以为实数a，也可以为虚数bi。

(1)相位掩膜的获取：

由空间光调制器加载的相位掩膜需要满足条件：其中等比为物体相邻像素点间的相位比率。一个三维待测物体X具有s₁×s₂个像素点，因此像素点之间存在多个不同的相位比率其中m为自然数。M表示掩模，上标j表示第j个掩模，下标c和d表示第j个掩模M中某一个像素点的横坐标和纵坐标。由上可知，掩膜M的个数等于相位比率的个数。

上述公式应当理解为，在第j个掩膜M中，横坐标为c+1、纵坐标为d+1的像素点与横坐标为c、纵坐标为d+1的像素点具有相位比率且与横坐标为c+1、纵坐标为d的像素点具有相位比率

假设一个复数q_j＝a+ib，其中a和b分别代表q_j的实部和虚部，则其复共轭而q_j和称为复共轭对。例如：q_j＝i，则q_j＝-i，则q_j＝1，则q_j＝-1，则

在一种特殊的情况下，当三维待测物体的像素为s₁×s₂，且s₁＝s₂时，设定相对相位取值q_j的个数为m，q_j的取值为满足q_j＝e^iθ的任意实数或者虚数，其中θ为相位角，e为自然底数；

根据相对相位取值q_j的个数和取值构建m个1×s₁矩阵，处于该矩阵第一列的像素点设定为基准像素点r，相邻像素点间的相位比率为其中j＝1,2,3,4…m，m为自然数，*为复共轭符号，即：

构建m个像素为s₁×s₁相位掩膜其中T为转置符号。

举一个具体实例：

假设待测物体6的实际像素为16×16，其实际图像以矩阵表示为：

且假设q_j有四个值(即m＝4)，又因q_j可以为实数和虚数，那么不妨假设q_j＝i,-i,-1,1。

根据相位取值q_j的个数和取值构建4个1×16的矩阵，处于该矩阵第一列的像素点设定为基准像素点r＝1，相邻像素点间的等比为即：

f₁＝[1 -i -1 i 1 -i -1 i 1 -i -1 i 1 -i -1 i]；

f₂＝[1 i -1 -i 1 i -1 -i 1 i -1 -i -1 -i 1 i]；

f₃＝[1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1]；

f₄＝[1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1]；

在矩阵f₁中，相邻两列的像素间具有相位比率在矩阵f₂中，相邻两列的像素间具有相位比率在矩阵f₃中，相邻两列的像素间具有相位比率在矩阵f₄中，相邻两列的像素间具有相位比率

令其中T为转置符号，则：

上述四个掩膜M¹～M⁴均满足条件

(2)参考库矩阵的建立：

如前所述，待测物体的相对相位取值q_j共有m个，相位掩膜的个数也为m个。由于只需要考虑相邻像素点的边界，因此可以先为待测物体建立m×1的物体参考取值矩阵

将r_obj矩阵拓展为m×m的矩阵

为相位掩模也设置一个1×m的相位掩膜参考比率矩阵其中*为复共轭符号；

将矩阵r_pattern拓展为m×m的矩阵

将上述矩阵R_obj和矩阵R_pattern点乘(对应元素相乘)，得到点乘积矩阵B：

当点乘积矩阵B中的元素为1时，则该位置以0替换，当点乘积矩阵B中的元素不为1时，则该位置保持不变仍然记为1，由此获得由0和1组成大小为m×m的参考库矩阵R。

举一个具体实例：

仍然假设q_j＝i,-i,-1,1，先为待测物体建立一个4×1的物体参考取值矩阵r_obj，则将其扩展为4×4的矩阵

为相位掩模也设置一个1×4相位掩膜参考比率矩阵：r_pattern＝[-i i -1 1]；

将矩阵r_pattern拓展为4×4的矩阵

将上述矩阵R_obj和矩阵R_pattern点乘(对应元素相乘)，得到点乘积矩阵B：

当点乘积矩阵B中的元素为1时，则该位置以0替换，当点乘积矩阵B中的元素不为1时，则该位置保持不变仍然记为1，由此获得由0和1组成大小为m×m的参考库矩阵

特别地，若r_obj与r_pattern对应元素正序排列时，R为正对角线元素为0其余位置元素为1的矩阵；若r_obj与r_pattern对应元素逆序排列时，R为反对角线元素为0其余位置元素为1的矩阵；若r_obj与r_pattern对应元素乱排列时，R为每行每列只有一个0其余位置元素为1的矩阵。

(3)待测物体的二维强度图像矩阵中的暗条纹判别

在本实施方式中，像素大小为s₁×s₂的相位掩膜共有m个，因此阵列探测器5测得的对应于每一个相位掩膜的二维强度图像矩阵应当为m幅，且像素大小同样为s₁×s₂。

在二维强度图像矩阵中，如果相邻像素之间存在有暗条纹，则它们之间必定存在相位差异(即存在相位比率)。

实测的像素为s₁×s₂的j幅待测物体的二维强度图像为：

当所加载的相位掩膜为M¹时，阵列探测器5实测的二维强度图像矩阵记为：

当所加载的相位掩膜为M²时，阵列探测器5实测的二维强度图像记矩阵为：

当所加载的相位掩膜为M³时，阵列探测器5实测的二维强度图像矩阵记为：

以此类推，当所加载的相位掩膜为M^j时，其中j＝1,2,3,4…m，阵列探测器5实测的二维强度图像矩阵记为：

针对实测的二维强度图像矩阵F¹，构建矩阵Matrix_au(F¹)＝zeros(s₁,s₂-1)，即将矩阵F¹的第一列的像素作为基准像素点，后一列的元素和前一列中处于同行的元素进行比较，若相同，则记为0，若不同则记为1。例如：和比较，相同则记为0，不同则记为1；和比较，相同则记为0，不同则记为1，以此类推。因此，矩阵Matrix_au(F¹)比实测矩阵F¹少了一列。

针对实测的二维强度图像矩阵F¹，构建矩阵Matrix_bu(F¹)＝zeros(s₁-1,s₂)，即将矩阵F¹的第一行的像素作为基准像素点，后一行的元素和前一行中处于同列的元素进行比较，若相同，则记为0，若不同则记为1。例如：和比较，相同则记为0，不同则记为1；和比较，相同则记为0，不同则记为1，以此类推。因此，矩阵Matrix_bu(F¹)比实测矩阵F¹少了一行。

按照相同的方式，对实测的二维强度图像矩阵F¹～F^j做同样处理，则共获得m个Matrix_au＝zeros(s₁,s₂-1)矩阵和m个Matrix_bu＝zeros(s₁-1,s₂)矩阵。在m个Matrix_au＝zeros(s₁,s₂-1)矩阵中，处于相应位置的像素点(处于同一行同一列的像素点)会出现m-1个1和1个0。在m个Matrix_bu＝zeros(s₁-1,s₂)矩阵中，处于相应位置的像素点(处于同一行同一列的像素点)会出现m-1个1和1个0。

举一个具体实例：

假设像素大小为16×16的相位掩膜共有4个，因此阵列探测器5测得的对应于每一个相位掩膜的二维强度图像矩阵应当为4幅，且像素大小同样为16×16。

在二维强度图像矩阵中，如果相邻像素之间存在有暗条纹，则它们之间必定存在相位差异(即存在相位比率)。

实测的像素为16×16的4幅待测物体的二维强度图像矩阵为：

当所加载的相位掩膜为M¹时，阵列探测器5实测的二维强度图像矩阵记为：

当所加载的相位掩膜为M²时，阵列探测器5实测的二维强度图像矩阵记为：

当所加载的相位掩膜为M³时，阵列探测器5实测的二维强度图像矩阵记为：

当所加载的相位掩膜为M⁴时，阵列探测器5实测的二维强度图像矩阵记为：

针对实测的二维强度图像矩阵F¹，构建矩阵Matrix_au(F¹)＝zeros(s₁,s₂-1)，即将矩阵F¹的第一列的像素作为基准像素点，后一列的元素和前一列中处于同行的元素进行比较，若相同，则记为0，若不同则记为1。例如：和比较，相同则记为0，不同则记为1；和比较，相同则记为0，不同则记为1，以此类推。因此，矩阵Matrix_au(F¹)比实测矩阵F¹少了一列。

针对实测的二维强度图像矩F¹，构建矩阵Matrix_bu(F¹)＝zeros(s₁-1,s₂)，即将矩阵F¹的第一行的像素作为基准像素点，后一行的元素和前一行中处于同列的元素进行比较，若相同，则记为0，若不同则记为1。例如：和比较，相同则记为0，不同则记为1；和比较，相同则记为0，不同则记为1，以此类推。因此，矩阵Matrix_bu(F¹)比实测矩阵F¹少了一行。

按照相同的方式，对实测的二维强度图像矩阵F¹～F⁴做同样处理，则共获得4个Matrix_au＝zeros(s₁,s₂-1)矩阵和4个Matrix_bu＝zeros(s₁-1,s₂)矩阵。

(4)相邻像素点之间的相位比率的获取

依次提取Matrix_au(F¹)＝zeros(s₁,s₂-1)～Matrix_au(F^j)＝zeros(s₁,s₂-1)中处于相同位置的像素点的值(0或1)，并将该值依次记录。查询参考库矩阵R的每一列，上述依次记录的值只可能和参考库矩阵R中的某一列完全相符，记录该列所在的列数。

返回物体参考取值矩阵中查找与该列数相同的行所对应的q_j值，该q_j值即代表在待测物体的实际图像中，这一位置的像素点和与其处于同一行、前一列的像素点之间的相位比率。

同样地，依次提取Matrix_bu(F¹)＝zeros(s₁,s₂-1)～Matrix_bu(F^j)＝zeros(s₁,s₂-1)中处于相同位置的像素点的值(0或1)，并将该值依次记录。查询参考库矩阵R的每一列，上述依次记录的值只可能和参考库矩阵R中的某一列完全相符，记录该列所在的列数。

返回物体参考取值矩阵中查找与该列数相同的行所对应的q_j值，该q_j值即代表在待测物体的实际图像中，这一位置的像素点和与其处于同一列、前一行的像素点之间的相位比率。

举一个具体实例：

假设像素大小为16×16的相位掩膜共有4个，因此阵列探测器5测得的对应于每一个相位掩膜的二维强度图像应当为4幅，且像素大小同样为16×16。

因此，所构建的Matrix_au＝zeros(s₁,s₂-1)为4个，即Matrix_au(F¹)～Matrix_au(F⁴)，依次提出这四个矩阵中，处于第三行第四列的像素的取值(假设为1、0、1、1)，在参考库矩阵中进行查询到所对应的列为第二列，返回物体参考取值矩阵中查找与该列数相同的行(第二行)所对应的q_j值为-i。

该q_j值即代表在待测物体的实际图像中，第三行第四列的像素点和第三行第三列的像素点之间的相位比率为i。

同样地，所构建的Matrix_bu＝zeros(s₁,s₂-1)为4个，即Matrix_bu(F¹)～Matrix_bu(F⁴)，依次提出这四个矩阵中，处于第三行第四列的像素的取值(假设为0、1、1、1)，在参考库矩阵中进行查询到所对应的列为第一列，返回物体参考取值矩阵中查找与该列数相同的行(第一列)所对应的q_j值为i。

该q_j值即代表在待测物体的实际图像中，第三行第四列的像素点和第二行第四列的像素点之间的相位比率为i。

(5)待测物体的每一个像素点和基准像素点之间的累乘比率的计算

通过步骤(4)，可以获得待测物体的实际图像中每一个像素点和相邻像素点之间的相位比率，因此，当设定了基准像素点时，即可计算得到任一个像素点和该基准像素点之间的累乘比率，进而完全构建出待测物体的实际三维图像。

举一个具体实例：

假设待测物体的实际图像：假设X_1-1为基准像素点。那么X_3-2和X_1-1之间的比值就等于X_3-2和X_2-2之间的比值、X_2-2和X_1-2之间的比值、X_1-2和X_1-1之间的相位比率的乘积，即X_3-2和X_1-2之间是相邻像素的相位比率的累乘关系，即累乘比率。

进一步地，当获知了待测物体的实际图像中每一个像素点和基准像素之间的累乘相位比率，那么就可以得到该待测物体的实际三维图像。

在一种特殊的情况下，由于测量噪声(包括阵列探测器的本征噪声、散粒噪声、暗计数、暗电流、由多个光学器件表面所导致的牛顿环、由空间光调制器基片和液晶像素反射光的相互影响所引起的精细网格线等)的存在，从上述阵列探测器5记录的对应于不同相位掩膜的待测物体的二维强度图像矩阵中所提取的暗条纹和相位比率可能存在一些不一致性，即测量噪声会对暗条纹的判别产生很大的影响，可能会导致误判率的增加，即不满足“在m个Matrix_au＝zeros(s₁,s₂-1)矩阵中，处于相应位置的像素点(处于同一行同一列的像素点)会出现m-1个1和1个0。在m个Matrix_bu＝zeros(s₁-1,s₂)矩阵中，处于相应位置的像素点(处于同一行同一列的像素点)会出现m-1个1和1个0”。

由于对应于j个相位掩膜的待测物体的实测二维强度图像矩阵中相邻像素间的暗条纹消失(即为0)仅会发生在一副实测二维强度图像矩阵中(F¹～F^j之中)，若在所有实测二维强度图像矩阵中某两个相邻像素区域之间暗条纹出现次数不等于m-1，则该相邻像素的位置被记录下来，并且重新规划出计算该像素点和基准像素点的累乘比率的路线，该路线绕过上述记录位置。

举一个具体实例：

如图6所示，假设待测物体的实际图像为8×8，现以8×8的格子来表示待测物体的实际图像。

假设在4幅实测的二维强度图像F¹～F⁴中像素X_5-4和X_5-5之间的垂直边界的相位等比q_j分别为1、1、0、0，在参考库矩阵中查询得不到所对应的列，则判断像素X_5-4和X_5-5之间出现了暗条纹误判。那么此时需要重新对X_5-5和基准像素间的相位比率计算路径作出规划。假设其原路径为A，由于X_5-4和X_5-5之间的垂直边界的暗条纹消失出现误判，因此为其规划新的路径B以绕开该误判位置。

在一种更优选的实施方式中，为了避免单个路径计算累乘比率所产生的误差，可以为每一个像素点至基准像素点规划多条计算路径，以得到多个累乘比率。然后计算得到多个累乘比率的平均值，最后完全构建出待测物体的实际三维图像。

实施例2

参照图2，本发明的第二实施方式提供了一种基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备。该相位成像设备包括：光源装置1、扩束准直元件2、空间光调制器3、透镜元件4、阵列探测器5以及图像生成装置(图未示)。

第二实施方式和第一实施方式的不同之处在于空间光调制器3采用透射式，因此透镜元件4和阵列探测器5布置在透射光线的路径上。即光源装置1、扩束准直元件2、物体6、空间光调制器3、透镜元件4、阵列探测器5在同一主光轴上。

此外，由于空间光调制器3采用透射式，因此其可以布置于物体6的前端，以使得光源装置1发射的偏振激光先经由空间光调制器3进行相位掩膜调制以形成透射光线，然后该透射光线再照射物体6。

其中，若所述阵列探测器5选用弱光阵列探测器(诸如单光子阵列探测器，其探测元件为雪崩二极管阵列APDs)，那么还需要在空间光调制器3与阵列探测器5之间设置光衰减元件7。该光衰减元件7可以对经由空间光调制器3进行相位掩膜调制后的反射光进行衰减，使得反射光的强度在阵列探测器5的测量范围内。

实施例3

参照图3，本发明的第三实施方式提供了一种基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备。该相位成像设备包括：光源装置1、扩束准直元件2、空间光调制器3、透镜元件4、阵列探测器5以及图像生成装置(图未示)。此外还包括位于物体6和透镜元件4之间的非偏振分束器8。光源装置1发射的偏振激光经由扩束准直元件2扩束后直接照射在非偏振分束器8上。

其中，空间光调制器3、物体6、非偏振分束器8、透镜元件4、阵列探测器5同轴地布置在第一轴向上，光源装置1和扩束准直元件2同轴地布置第二轴向上，所述第一轴向和第二轴向相互垂直。

其中，若所述阵列探测器5选用弱光阵列探测器(诸如单光子阵列探测器，其探测元件为雪崩二极管阵列APDs)，那么还需要在空间光调制器3与阵列探测器5之间设置光衰减元件7。该光衰减元件7可以对经由空间光调制器3进行相位掩膜调制后的反射光进行衰减，使得反射光的强度在阵列探测器5的测量范围内。

其中，光源装置选用随机激光器和偏振元件。

实施例4

参照图3，本发明的第四实施方式提供了一种基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备。该相位成像设备包括：光源装置1、扩束准直元件2、空间光调制器3、透镜元件4、阵列探测器5以及图像生成装置(图未示)。此外还包括位于物体6和透镜元件4之间的偏振分束器9以及物体6和偏振分束器9之间的半波片10。

其中，光源装置1采用随机激光器发射非偏振激光，该非偏振激光经由扩束准直元件2扩束后直接照射在偏振分束器9上。

其中，空间光调制器3、物体6、半波片10、偏振分束器9、透镜元件4、阵列探测器5同轴地布置在第一轴向上，光源装置1和扩束准直元件2同轴地布置第二轴向上，所述第一轴向和第二轴向相互垂直。

其中，若所述阵列探测器5选用弱光阵列探测器(诸如单光子阵列探测器，其探测元件为雪崩二极管阵列APDs)，那么还需要在空间光调制器3与阵列探测器5之间设置光衰减元件7。该光衰减元件7可以对经由空间光调制器3进行相位掩膜调制后的反射光进行衰减，使得反射光的强度在阵列探测器5的测量范围内。

此外，参照图5所示，本发明还提供了一种基于暗条纹逻辑判断的相位成像方法，包括步骤：

利用光源向待测物体发射偏振激光；

利用扩束准直元件扩束，使得束斑大小与待测物体的大小以及空间光调制器的调制区域的大小适配；

利用空间光调制器向待测物体加载预设的多个相位掩膜，对所述偏振激光进行相位调制后形成出射光或者透射光；

出射光或者透射光经由布置在出射路径上的透镜元件，被布置于透镜元件的像平面上的阵列探测器探测，并记录下对应于每个相位掩膜的待测物体的二维强度图像矩阵；

根据所述空间光调制器加载的多个相位掩膜和待测物体的相对相位取值构建参考库矩阵，根据所述阵列探测器记录的对应于每个相位掩膜下的待测物体的二维强度图像矩阵，判别出每一幅二维强度图像矩阵中相邻像素点之间的暗条纹，再结合所述参考库矩阵获得相邻像素点之间的相位比率，根据预设的基准像素点和规划路径生成每一个像素点和所述基准像素点之间累乘比率，进而构建出整个待测物体的相位成像；

所述相位掩膜符合条件其中，等比为物体相邻像素点间的相对相位比率，其中m为自然数。M表示掩模，上标j表示第j个掩模，上标j表示第j个掩模，下标c和d表示第j个掩模M中某一个像素点的横坐标和纵坐标。掩膜M的个数等于相位比率的个数。

其中，所述利用空间光调制器接收穿透待测物体后的偏振激光，并且加载预设的多个相位掩膜对该偏振激光进行相位调制后形成出射光，包括：

当三维待测物体的像素为s₁×s₂，且s₁＝s₂时，设定相对相位取值q_j的个数为m，q_j的取值为满足q_j＝e^iθ的任意实数或者虚数，其中θ为相位角，e为自然底数；

根据相对相位取值q_j的个数和取值构建m个1×s₁矩阵，处于该矩阵第一列的像素点设定为基准像素点r，相邻像素点间的相位比率为其中j＝1,2,3,4…m，m为自然数，*为复共轭符号，即：

构建m个像素为s₁×s₁相位掩膜其中T为转置符号。

其中，图像生成装置根据空间光调制器加载的多个相位掩膜和待测物体的相位取值构建参考库矩阵，包括：

根据所述空间光调制器加载的多个相位掩膜和待测物体的相对相位取值构建参考库矩阵包括：

为待测物体建立m×1的物体参考取值矩阵

将r_obj矩阵拓展为m×m的矩阵

为相位掩模也设置一个1×m的相位掩膜参考比率矩阵其中*为复共轭符号。

将矩阵r_pattern拓展为m×m的矩阵

将上述矩阵R_obj和矩阵R_pattern点乘(对应元素相乘)，得到点乘积矩阵B：

当点乘积矩阵B中的元素为1时，则该位置以0替换，当点乘积矩阵B中的元素不为1时，则该位置保持不变仍然记为1，由此获得由0和1组成大小为m×m的参考库矩阵R。

其中，根据阵列探测器记录下的对应于每个相位掩膜的待测物体的二维强度图像矩阵，判别出每一幅二维强度图像矩阵中相邻像素之间的暗条纹，包括：

针对m幅由所述阵列探测器记录下的待测物体的实测二维强度图像矩阵：

其中j＝1,2,3,...,m，将每一幅实测二维强度图像矩阵中的第一列的像素作为基准像素点，后一列的元素和前一列中处于同行的元素进行比较，若相同，则记为0，若不同则记为1，构建m个矩阵Matrix_au(F^j)＝zeros(s₁,s₂-1)，矩阵Matrix_au(F^j)比实测二维强度图像矩阵F^j少一列；

将每一幅实测二维强度图像矩阵中的第一行的像素作为基准像素点，后一行的元素和前一行中处于同列的元素进行比较，若相同，则记为0，若不同则记为1，构建m个矩阵Matrix_bu(F^j)＝zeros(s₁-1,s₂)，矩阵Matrix_bu(F^j)比实测二维强度图像矩阵F^j少一行。

其中，结合上述参考库矩阵获得相邻像素点之间的相位比率包括：

依次提取Matrix_au(F¹)＝zeros(s₁,s₂-1)～Matrix_au(F^j)＝zeros(s₁,s₂-1)中处于相同位置的像素点的值，并将该值依次记录。查询参考库矩阵R的每一列，上述依次记录的值只可能和参考库矩阵R中的某一列完全相符，记录该列所在的列数。

返回到物体参考取值矩阵中查找与该列数相同的行所对应的q_j值，该q_j值即代表在待测物体的实际图像中，这一位置的像素点和与其处于同一行、前一列的像素点之间的相位比率。

同样地，依次提取Matrix_bu(F¹)＝zeros(s₁,s₂-1)～Matrix_bu(F^j)＝zeros(s₁,s₂-1)中处于相同位置的像素点的值(0或1)，并将该值依次记录。查询参考库矩阵R的每一列，上述依次记录的值只可能和参考库矩阵R中的某一列完全相符，记录该列所在的列数。

返回到物体参考取值矩阵中查找与该列数相同的行所对应的q_j值，该q_j值即代表在待测物体的实际图像中，这一位置的像素点和与其处于同一列、前一行的像素点之间的相位比率。

其中，根据预设的基准像素点计算待测物体的每一个像素点和基准像素点之间的累乘比率，构建出整个待测物体的相位成像包括：

根据已获得待测物体的实际图像中每一个像素点和相邻像素点之间的相位比率，计算得到的每一个像素点和预设的基准像素点之间的累乘比率，进而完全构建出待测物体的实际三维图像。

在本发明的一些实施方式中，根据所述阵列探测器记录的对应于每个相位掩膜下的待测物体的二维强度图像矩阵，判别出每一幅二维强度图像矩阵中相邻像素点之间的暗条纹包括：

若在m个矩阵Matrix_au(F^j)＝zeros(s₁,s₂-1)中处于相同位置的像素的值为1的次数不等于m-1次则记录下该像素点的位置；

若在m个矩阵Matrix_bu(F^j)＝zeros(s₁-1,s₂)中处于相同位置的像素的值为1的次数不等于m-1次则记录下该像素点的位置。

根据预设的基准像素点计算待测物体的每一个像素点和基准像素点之间的累乘比率，构建出整个待测物体的相位成像包括：

根据已获得待测物体的每一个像素点和相邻像素点之间的相位比率以及上述被记录下的位置，重新规划出计算该像素点和基准像素点的累乘比率的路经，进而完全构建出待测物体的实际三维图像，该路经绕过上述记录位置。

在本发明的一些实施方式中，根据预设的基准像素点计算待测物体的每一个像素点和基准像素点之间的累乘比率，构建出整个待测物体的相位成像包括：

根据已获得待测物体的每一个像素点和相邻像素点之间的相位比率，规划出不同的路径，计算得到多个每一个像素点和预设的基准像素点之间的累乘比率，并且将该累乘比率进行平均计算，进而根据平均计算后的累乘比率完全构建出待测物体的实际三维图像。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制性的。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，但本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备，其特征在于，包括：

光源装置，配置为向待测物体发射偏振激光；

扩束准直元件，配置为对所述偏振激光扩束，使得束斑大小与待测物体的大小以及空间光调制器的调制区域的大小适配；

空间光调制器，配置为通过加载预设的多个相位掩膜对穿透待测物体的偏振激光进行相位调制以形成出射光；

布置在所述出射光方向上的透镜元件；

阵列探测器，布置在所述透镜元件像平面上，用于记录对应于每个相位掩膜的待测物体的二维强度图像矩阵；

图像生成装置，配置为根据所述空间光调制器加载的多个相位掩膜和待测物体的相位取值构建参考库矩阵，根据所述阵列探测器记录的对应于每个相位掩膜下的待测物体的二维强度图像矩阵，判别出每一幅二维强度图像矩阵中相邻像素点之间的暗条纹，再结合所述参考库矩阵获得相邻像素点之间的相位比率，根据预设的基准像素点和规划路径生成每一个像素点和所述基准像素点之间累乘比率，进而构建出整个待测物体的相位成像；

所述相位掩膜符合条件其中，等比为物体相邻像素点间的相位比率，M表示掩模，上标j表示第j个掩模，j＝1,2,3,...,m，m表示掩模总个数，下标c和d表示第j个掩模M中某一个像素点的横坐标和纵坐标。

2.根据权利要求1所述的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备，其特征在于：

所述空间空间光调制器选用透射式，所述透镜元件和所述阵列探测器布置在所述透射光线的路径上；

所述光源装置、扩束准直元件、所述空间光调制器、所述透镜元件以及所述阵列探测器在同一主光轴上。

3.根据权利要求1所述的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备，其特征在于，所述光源装置选用随机激光器和偏振元件，还包括：

用于布置在所述待测物体和所述透镜元件之间的非偏振分束器，所述空间光调制器、所述非偏振分束器、所述透镜元件、所述阵列探测器同轴地布置在第一轴向上，所述光源装置和所述扩束准直元件同轴地布置第二轴向上，所述第一轴向和所述第二轴向相互垂直；

所述光源发射偏振激光能够经由所述扩束准直元件扩束后直接照射在所述非偏振分束器上，再经由所述非偏振分束器反射向所述空间光调制器。

4.根据权利要求1所述的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备，其特征在于，所述光源装置选用随机激光器，还包括：

用于布置在所述待测物体和所述透镜元件之间的偏振分束器；

用于布置在所述待测物体和所述偏振分束器之间的半波片；

所述空间光调制器、所述半波片、所述偏振分束器、所述透镜元件、所述阵列探测器同轴地布置在第一轴向上，所述光源装置和所述扩束准直元件同轴地布置第二轴向上，所述第一轴向和所述第二轴向相互垂直；

所述光源发射的激光能够经由所述扩束准直元件扩束后直接照射在所述偏振分束器上，再经由所述偏振分束器反射向所述半波片。

5.根据权利要求1所述的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备，其特征在于：

所述光源装置包括随机激光器和偏振元件或直接选用偏振激光器。

6.根据权利要求1所述的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备，其特征在于：

所述偏振激光为伽马射线、X射线、紫外光、可见光、红外光。

7.根据权利要求1所述的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备，其特征在于：

所述空间光调制器选自基于液晶的空间光调制器、液晶光阀、掩模切换板中的任一种。

8.根据权利要求1所述的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备，其特征在于：

所述阵列探测器选用弱光阵列探测器时，还包括：布置于所述空间光调制器和所述阵列探测器之间的光衰减元件。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备，其中，所述空间光调制器配置为通过加载预设的多个相位掩膜对穿透待测物体的偏振激光进行相位调制以形成出射光包括：

当三维待测物体的像素为s₁×s₂，且s₁＝s₂时，设定相对相位取值q_j的个数为m，q_j的取值为满足q_j＝e^iθ的任意实数或者虚数，其中θ为相位角，e为自然底数；

根据相对相位取值q_j的个数和取值构建m个1×s₁矩阵，处于该矩阵第一列的像素点设定为基准像素点r，相邻像素点间的等比为其中j为自然数，*为复共轭符号，即：

$\begin{array}{c}{f}_1=\left[\begin{array}{ccccc}r& {\mathrm{rq}}_1^{*}& {\mathrm{rq}}_1^{*2}& \mathrm{...}& {\mathrm{rq}}_1^{*s_1-1}\end{array}\right]\\ f_2=\left[\begin{array}{ccccc}r& {\mathrm{rq}}_2^{*}& {\mathrm{rq}}_2^{*2}& \mathrm{...}& {\mathrm{rq}}_2^{*s_1-1}\end{array}\right]\end{array}$

$\begin{array}{c}{f}_3=\left[\begin{array}{ccccc}r& {\mathrm{rq}}_3^{*}& {\mathrm{rq}}_3^{*2}& \mathrm{...}& {\mathrm{rq}}_3^{*s_1-1}\end{array}\right]\\ .\\ .\\ \mathrm{..}\\ f_j=\left[\begin{array}{ccccc}r& {\mathrm{rq}}_j^{*}& {\mathrm{rq}}_j^{*2}& \mathrm{...}& {\mathrm{rq}}_j^{*s_1-1}\end{array}\right]\\ .\\ .\\ .\\ f_m=\left[\begin{array}{ccccc}r& {\mathrm{rq}}_m^{*}& {\mathrm{rq}}_m^{*2}& \mathrm{...}& {\mathrm{rq}}_m^{*s_1-1}\end{array}\right]\end{array}$

构建m个像素为s₁×s₁相位掩膜其中T为转置符号。

10.根据权利要求1～8中任一项所述的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备，其中，根据所述空间光调制器加载的多个相位掩膜和待测物体的相对相位取值构建参考库矩阵包括：

为待测物体建立m×1的物体参考取值矩阵

将r_obj矩阵拓展为m×m的矩阵

为相位掩模设置一个1×m相位掩膜参考比率矩阵其中*为复共轭符号；

将矩阵r_pattern拓展为m×m的矩阵

将上述矩阵R_obj和矩阵R_pattern点乘(对应元素相乘)，得到点乘积矩阵B：

$B={\left[\begin{array}{ccccc}{q}_1{q}_1^{*}& q_1{q}_2^{*}& q_1{q}_3^{*}& \mathrm{...}& q_1{q}_m^{*}\\ q_2{q}_1^{*}& q_2{q}_2^{*}& q_2{q}_3^{*}& \mathrm{...}& q_2{q}_m^{*}\\ q_3{q}_1^{*}& q_3{q}_2^{*}& q_3{q}_3^{*}& \mathrm{...}& q_3{q}_m^{*}\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ q_m{q}_1^{*}& q_m{q}_2^{*}& q_m{q}_3^{*}& \mathrm{...}& q_m{q}_m^{*}\end{array}\right]}_{m\×m};$

当点乘积矩阵B中的元素为1时，则该位置以0替换，当点乘积矩阵B中的元素不为1时，则该位置保持不变仍然记为1，由此获得由0和1组成大小为m×m的参考库矩阵R。