CN108007581A - 一种自然光照明下的便携式相位相机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自然光照明下的便携式相位相机系统，包括消色差透镜、可调滤波器、双透镜系统、CCD和相机处理器，所述可调滤波器设置在消色差透镜的出射光路上，所述双透镜系统设置在可调滤波器的出射光路上，所述CCD设置在双透镜系统的出射光路上，所述相机处理器的信号输入端与CCD的信号输出端连接。本发明避免了传统相位恢复中采集强度图像所引入的机械移动，提高了数据采集速度；同时，可调滤波器的引入，使得本发明可以在少量数据采集的情况下，获得与传统相机同样的采集效果，整个系统能够满足自然场景中实时、快捷、高精度相位采集的需求。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量与三维成像技术领域，具体是一种自然光照明下的便携式相位相机系统。
背景技术
光场包含三个重要的参数：振幅、波长和相位。其中75％以上的信息隐藏在相位中。但是光的振动频率达到1015Hz，现有的测量设备如相机系统无法直接获得相位。
基于强度传输方程(Transport of Intensity Equation，TIE)的相位恢复方法仅需要测量待测光波在不同传输距离上的光强分布即可通过求解该方程恢复相位信息。方程形式如下：
其中光波沿着z方向传播，λ代表光波长，I和分别表示z0位置的强度和相位。该方程中，强度的偏导数很难计算，通常需要采集多幅强度图像近似获得。例如，可以使用z0+Δz和z0-Δz位置的强度信息按照如下差分计算公式得到：
基于TIE的相位恢复技术与传统的干涉法相比，无需复杂的光学系统，对于实验环境没有苛刻的要求，而且不需要借助额外的参考光。但是，该方法仍然存在以下两个问题：
(1)方程求解时需要采集多幅强度图像，因此，通常的处理方法是利用单个CCD(或多个CCD)与精密导轨的配合进行上述强度图像的采集。但是，系统每次只能捕捉一幅强度图像，需要通过移动待测物体或者相机来实现多幅强度图像的采集要求，这不可避免地降低了数据采集的速度，同时，强度图像采集中所引入的机械移动也降低了参数测量的精度。例如中国专利CN102281394B提供的便携式采集读数摄像机，该摄像机的原理类似于单个CCD与精密导轨配合的系统，仍然需要通过机械移动获得不同距离的图像。
(2)实验操作需要高相干性的激光作为光源。然而在自然场景或者普通成像环境中，所使用的光源是非相干光或者部分相干光，不能直接用TIE方法求解相位。针对该问题有研究者提出利用白光和拜尔(Bayer)彩色相机，在固定位置处获取一幅彩色图像，由彩色相机内部的滤光片和处理器将彩色图像分解成RGB通道的单色图像。但是该技术需要特定的彩色相机并且会降低恢复相位的分辨率。另外，该光学实验系统对稳定性要求很高，搭建的平台较为复杂，易受环境的影响，无法进行户外拍摄。
发明内容
本发明的目的在于基于强度传输方程和光的色散原理，提供一种自然光照明下的便携式相位相机系统，在降低数据采集量的前提下实时采集强度图像，并且利用相机处理器实时输出相位。
本发明的技术方案为：
一种自然光照明下的便携式相位相机系统，该系统包括消色差透镜、可调滤波器、双透镜系统、CCD和相机处理器，所述双透镜系统由第一傅里叶变换透镜和第二傅里叶变换透镜构成；所述消色差透镜、第一傅里叶变换透镜和第二傅里叶变换透镜共轴，所述消色差透镜在设定真空波长下的后焦点与第一傅里叶变换透镜在设定真空波长下的前焦点重合，所述第一傅里叶变换透镜在设定真空波长下的后焦点与第二傅里叶变换透镜在设定真空波长下的前焦点重合；
所述消色差透镜用于校正自然光会聚引起的色差，所述可调滤波器设置于第一傅里叶变换透镜在设定真空波长下的前焦点处，用于依次从经过色差校正的自然光中分解出具有一定真空波长的红、绿、蓝三种单色光，且其中一种单色光的真空波长与所述设定真空波长相同，所述双透镜系统用于确定不同真空波长的单色光对应的散焦距离，所述CCD设置于第二傅里叶变换透镜在设定真空波长下的后焦点处，用于依次采集红、绿、蓝三种单色光对应的三幅强度图像，其中一幅为聚焦图像，两幅为散焦图像，所述相机处理器的信号输入端与CCD的信号输出端连接，用于对CCD采集的强度图像进行处理得到相位。
所述的自然光照明下的便携式相位相机系统，该系统还包括RGB通道按钮，所述RGB通道按钮用于对可调滤波器分解的单色光进行切换。
所述的自然光照明下的便携式相位相机系统，所述不同真空波长的单色光对应的散焦距离满足以下条件：
其中，
f1(λ)＝f1(λ0)-Δz1(λ)
f2(λ)＝f2(λO)-Δz2(λ)
λ0表示设定真空波长，f1(λ0)、f2(λ0)分别表示第一傅里叶变换透镜、第二傅里叶变换透镜在设定真空波长λ0下的焦距，f1(λ0)、f2(λ0)分别表示第一傅里叶变换透镜、第二傅里叶变换透镜在真空波长λ下的焦距，n1(λ0)、n2(λ0)分别表示第一傅里叶变换透镜、第二傅里叶变换透镜在设定真空波长λ0下的折射率，n1(λ)、n2(λ)分别表示第一傅里叶变换透镜、第二傅里叶变换透镜在真空波长λ下的折射率，Δz1(λ)、Δz2(λ)分别表示真空波长为λ的单色光经过第一傅里叶变换透镜、第二傅里叶变换透镜后对应的散焦距离，Δf(λ)表示真空波长为λ的单色光经过双透镜系统后对应的散焦距离。
本发明的有益效果为：
由上述技术方案可知，本发明利用可调滤波器将自然光依次分解成具有一定真空波长的红、绿、蓝三种单色光，并利用不同真空波长的单色光经过双透镜系统后的聚焦位置不同，分别获取固定位置处不同真空波长单色光的聚焦或散焦图像，再利用相机处理器结合傅里叶变换理论实现自然场景中相位的实时输出。本发明避免了传统相位恢复中采集强度图像所引入的机械移动，提高了数据采集速度；同时，可调滤波器的引入，使得本发明可以在少量数据采集的情况下，获得与传统相机同样的采集效果，整个系统能够满足自然场景中实时、快捷、高精度相位采集的需求。
附图说明
图1是本发明的光路走向图；
图2是本发明的原理示意图；
图3是三种真空波长的单色光在不同位置聚焦示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
如图1所示，一种自然光照明下的便携式相位相机系统，包括消色差透镜1、可调滤波器2、双透镜系统3、CCD4和相机处理器5，其中，双透镜系统3由第一傅里叶变换透镜31和第二傅里叶变换透镜32构成。可调滤波器2设置在消色差透镜1的出射光路上，双透镜系统3设置在可调滤波器2的出射光路上，CCD4设置在双透镜系统3的出射光路上，相机处理器5的信号输入端与CCD4的信号输出端连接，用于处理CCD4获得的三幅强度图像从而计算出相位。消色差透镜1由两种光学性质不同的玻璃制成的凸、凹透镜粘合而成，用折射率较小而色散较大的冕玻璃制成凸透镜，用折射率较大而色散较小的火石玻璃制成凹透镜。
本发明将所有器件集成在如图2所示的装置中，消色差透镜1、第一傅里叶变换透镜31和第二傅里叶变换透镜32共轴，消色差透镜1在设定真空波长下的后焦点与第一傅里叶变换透镜31在设定真空波长下的前焦点重合，第一傅里叶变换透镜31在设定真空波长下的后焦点与第二傅里叶变换透镜32在设定真空波长下的前焦点重合。可调滤波器2设置于第一傅里叶变换透镜31在设定真空波长下的前焦点处，CCD4设置于第二傅里叶变换透镜32在设定真空波长下的后焦点处。双透镜系统3的输入平面与第一傅里叶变换透镜31在设定真空波长下的前焦面重合，双透镜系统3的输出平面与第二傅里叶变换透镜32在设定真空波长下的后焦面重合。按下RGB通道按钮6可以获得不同真空波长单色光对应的强度图像，按下相位输出按钮7可以实现相位的实时输出。
本发明的工作原理：
当在自然光下对物体进行相位恢复时，首先让自然光通过消色差透镜1，校正自然光会聚引起的色差。可调滤波器2依次从自然光中分解出具有一定真空波长的红、绿、蓝三种单色光(分时复用，按照事先设定的顺序每次分解出一种单色光)。考虑到色散现象，由于不同单色光在真空中具有不同的波长(本文提到的波长指的均是在真空中的波长)，经过双透镜系统3后会在不同的位置处聚焦，当其中一种单色光的真空波长与设定真空波长相同时，CCD4将依次在双透镜系统3在设定真空波长下的聚焦平面上记录到三幅强度图像，其中一幅为聚焦图像，另外两幅为散焦图像，且散焦距离不同，如图3所示。
因使用了不同真空波长的单色光，强度传输方程应写成：
其中，ξ＝λz，假如当分解出的绿光的真空波长与设定真空波长相同时，即绿光对应的强度图像为聚焦图像，而红光和蓝光对应的强度图像为散焦图像，强度微分可以写成：
其中，IR表示红光对应的强度图像，即红光经过双透镜系统3后在绿光的聚焦平面上获得的强度图像，IB表示蓝光对应的强度图像，即蓝光经过双透镜系统3后在绿光的聚焦平面上获得的强度图像，Δξ＝λRΔfR+λBΔfB，λR表示从自然光中分解出的红光的真空波长，λB表示从自然光中分解出的蓝光的真空波长，ΔfR表示红光对应的散焦距离，即红光经过双透镜系统3后的聚焦位置与绿光经过双透镜系统3后的聚焦位置之间的距离，ΔfB表示蓝光对应的散焦距离，即蓝光经过双透镜系统3后的聚焦位置与绿光经过双透镜系统3后的聚焦位置之间的距离。
由磨镜者定律，真空波长为λ的单色光经过单个薄透镜后对应的散焦距离Δz(λ)可以写成：
这里，λ0是设定真空波长，f(λ0)是该单个薄透镜在设定真空波长λ0下的焦距，n(λ0)和n(λ)是该单个薄透镜在设定真空波长λ0和真空波长λ下的折射率。
真空波长为λ的单色光经过双透镜系统3后对应的散焦距离(即真空波长为λ的单色光经过双透镜系统后的聚焦位置与真空波长为λ0的单色光经过双透镜系统后的聚焦位置之间的距离)Δf(λ)为：
这里，Δz1(λ)、Δz2(λ)分别表示真空波长为λ的单色光经过第一傅里叶变换透镜31、第二傅里叶变换透镜32后对应的散焦距离，即真空波长为λ的单色光经过第一傅里叶变换透镜31、第二傅里叶变换透镜32后的聚焦位置与真空波长为λ0的单色光经过第一傅里叶变换透镜31、第二傅里叶变换透镜32后的聚焦位置之间的距离，Δz1(λ)和Δz2(λ)可根据公式(5)计算得出，f1(λ)和f2(λ)按照f1(λ)＝f1(λ0)-Δz1(λ)、f2(λ)＝f2(λ0)-Δz2(λ)计算得出，其中，f1(λ)、f2(λ)分别表示第一傅里叶变换透镜31、第二傅里叶变换透镜32在真空波长λ下的焦距，f1(λ0)、f2(λ0)分别表示第一傅里叶变换透镜31、第二傅里叶变换透镜32在设定真空波长λ0下的焦距。
因此，可以通过事先测定双透镜系统3中第一傅里叶变换透镜31、第二傅里叶变换透镜32在设定真空波长λ0下的焦距f1(λ0)、f2(λ0)，来确定真空波长为λ的单色光经过双透镜系统3后对应的散焦距离Δf(λ)，实现相机在固定位置处获取聚焦图像和散焦图像的要求。
当按下RGB通道按钮6后，相机分别记录红、绿、蓝三幅强度图像IR(x，y)、IG(x，y)、IB(x，y)，其中IR(x，y)表示红光对应的过焦图像，IG(x，y)表示绿光对应的聚焦图像，IB(x，y)表示蓝光对应的欠焦图像。当按下相位输出按钮7后，相机处理器5利用傅里叶变换算法实现相位的实时输出：
其中，和分别表示傅里叶正变换和逆变换，kx和ky表示傅里叶域的空间频率，α为一个用于消除实验缺陷影响的可调参数，α要求尽量小。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作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内。
Claims (3)
1.一种自然光照明下的便携式相位相机系统，其特征在于：该系统包括消色差透镜、可调滤波器、双透镜系统、CCD和相机处理器，所述双透镜系统由第一傅里叶变换透镜和第二傅里叶变换透镜构成；所述消色差透镜、第一傅里叶变换透镜和第二傅里叶变换透镜共轴，所述消色差透镜在设定真空波长下的后焦点与第一傅里叶变换透镜在设定真空波长下的前焦点重合，所述第一傅里叶变换透镜在设定真空波长下的后焦点与第二傅里叶变换透镜在设定真空波长下的前焦点重合；
所述消色差透镜用于校正自然光会聚引起的色差，所述可调滤波器设置于第一傅里叶变换透镜在设定真空波长下的前焦点处，用于依次从经过色差校正的自然光中分解出具有一定真空波长的红、绿、蓝三种单色光，且其中一种单色光的真空波长与所述设定真空波长相同，所述双透镜系统用于确定不同真空波长的单色光对应的散焦距离，所述CCD设置于第二傅里叶变换透镜在设定真空波长下的后焦点处，用于依次采集红、绿、蓝三种单色光对应的三幅强度图像，其中一幅为聚焦图像，两幅为散焦图像，所述相机处理器的信号输入端与CCD的信号输出端连接，用于对CCD采集的强度图像进行处理得到相位。
2.根据权利要求1所述的自然光照明下的便携式相位相机系统，其特征在于：该系统还包括RGB通道按钮，所述RGB通道按钮用于对可调滤波器分解的单色光进行切换。
3.根据权利要求1所述的自然光照明下的便携式相位相机系统，其特征在于：所述不同真空波长的单色光对应的散焦距离满足以下条件：
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