CN110187627B - 一种复振幅传感成像装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复振幅传感成像装置和方法。所述装置包括：无镜头数码相机、采样板、连接壳和处理器；无镜头数码相机包括图像传感器；采样板与图像传感器平行设置；无镜头数码相机和采样板通过连接壳连接；在采样板上设有与图像传感器大小、形状均相同的采光区；采光区上设有多个采光孔；采光区的中心位置与图像传感器的中心位置位于同一水平直线上。当光透过物体后，照射到采样板上，光透过采光孔后，再衍射传播到图像传感器上，图像传感器获取这一光波的光强分布图，然后处理器采用本发明公开的成像方法计算得到物体的复振幅分布图，实现物体的全息成像。本发明提供的复振幅传感成像装置和方法在无参考光的情况下，提高物体成像的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及全息成像技术领域，特别是涉及一种复振幅传感成像装置和方法。
背景技术
由于光波的频率很高，现有的光电探测器(含图像传感器)只能测出光的强度信息，不能测出光的相位信息，所以现有的图像传感器只能得到光波的强度分布信息。目前，要得到光波的相位分布信息，通常需要引入一束参考光，这就是数字全息技术。数字全息技术进行波前检测或全息成像包含两步：第一步是利用数字图像传感器(如CCD或CMOS器件)记录物光与参考光相互干涉形成的全息图。第二步是将全息图输入计算机，通过程序模拟光的衍射传播过程得到物体的再现像。数字全息技术可同时得到物光的强度信息和相位信息。但由于需要参考光，其光路比较复杂，且容易因参考光的扰动产生误差，并不能准确得到物体的全息图像，使得在实际应用中受到较大的限制。
例如，在文献[1]Horisaki R,Ogura Y,Aino M,et al.Single-shot phaseimaging with a coded aperture[J].OptLett.2014,39(22):6466-9中，取样板的透射函数是已知的二值函数，其透光部分的位置是随机分布的，物光波照射取样板后，其透射部分的光经过衍射传播到达图像传感器表面。成像时，图像传感器记录下衍射光强。然后，利用相位恢复算法由图像传感器记录的衍射光强重建出取样板上透光部分的复振幅。最后，利用压缩感知算法由取样板上透光部分的复振幅重建出物体平面内的复振幅，即实现对物体的全息成像。在这一方法种由于采用了压缩传感技术，只适合用于对稀疏物体的成像，当物体的相位连续分布且相位起伏量大于2π时，并不能得到准确的成像结果。
在文献[2]Cheng ZJ,Wang BY,Xie YY,et al.Phase retrieval anddiffractive imaging based on Babinet's principle and complementary randomsampling[J].Opt Express.2015,23(22):28874-82中，利用空间光调制器作为取样板，其透光部分的位置可能通过电脑控制。成像时，将空间光调制器上所有的像素随机分成四部分。电脑控制空间光调制器中的随机分布的四分之一部分像素可以透光，其余像素不透光，图像传感器记录下一幅衍射光强，利用相位恢复算法由图像传感器记录的衍射光强重建出取样板上透光像素的复振幅。然后，使空间光调制器的另外四分之一部分像素透光，图像传感器记录下第二幅衍射光强，利用相位恢复算法由图像传感器记录的第二幅衍射光强重建出取样板上第二部分透光像素的复振幅。然后，使空间光调制器的另外四分之一部分像素透光，图像传感器记录下第三幅衍射光强，利用相位恢复算法由图像传感器记录的第三幅衍射光强重建出取样板上第三部分透光像素的复振幅。然后，使空间光调制器的剩下四分之一部分像素透光，图像传感器记录下第四幅衍射光强，利用相位恢复算法由图像传感器记录的第四幅衍射光强重建出取样板上第四部分透光像素的复振幅。因此，从记录的四幅衍射光强可重建出取样板(空间光调制器)内所有像素点的复振幅，再反向传播到物体平面内，即可得到物体平面内的复振幅，实现对物体的全息成像。但是，这种方法利用空间光调制器作为取样板，仪器成本昂贵，且需要进行多次记录，无法实现对动态物体的准确成像。
而文献[3]Wang BY,Han L,Yang Y,et al.Wavefront sensing based on aspatial light modulator and incremental binary random sampling[J].OptLett.2017,42(3):603-6中公开的成像方法与文献[2]中公开的方法类似，只是电脑控制空间光调制器透光的像素逐渐增加。成像时，第一次记录衍射光强时，空间光调制器约有四分之一透光像素；第二次记录衍射光强时，空间光调制器约有四分之二透光像素；第三次记录衍射光强时，空间光调制器约有四分之三透光像素；第四次记录衍射光强时，空间光调制器所有像素全部透光。图像重建时，先利用相位恢复算法由第一幅衍射光强重建第一次透光部分像素的复振幅；然后，利用相位恢复算法由第二次记录的衍射光强和第一次透光部分像素的复振幅重建出第二次透光的四分之二透光部分像素的复振幅；然后，利用相位恢复算法由第三次记录的衍射光强和第二次透光部分像素的复振幅重建出第三次透光的四分之三透光部分像素的复振幅；最后，由第四次记录的衍射光强和第三次透光部分像素的复振幅重建出空间光调制全部像素的复振幅，再反向传播至物体平面，即可得到物体平面内的复振幅，实现对物体的全息成像。因在这一方法中，需要利用空间光调制器作为取样板，仪器成本昂贵，且需要进行多次记录，也无法实现对动态物体的准确成像。
发明内容
本发明的目的是提供一种复振幅传感成像装置和方法，能够在没有参考光的情况下，提高物体成像的准确性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种复振幅传感成像装置，包括：无镜头数码相机、采样板、连接壳和处理器；
所述无镜头数码相机包括图像传感器；所述采样板与所述图像传感器平行设置；所述无镜头数码相机和所述采样板通过所述连接壳进行连接；
在所述采样板上设有与所述图像传感器大小、形状均相同的采光区；所述采光区上开设有多个采光孔；
所述采光区的中心位置与所述图像传感器的中心位置位于同一水平直线上；
所述图像传感器用于获取透过所述采光区的衍射光的光强分布图；
所述处理器用于将所述图像传感器获取的光强分布图转化为图像传感器平面内的复振幅分布图，并用于对所述图像传感器平面内的复振幅分布图进行校正；所述处理器还用于将校正后的所述图像传感器平面内的复振幅分布图转化为样品物体的复振幅分布图。
可选的，所述采光孔的大小与所述图像传感器上像素的大小相同；
所述采光孔的形状与所述图像传感器上像素的形状相同。
可选的，所述各采光孔间的距离与所述图像传感器的像素的大小相等。
可选的，所述连接壳为由不透光材料制成的圆柱筒。
一种复振幅传感成像方法，包括：
步骤A、采用所述复振幅传感成像装置获取样品物体的衍射光的光强分布图；
步骤B、将所述光强分布图生成图像传感器平面内的第一复振幅分布图；
步骤C、将所述图像传感器平面内的第一复振幅分布图转化为采光区平面内的第一复振幅分布图；
步骤D、将所述采光区平面内的第一复振幅分布图中对应于采光区的不透光部分的复振幅值设为0，得到采光区平面内的第二复振幅分布图；
步骤E、将所述采光区平面内的第二复振幅分布图转化为图像传感器平面内的第二复振幅分布图；
步骤F、判断第n次计算得到的所述图像传感器平面内的第二复振幅分布图与第n-1次计算得到的所述图像传感器平面内的第二复振幅分布图的差值是否小于设定值；其中，n为大于等于2的整数；
步骤G、若所述差值大于等于所述设定值，则提取所述图像传感器平面内的第二复振幅分布图的相位分布；根据所述相位分布将所述图像传感器平面内的第二复振幅分布图转化为图像传感器平面内的第三复振幅分布图，并将所述步骤C中的所述图像传感器平面内的第一复振幅分布图替换为所述图像传感器平面内的第三复振幅分布图后，重复上述步骤C-F；
步骤H、若所述差值小于所述设定值，则提取所述图像传感器平面内的第二复振幅分布图的相位分布；根据所述相位分布将所述图像传感器平面内的第二复振幅分布图转化为图像传感器平面内的第三复振幅分布图；
步骤I、将所述图像传感器平面内的第三复振幅分布图转化为采光区平面内的第三复振幅分布图；
步骤J、对所述采光区平面内的第三复振幅分布图中复振幅值为0的部分进行填充，得到采光区平面内的第四复振幅分布图；所述采光区平面内的第四复振幅分布图即为采光区平面内的复振幅分布图；
步骤K、将所述采光区平面内的复振幅分布图转化为所述样品物体的复振幅分布图。
可选的，所述根据所述相位分布将所述图像传感器平面内的第二复振幅分布图转化为图像传感器平面内的第三复振幅分布图，包括：通过公式
计算得到所述图像传感器平面内的第三复振幅分布图；其中，exp为以自然常数e为底的指数函数，I为光强分布图，j为虚数符号，φ(n)为第n次所提取的相位分布，n表示迭代次数且为大于等于2的整数。
可选的，采用角谱传播法进行图像传感器平面内的复振幅分布图与采光区平面内的复振幅分布图间的相互转化。
可选的，所述对所述采光区平面内的第三复振幅分布图中复振幅值为0的部分进行填充，包括：采用所述采光区平面内的第三复振幅分布图中各采光孔对应的复振幅值对所述采光区平面内的第三复振幅分布图中复振幅值为0的不透光部分进行插值填充。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：在本发明提供的复振幅传感成像装置中，在所述采样板上设置有大小和形状均与图像传感器相同的采光区，且在采光区上还开设有多个采光孔，使得照射在物体上的光透过采样板后能够衍射传播到图像传感器上，图像传感器获取得到这一光波的光强分布图。处理器基于本发明公开的成像方法，计算得到物体的复振幅分布图，实现物体的全息成像。并且，在整个成像方法过程中，是通过模拟光波复振幅在采样板平面与图像传感器平面之间的反复传播的迭代运算对图像传感器平面内的复振幅分布图进行校正的方式，来进一步提高物体成像的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例复振幅传感成像装置的结构示意图；
图2为本发明实施例复振幅传感成像装置中采样板的结构示意图；
图3为本发明实施例复振幅传感成像装置的工作原理图；
图4为本发明实施例复振幅传感成像方法的工作流程图。
附图标记：1-无镜头数码相机，11-图像传感器，2-采样板，21-采光区，211-采光孔，3-连接壳。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种复振幅传感成像装置和方法，能够在没有参考光的情况下，提高物体成像的准确性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例复振幅传感成像装置的结构示意图，如图1所示，一种复振幅传感成像装置，包括：无镜头数码相机1、采样板2、连接壳3和处理器；
所述无镜头数码相机1包括图像传感器11；所述采样板2与所述图像传感器11平行设置；所述无镜头数码相机1和所述采样板2通过所述连接壳3进行连接；
在所述采样板2上设有与所述图像传感器11大小、形状均相同的采光区21；所述采光区21上开设有多个采光孔211；
以正方形像素排列方式为例，如图2所示，所述采光孔211的大小、形状与所述图像传感器11上像素的大小、形状均相同。并且，所述各采光孔211间的距离与所述图像传感器11的像素的大小相等。且若图像传感器11的像素个数为M×N，则采光区上采光孔211的个数为
若图像传感器11的像素的大小为Δ，则采光孔211就为边长为Δ的正方形采光孔。
为了进一步提高成像的准确性，将采光孔211在采光区21的排布方式设置为与图像传感器11中像素的排布方式完全一致，且每个一个像素就在采光区21内对应设置一个采光孔211。
所述采光区21的中心位置与所述图像传感器11的中心位置位于同一水平直线上，这就能够使采光区21垂直投影到图像传感器11上，且使所述投影刚好与图像传感器11重合。
如图3所示，成像时，平行光透过物体后，照射到采样板2上，其中部分光透过采光孔211，再衍射传播到图像传感器11上面，图像传感器11记录下衍射光强分布图(I)，再由处理器将所述图像传感器11获取的光强分布图(I)转化为图像传感器平面内的复振幅分布图，并对所述图像传感器11平面内的复振幅分布图进行校正，最后将校正后的所述图像传感器11平面内的复振幅分布图转化为样品物体的复振幅分布图。
其中，所述连接壳3为由不透光材料制成的圆柱筒。使得连接壳3能够遮挡周围的光线。
此外，本发明公开的复振幅传感成像方法与传统相位恢复算法相似，通过模拟光波复振幅在采样板平面与图像传感器平面之间的反复传播实现迭代运算，利用采样板的透过分布特性作为采样板平面内的约束条件，逐渐恢复出采光孔的复振幅。图4为本发明实施例复振幅传感成像方法的工作流程图，如图4所示，所述方法包括：
步骤A、采用所述复振幅传感成像装置获取样品物体的衍射光的光强分布图；
步骤B、将所述光强分布图生成图像传感器11平面内的第一复振幅分布图；所述第一复振幅分布图为
其中j表示虚数符号，φ的初始值设为0或0到π之间的随机值。
步骤C、采用角谱传播法将所述图像传感器11平面内的第一复振幅分布图Or(1)转化为采光区21平面内的第一复振幅分布图Os(n)；
步骤D、采用角谱传播法将所述采光区21平面内的第一复振幅分布图Os(n)中对应于采光区的不透光部分的复振幅值设为0，得到采光区21平面内的第二复振幅分布图O′s(n)；
步骤E、采用角谱传播法将所述采光区21平面内的第二复振幅分布图O′s(n)转化为图像传感器11平面内的第二复振幅分布图O′r(n)；
步骤F、判断第n次计算得到的所述图像传感器11平面内的第二复振幅分布图O′r(n)与第n-1次计算得到的所述图像传感器11平面内的第二复振幅分布图o′r(n-1)的差值是否小于设定值；所述设定值时根据实际需要人为设定的阈值。其中，n为大于等于2的整数；
步骤G、若所述差值大于等于所述设定值，则提取所述图像传感器11平面内的第二复振幅分布图O′r(n)的相位分布；根据所述相位分布，并采用角谱传播法将所述图像传感器11平面内的第二复振幅分布图O′r(n)转化为图像传感器11平面内的第三复振幅分布图；所述图像传感器11平面内的第三复振幅分布图为
并将所述步骤C中的所述图像传感器11平面内的第一复振幅分布图Or(1)替换为所述图像传感器11平面内的第三复振幅分布图Or(n)后，重复上述步骤C-F；
步骤H、若所述差值小于所述设定值，则提取所述图像传感器11平面内的第二复振幅分布图O′r(n)的相位分布；根据所述相位分布，并采用角谱传播法将所述图像传感器11平面内的第二复振幅分布图O′r(n)转化为图像传感器11平面内的第三复振幅分布图；所述图像传感器11平面内的第三复振幅分布图为
其中，exp为以自然常数e为底的指数函数，I为光强分布图，j为虚数符号，φ(n)为第n次所提取的相位分布，n表示迭代次数且为大于等于2的整数。
步骤I、采用角谱传播法将所述图像传感器11平面内的第三复振幅分布图Or(n)转化为采光区21平面内的第三复振幅分布图O″s(n)；
步骤J、对所述采光区21平面内的第三复振幅分布图O″s(n)中复振幅值为0的部分进行填充，得到采光区21平面内的第四复振幅分布图O″′s(n)；所述采光区21平面内的第四复振幅分布图O″′s(n)即为采光区21平面内的复振幅分布图Oo；其中，在对采光区21平面内的第三复振幅分布图O″s(n)中复振幅值为0的部分进行填采用的是插值法。在填充的过程中，是根据所述采光区21平面内的第三复振幅分布图O″s(n)中各采光孔211对应的复振幅值对所述采光区21平面内的第三复振幅分布图中复振幅值为0的不透光部分进行插值填充，例如通过对与某不透光部分相邻的两个采光孔的复振幅值求取平均值后，作为该不透光部分的复振幅值进行填充。
步骤K、采用角谱传播法将所述采光区21平面内的复振幅分布图Oo转化为所述样品物体的复振幅分布图。
在本发明提供的复振幅传感成像装置中，在所述采样板上设置有大小和形状均与图像传感器相同的采光区，且在采光区上还开设有多个采光孔，使得照射在物体上的光透过采样板后能够衍射传播到图像传感器上，图像传感器获取得到这一光波的光强分布图。处理器基于本发明公开的成像方法，计算得到物体的复振幅分布图，实现物体的全息成像。并且，在整个成像方法过程中，是通过模拟光波复振幅在采样板平面与图像传感器平面之间的反复传播的迭代运算对图像传感器平面内的复振幅分布图进行校正的方式，来进一步提高物体成像的准确性。
并且，本发明还具有以下技术效果：
1、基于已有的相位恢复算法，采用采样板的透过分布特性作为采样板平面内的约束条件，通过迭代运算逐渐恢复出每个采光孔上光波的复振幅分布图，再通过插值方法补齐采样板不透光部分的复振幅值，得到采样板平面内完整的光波复振幅分布图，可以在无需参考光、单次曝光的情况下，实现对复杂形状或相位起伏大于2π的待测物体的全息成像。
2、本发明所公开的装置中的相邻采光孔的中心距离等于图像传感器像素大小的2倍，即采样间隔等于图像传感器像素大小的2倍。因此，成像系统的理论最小可分辨距等于图像传感器像素大小的2倍。
3、本发明所提供的复振幅传感成像装置和方法还可通过计算采光区平面内的复振幅分布图Oo的相位，准确检测光波的波前信息。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种复振幅传感成像装置，其特征在于，包括：无镜头数码相机、采样板、连接壳和处理器；
所述无镜头数码相机包括图像传感器；所述采样板与所述图像传感器平行设置；所述无镜头数码相机和所述采样板通过所述连接壳进行连接；
在所述采样板上设有与所述图像传感器大小、形状均相同的采光区；所述采光区上开设有多个采光孔；
所述采光孔的大小与所述图像传感器上像素的大小相同；所述采光孔的形状与所述图像传感器上像素的形状相同；
所述采光区的中心位置与所述图像传感器的中心位置位于同一水平直线上；
所述图像传感器用于获取透过所述采光区的衍射光的光强分布图；
所述处理器用于将所述图像传感器获取的光强分布图转化为图像传感器平面内的复振幅分布图，并用于对所述图像传感器平面内的复振幅分布图进行校正；所述处理器还用于将校正后的所述图像传感器平面内的复振幅分布图转化为样品物体的复振幅分布图。
2.根据权利要求1所述的一种复振幅传感成像装置，其特征在于，所述各采光孔间的距离与所述图像传感器的像素的大小相等。
3.根据权利要求1所述的一种复振幅传感成像装置，其特征在于，所述连接壳为由不透光材料制成的圆柱筒。
4.一种复振幅传感成像方法，其特征在于，应用于如权利要求1-3任意一项所述的复振幅传感成像装置；所述方法包括：
步骤A、采用所述复振幅传感成像装置获取样品物体的衍射光的光强分布图；
步骤B、将所述光强分布图生成图像传感器平面内的第一复振幅分布图；
步骤C、将所述图像传感器平面内的第一复振幅分布图转化为采光区平面内的第一复振幅分布图；
步骤D、将所述采光区平面内的第一复振幅分布图中对应于采光区的不透光部分的复振幅值设为0，得到采光区平面内的第二复振幅分布图；
步骤E、将所述采光区平面内的第二复振幅分布图转化为图像传感器平面内的第二复振幅分布图；
步骤F、判断第n次计算得到的所述图像传感器平面内的第二复振幅分布图与第n-1次计算得到的所述图像传感器平面内的第二复振幅分布图的差值是否小于设定值；其中，n为大于等于2的整数；
步骤G、若所述差值大于等于所述设定值，则提取所述图像传感器平面内的第二复振幅分布图的相位分布；根据所述相位分布将所述图像传感器平面内的第二复振幅分布图转化为图像传感器平面内的第三复振幅分布图，并将所述步骤C中的所述图像传感器平面内的第一复振幅分布图替换为所述图像传感器平面内的第三复振幅分布图后，重复上述步骤C-F；
步骤H、若所述差值小于所述设定值，则提取所述图像传感器平面内的第二复振幅分布图的相位分布；根据所述相位分布将所述图像传感器平面内的第二复振幅分布图转化为图像传感器平面内的第三复振幅分布图；
步骤I、将所述图像传感器平面内的第三复振幅分布图转化为采光区平面内的第三复振幅分布图；
步骤J、对所述采光区平面内的第三复振幅分布图中复振幅值为0的部分进行填充，得到采光区平面内的第四复振幅分布图；所述采光区平面内的第四复振幅分布图即为采光区平面内的复振幅分布图；
步骤K、将所述采光区平面内的复振幅分布图转化为所述样品物体的复振幅分布图。
5.根据权利要求4所述的一种复振幅传感成像方法，其特征在于，所述根据所述相位分布将所述图像传感器平面内的第二复振幅分布图转化为图像传感器平面内的第三复振幅分布图，包括：通过公式
计算得到所述图像传感器平面内的第三复振幅分布图；其中，exp为以自然常数e为底的指数函数，I为光强分布图，j为虚数符号，φ(n)为第n次所提取的相位分布，n表示迭代次数且为大于等于2的整数。
6.根据权利要求4所述的一种复振幅传感成像方法，其特征在于，采用角谱传播法进行图像传感器平面内的复振幅分布图与采光区平面内的复振幅分布图间的相互转化。
7.根据权利要求4所述的一种复振幅传感成像方法，其特征在于，所述对所述采光区平面内的第三复振幅分布图中复振幅值为0的部分进行填充，包括：采用所述采光区平面内的第三复振幅分布图中各采光孔对应的复振幅值对所述采光区平面内的第三复振幅分布图中复振幅值为0的不透光部分进行插值填充。
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