CN110488397A - 复合透镜、可编码单帧成像装置及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合透镜、可编码单帧成像装置及成像方法，复合透镜包括平行光入射面、第一平面波出射面、第二平面波出射面和球面波出射面，其中，球面波出射面为透镜状；平行光入射面与球面波出射面相对，且平行光入射面的宽度大于球面波出射面的宽度；第一平面波出射面与第二平面波出射面相对；球面波出射面设置在第一平面波出射面与第二平面波出射面之间。该复合透镜可以将非相干的平行光调制为平面波和球面波，解决了空间光调制器的能量损耗、带宽限制、效率及填充因子约束、尺寸对视场的约束等问题，保留了菲涅耳关联全息的成像优点，提高了光路稳定性的同时对入射光束进行完全调制，实现了单帧、纯光学元件的菲涅耳关联全息成像。

Description

复合透镜、可编码单帧成像装置及成像方法

技术领域

本发明属于数字全息成像技术领域，具体涉及一种复合透镜、可编码单帧成像装置及成像方法。

背景技术

全息术是一种经典的三维成像技术，全息即“全部信息”的要义简述。1948年Gabor创立全息术，并在实验上首次获得人类历史上第一张全息图及再现像，全息术在不断变革和发展中已走过70多年历史，在信息光学领域有着非常重要的地位与作用，在科技、工业、农业、医药、艺术、文化传媒、商业等领域都获得了广泛的应用。传统全息术的记录与再现过程均需要相干光照明，不仅对环境要求极高且无法应用到白光领域(白光是非相干光)，产生的散斑噪声和寄生干涉也影响到成像质量，这些因素大大地限制了传统全息术的应用。

受点源全息图与菲涅耳波带片相似的启发，1961年美国科学家Mertz和Young提出了非相干全息成像概念，很好的解决了传统全息术存在的局限性，打破了传统光学全息成像技术对光源相干性的要求。非相干全息图的记录是基于空间光的自干涉特性，即空间任意两点发出的光束互不相干，但同一点发出的两束光可以相互干涉。利用空间光的自干涉特性，采用光学手段对携带目标信息的非相干光进行分束，从而在相机平面干涉记录非相干全息图。早期的分波方法主要分为三类：分振幅分波法、孔径分波法、衍射分波法，随着空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)的问世，衍射分波更加便捷。

目前，记录非相干全息图的方法主要为以下三种：

(1)1979年，美国爱荷华大学的T.C.Poon等先后次提出了利用点探测器扫描记录包含物体信息与菲涅耳波带片的非相干全息图的方法。2003年，Poon等人将扫描全息术与荧光显微成像相结合，首次实现了荧光全息图的记录，其横向分辨率可以达到1μm。但是，由于扫描过程伴随着二维机械运动，导致全息图的记录过程较慢。

(2)2007年，以色列本-古里安大学的J.Rosen等提出了菲涅耳非相干相关全息(Fresnel Incoherent Correlation Holography，FINCH)术，利用SLM进行衍射分光和相移，并在相机上记录非相干全息图，通过衍射传输的方法来重构物体的三维信息，实现了空间非相干照明物体的三维再现。但是，该方法在记录非相干全息图时需要通过SLM附加相移记录三帧全息图，然后合成得到携带物体三维信息的非相干全息图，其记录过程相对较慢。因此，2012年该课题组提出了一种单曝光的非相干全息技术，实现了非相干全息图的记录与再现，但是却牺牲了视场。

(3)2016年，以色列本-古里安大学的A.Vijayakumar等人提出了一种基于FINCH的新的非相干数字全息技术——编码孔径相关全息(Coded Aperture CorrelationHolography，COACH)，在SLM上加载伪随机的编码相位掩模对入射平面波进行调制与分波，利用点物记录点扩散全息图，然后使用物体替换针孔记录物体全息图，通过互相关对物体进行重构。之后，在此研究基础上，依次提出了无干涉的I-COACH和无透镜的LI-COACH，虽然COACH相对于FINCH的轴向分辨率明显提高，但其视场却受限于光束尺寸，此外，COACH记录非相干全息图时也伴随着相移步骤，因此其记录过程也相对较慢。

因此，研究一种既可以保留FINCH成像视场，又可以单帧记录非相干全息图，结构简单、稳定性高、成本低的非相干全息成像装置具有重要意义及应用前景。

现有的非相干全息成像装置主要有以下两种：基于合成孔径技术的单曝光非相干数字全息装置和基于双焦透镜的非相干数字全息装置。基于合成孔径技术的单曝光非相干数字全息装置是将SLM靶面分为三个区域，分别在每个区域加载双透镜模式和0、2π/3、4π/3的相移角度；在相机上记录相移全息图，然后按照相移分块提取出三幅子相移全息图，结合三步相移法合成全息图对物体进行重构。基于双焦透镜的非相干数字全息装置是通过在SLM上加载双焦透镜和衍射光栅来进行分光并产生离轴全息图，实现非相干点源的自干涉，通过滤波元件滤除零级噪声保留一阶衍射项，在相机上记录非相干全息图，通过单帧曝光实现非相干全息的记录与再现。

可见，现有的非相干全息成像装置在成像过程中均采用在SLM上加载相位模式以达到分光和调制的目的。然而目前的纯相位调制的SLM存在衍射效率和能量损失问题，且器件造价高、工作频带宽度受限、填充因子有限；另外，SLM靶面大小同时也限制了成像视场大小，不同视场相移的波面在感光芯片表面会产生串扰，进一步降低了成像的视场。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于菲涅耳非相干全息的可编码单帧成像装置及成像方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种复合透镜，包括平行光入射面、第一平面波出射面、第二平面波出射面和球面波出射面，其中，

球面波出射面为透镜状；

所述平行光入射面与所述球面波出射面相对，且所述平行光入射面的宽度大于所述球面波出射面的宽度；

所述第一平面波出射面与所述第二平面波出射面相对；

所述球面波出射面设置在所述第一平面波出射面与所述第二平面波出射面之间。

在本发明的一个实施例中，所述第一平面波出射面与所述第二平面波出射面的长度相等，且所述第一平面波出射面与所述平行光入射面相接，所述第二平面波出射面与所述平行光入射面相接。

在本发明的一个实施例中，所述第一平面波出射面与所述第二平面波出射面的长度相等，且所述第一平面波出射面相接在所述平行光入射面和所述球面波出射面之间，所述第二平面波出射面相接在所述平行光入射面和所述球面波出射面之间。

本发明的另一个实施例提供了一种基于菲涅耳非相干全息的可编码单帧成像装置，包括：

光源，用于向目标物发射非相干光，所述目标物接收所述非相干光并发射出射光；

准直透镜，设置在所述出射光的光路上，用于将所述出射光调整为平行光；

复合透镜，采用如上述实施例所述的复合透镜，设置在所述平行光的光路上，用于将所述平行光调制为第一平面波、第二平面波和球面波，其中，所述球面波的出射位置位于所述第一平面波的出射位置和所述第二平面波的出射位置之间，且所述第一平面波的传播方向和所述第二平面波的传播方向相对于所述平行光的传播方向发生倾斜；

光信号接收器，设置在所述第一平面波、所述第二平面波和所述球面波的光路上，用于接收所述第一平面波、所述第二平面波和所述球面波，并且记录所述第一平面波与所述球面波、所述第二平面波与所述球面波在所述光信号接收器的接收面发生干涉所产生的非相干全息图。

在本发明的一个实施例中，还包括：

分束镜，设置在所述非相干光的光路上，用于对所述非相干光进行分束并将其中一束非相干光发射至所述目标物上。

在本发明的一个实施例中，还包括：

带通滤波片，设置在所述出射光的光路上，用于对所述出射光进行过滤得到目标光束，并将所述目标光束发射至所述准直透镜。

在本发明的一个实施例中，所述复合透镜的高、折射率、球面波出射面宽度与所述光信号接收器的所述接收面的宽度满足如下条件：

其中，a为复合透镜的球面波出射面宽度，h为复合透镜的高，n为复合透镜的折射率，m为光信号接收器的接收面的宽度。

在本发明的一个实施例中，所述复合透镜的中心焦距与像距之间的关系为：

其中，x为像距，f为复合透镜(3)的中心焦距。

本发明的再一个实施例提供了一种基于菲涅耳非相干全息的可编码单帧成像方法，包括步骤：

使目标物接收非相干光并发射出射光；

将所述出射光调整为平行光；

将所述平行光调制为第一平面波、第二平面波和球面波，并且使所述球面波位于所述第一平面波和所述第二平面波之间，使所述第一平面波的传播方向和所述第二平面波的传播方向相对于所述平行光的传播方向发生倾斜；

接收所述第一平面波、所述第二平面波和所述球面波，并且记录所述第一平面波与所述球面波、所述第二平面波与所述球面波发生干涉所产生的非相干全息图。

在本发明的一个实施例中，接收所述第一平面波、所述第二平面波和所述球面波，并且记录所述第一平面波与所述球面波、所述第二平面波与所述球面波发生干涉所产生的非相干全息图之后，还包括步骤：

分区提取所述非相干全息图，并且合成复全息图；

对所述复全息图进行菲涅耳衍射传输计算，重构所述目标物。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明的复合透镜可以将非相干的平行光调制为平面波和球面波，解决了空间光调制器的能量损耗、带宽限制、效率及填充因子约束、尺寸对视场的约束等问题，保留了菲涅耳关联全息的成像优点，提高了光路稳定性的同时对入射光束进行完全调制，实现了单帧、纯光学元件的菲涅耳关联全息成像。

2、本发明的成像装置采用复合透镜，不仅避免了SLM靶面大小限制成像视场的问题，增大了成像的视场，而且在调制过程中无信号串扰，同时该成像装置的分辨率高、稳定性高、装置简单、成本较低。

3、本发明的成像方法将平行光调制为平面波和球面波以产生非相干全息图，无需扫描和多步采集，可以简单快速的实现非相干全息图的记录与再现。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种复合透镜的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种复合透镜的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于菲涅耳非相干全息的可编码单帧成像装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种基于菲涅耳非相干全息的可编码单帧成像装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的又一种基于菲涅耳非相干全息的可编码单帧成像装置的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种光信号接收器的接收面的干涉图样示意图；

图7为本发明实施例提供的一种复合透镜与光信号接收器的参数示意图；

图8为本发明实施例提供的再一种基于菲涅耳非相干全息的可编码单帧成像装置的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种单帧菲涅耳非相干目标再现方法的流程示意图；

图10为本发明实施例提供的一种基于菲涅耳非相干全息的可编码单帧成像方法的流程示意图；

图11为采用图8中的成像装置进行菲涅耳非相干成像的仿真图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种复合透镜的结构示意图。该复合透镜3是在棱镜的基础上进行改造而成的，包括平行光入射面31、第一平面波出射面32、第二平面波出射面33和球面波出射面34。

其中，球面波出射面34为透镜状，优选为凸透镜状。

平行光入射面31、第一平面波出射面32、第二平面波出射面33均为平面状。平行光入射面31与球面波出射面34相对设置，且平行光入射面31的宽度大于球面波出射面34的宽度，优选的平行光入射面31的宽度为球面波出射面34的宽度的3倍。第一平面波出射面32和第二平面波出射面33相对设置。球面波出射面34设置在第一平面波出射面32和第二平面波出射面33之间。

平行光由平行光入射面31射入，从第一平面波出射面32、第二平面波出射面33发射出平面波，从球面波出射面34发射出球面波。出射面31、32、33的光具有不同的出射方向；球面波的出射方向可以与平行光相同，也可以不同；平面波的出射方向相对于平行光发生倾斜，优选的平面波朝球面波的方向倾斜。

在一个实施例中，平行光入射面31、第一平面波出射面32、第二平面波出射面33可以为多边形(至少四边形)棱镜上的三个边；球面波出射面34可以为多边形棱镜上的第一平面波出射面32和第二平面波出射面33之间的一个面，且将该面加工为透镜状。例如，请参见图1，复合透镜3可以为加工的等腰梯形棱镜；等腰梯形棱镜的下底边为平行光入射面31；两个腰的长度相等，分别为第一平面波出射面32和第二平面波出射面33；将下底边加工为产生球面波的透镜作为球面波出射面34；这种情况下，第一平面波出射面32和第二平面波出射面33均相接在平行光入射面31和球面波出射面34之间。

在另一个实施例中，平行光入射面31、第一平面波出射面32、第二平面波出射面33可以为多边形(至少四边形)棱镜上的三个边；而球面波出射面34为透镜上的一个面，该透镜放置在第一平面波出射面32和第二平面波出射面33之间的一个面的边侧。例如，复合透镜3可以为等腰梯形棱镜加透镜的组合，请参见图2，图2为本发明实施例提供的另一种复合透镜的结构示意图。等腰梯形棱镜的下底边为平行光入射面31；两个腰的长度相等，分别为第一平面波出射面32和第二平面波出射面33；透镜放置在等腰梯形棱镜的上底边的一侧的一定距离处，且透镜的远离上底边的面作为球面波出射面34，此时，第一平面波出射面32、第二平面波出射面33与平行光入射面31相接，但是不与球面波出射面34相接。优选的，透镜与等腰梯形棱镜的上底边接触，以避免对边缘的两束平面光产生影响而导致光束之间的干涉。

当复合透镜3可以为等腰梯形棱镜加透镜的组合时，等腰梯形棱镜的两个腰和下底边出射三种不同方向的平行光，透镜对中心光束聚焦，边缘两束光正常出射，从而产生两束平面波和一束球面波。

在其他实施例中，复合透镜3可采用透明有机材料，利用热压制或快速定型方式，加工定型制作为复合透镜；也可采用二元光学元件或超表面光学元件实现同样的目的，其中，超表面光学元件可以通过亚波长的微结构来调控电磁波的偏振、相位、振幅、频率等。

本发明针对FINCH设计的复合透镜，可对光束进行分区调制，边缘两束发生折射改变光束方向，中心光束被调制产生球面波，三束光在空间发生干涉产生非相干全息图，解决了空间光调制器的能量损耗、带宽限制、效率及填充因子约束、尺寸对视场的约束等问题，保留了菲涅耳关联全息的成像优点，提高了光路稳定性的同时对入射光束进行完全调制，实现了单帧、纯光学元件的菲涅耳关联全息成像。

实施例二

请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种基于菲涅耳非相干全息的可编码单帧成像装置的结构示意图。该成像装置包括：光源1、准直透镜2、复合透镜3和光信号接收器4。

光源1发射出非相干光。目标物O、E、I放置在非相干光光路上，目标物O、E、I接收非相干光并发射出射光。准直透镜2设置在出射光的光路上，用于将出射光调整为平行光或者近似平行光。

具体地，光源1可以直接照射到目标物O、E、I上，例如，当目标物O、E、I为可透光的，光源1的非相干光可以穿过目标物O、E、I进行传播，如图3所示。光源1也可以通过分束镜5直接照射到目标物O、E、I上，例如，当目标物O、E、I为不透光的，分束镜5放置在非相干光的光路上，将非相干光进行分束，使分束后的一束非相干光照射到目标物O、E、I上，目标物O、E、I对非相干光进行反射；如图4所示，图4为本发明实施例提供的另一种基于菲涅耳非相干全息的可编码单帧成像装置的结构示意图。

具体地，当光源1发射的非相干光符合目标光束的要求时，例如，光源发出的光为红光，目标物O、E、I发射的出射光直接进入准直透镜2进行调整，如图3所示。当光源1发射的非相干光不符合目标光束的要求时，需要采用带通滤波片6对非相干光进行滤波；带通滤波片6设置在出射光的光路上，对目标物发出的出射光进行过滤，获得目标光束，并将目标光束发射至准直透镜2上，准直透镜2对目标光束进行调整；例如：采用白光光源发射出相干光，可以采用带通滤波片6对该光束进行滤波，以获得窄带光；如图5所示，图5为本发明实施例提供的又一种基于菲涅耳非相干全息的可编码单帧成像装置的结构示意图。

复合透镜3设置在平行光的光路上，平行光平行入射到复合透镜3上，复合透镜3经过变换将平行光调制为第一平面波、第二平面波和球面波，其中，球面波的出射位置位于第一平面波的出射位置和第二平面波的出射位置之间，且第一平面波的传播方向和第二平面波的传播方向相对于平行光的传播方向发生倾斜。具体地，第一平面波为平行波，其改变原方向以小角倾斜入射到光信号接收器4的接收面的下三分之一处；第二平面波为平行波，其改变原方向以小角度倾斜入射到光信号接收器4的接收面上三分之一处；复合透镜3中心处的平行波经过透镜状的球形波出射面34的作用后成为球面波或近似球面波出射到光信号接收器4的接收面上。

复合透镜3的具体结构请参见实施例一。

光信号接收器4设置在第一平面波、第二平面波和球面波的光路上，用于接收第一平面波、第二平面波和球面波，第一平面波与球面波在光信号接收器4接收面的下三分之一处发生干涉，第二平面波与球面波在光信号接收器4接收面的上三分之一处发生干涉，请参见图6，图6为本发明实施例提供的一种光信号接收器的接收面的干涉图样示意图，光信号接收器4的接收面记录干涉所产生的非相干全息图。

具体地，光信号接收器4可以为CCD相机，CCD相机靶面为光信号接收器4的接收面。

本实施例的成像装置采用复合透镜代替SLM对入射光进行分区变换调制，记录非相干全息图，实现了单帧、纯光学的菲涅耳关联全息成像，不仅避免了SLM靶面大小限制成像视场的问题，增大了成像的视场，而且在调制过程中无信号串扰，同时该成像装置的分辨率高、稳定性高、装置简单、成本较低。

实施例三

在实施例二的基础上，本实施例以复合透镜3为加工的等腰梯形棱镜为例，对复合透镜3的参数以及光信号接收器4的参数之间的关系进行说明。

请参见图7，图7为本发明实施例提供的一种复合透镜与光信号接收器的参数示意图。

图7中，a为复合透镜3的上底边即球面波出射面34的宽度，b为复合透镜3的下底边即平行光入射面31的宽度，a与b满足b＝3a，h为复合透镜3的高(下底边到球面波出射面最低处的距离)，α为平面波光束出射的角度，n为复合透镜的折射率，n₀＝1为空气的折射率，为平面波光束与水平面的夹角，f复合透镜中心焦距，x为像距(复合透镜焦点到光信号接收器4接收面之间的距离)，y为光束直径，m为光信号接收器4接收面的宽度。

根据折射定律，有：

nsinθ＝n₀sin(90-α)＝n₀cosα (1)

根据三角函数定义有：

光束在接收面上的投影为m/3，则：

其中，

将公式(1)、(2)、(4)代入公式(3)中化简得到

即复合透镜3的球面波出射面34宽度、高及折射率与光信号接收器4接收面的宽度之间的关系应满足公式(5)。根据相似三角形定理，复合透镜中心焦距与像距之间应该满足下式：

假设目标光束的直径为D，则b≥D＝3a。

实施例四

在实施例一、二、三的基础上，本实施例以光源1为白光源、采用分束镜5和带通滤波器6的成像装置对其成像原理进行说明。

请参见图8，图8为本发明实施例提供的再一种基于菲涅耳非相干全息的可编码单帧成像装置的结构示意图。

图8中，白光源照明目标物的反射光经准直后入射到复合透镜的前表面，经调制后输出的光束被分为三部分，边缘两部分光束仅仅发生折射，与复合透镜表面夹角α出射平面波；中心光束被中心透镜聚焦在焦平面，发出球面波与边缘出射的平面波相互干涉，在光信号接收器4接收面记录非相干全息图，接收面干涉图样分布参见图6，复合透镜的各项参数选择参见

实施例三。

其成像原理具体如下：

步骤一：定义二次相位函数符号。

菲涅尔衍射传输卷积运算中，忽略因子其中d为传输距离，(x,y)为空域坐标，则菲涅尔传输可由卷积运算给出：

记关键项为简化如下：

利用傅里叶变换对：

其中，(f_x,f_y)为频域坐标，可得到卷积运算对称性。

步骤二：定义二次相位函数符号运算规则：

步骤三：非相干全息图的记录与再现。

假设点目标所在平面的轴向位置为Z_s，则到达准直透镜2前表面的光场为经过准直透镜2调制后的出射光场为然后衍射传输一段距离do后在复合透镜3前的光场分布为经过复合透镜3调制后的输出光场分为三部分，分别是：

最后，衍射传输一段距离d_i后在光信号接收器4的接收面的光场为：

令则光信号接收器4的接收面记录的强度图样为：

I_up(x,y)＝|E₁+E₂|²＝|Q[C_A]exp(iα)+Q[C_B]|²

I_mid(x,y)＝|E₂|²＝|Q[C_B]|²

I_do_wn(x,y)＝|E₃+E₂|²＝|Q[C_A]exp(-iα)+Q[C_B]|²

则任意点(x_s,y_s,z_s)在光信号接收器4的接收面记录的强度响应可表示为：

I_up＝A(2+exp{i(M-N)}+exp{i(N-M)})

I_mid＝A

I_down＝A(2+exp{i(L-N)}+exp{i(N-L)})

其中，A为常数，

任意目标均可看作是一个点集，因此位于Z_s平面的目标g(x_s,y_s,z_s)的强度响应可以表示为：

带入三步相移公式合成复全息图，其中θ_1,2,3＝0,α,-α：

H_fresnel(x,y)＝H_up(x,y)[exp(±iθ₃)-exp(±iθ₂)]

+H_mid(x,y)[exp(±iθ₁)-exp(±iθ₃)]

+H_down(x,y)[exp(±iθ₂)-exp(±iθ₁)]

最后，通过对复全息图进行菲涅耳重建再现目标：

其中，f₁为目标物到准直透镜2的距离，f₂为复合透镜的中心焦距，d₀为准直透镜2到复合透镜3的距离，d_i为复合透镜3到光信号接收器4的接收面之间的距离，i为虚部系数，λ为光源波长，z为菲涅耳传输距离。

实施例五

在实施例三和实施例四的基础上，请参见图9，图9为本发明实施例提供的一种单帧菲涅耳非相干目标再现方法的流程示意图。该单帧菲涅耳非相干目标再现方法包括步骤：

S1、根据实施例三的参数制作复合透镜3，其中，复合透镜3的球面波出射面34的宽度、高及折射率与光信号接收器4接收面的宽度之间的关系满足

S2、根据公式计算复合透镜3与光信号接收器4接收面之间的距离，确定光信号接收器4的位置。

S3、搭建单帧、纯光学元件的菲涅耳关联全息光路，其中，复合透镜3的参数与像距参数参见S1和S2，搭建好的成像装置请参见图8。

S4、打开光源1及光信号接收器4，对放置在不同平面的目标O、E、I成像记录非相干全息图。具体地，请参见图10，图10为本发明实施例提供的一种基于菲涅耳非相干全息的可编码单帧成像方法的流程示意图，该成像方法包括以下步骤：

S41、使目标物接收非相干光并发射出射光。

具体地，首先打开白光光源1，使其发射非相干光。然后调节分束镜5，使得非相干光束照射在目标物上，目标物接收到非相干光并进行反射，得到出射光。

S42、将出射光调整为平行光。

具体地，调节带通滤波器6，使目标反射的光束完全透过，得到目标光束。接着，调节准直透镜2，使准直透镜2与目标光束同轴从而准直透镜2出射平行光；在调节准直透镜2时，需在近场及远场情况下测量光束直径，保证出射光束尽可能的接近理想平行光束。

S43、将平行光调制为第一平面波、第二平面波和球面波。

具体地，调节复合透镜3与准直透镜2同轴，并对入射的平行光进行均匀地分束和调制。入射的平行光经过复合透镜3的调制，均匀的分为三部分：第一平面波、第二平面波和球面波，第一平面波、第二平面波位于边缘的两部分，球面波位于中间部分，其中，边缘两部分光束经过复合透镜3后只改变出射方向，中心光束则被聚焦后发出球面光波，三束光在光信号接收器4的接收面发生干涉。

S44、接收第一平面波、第二平面波和球面波，并记录干涉所产生的非相干全息图。

具体地，打开光信号接收器4，第一平面波与球面波、第二平面波与球面波在光信号接收器4的表面发生干涉产生非相干全息图，打开光信号接收器4对非相干全息图进行采集。光信号接收器4与PC端连接，PC端接收系统产生的非相干全息图。

在采集时，可以采用光信号接收器4单次曝光采集非相干全息图；也可以沿光信号接收器4接收面上下移动光信号接收器4采集多帧非相干全息图，来获取更大视场、更多物体信息的全息图，用于重建物体。

S5、对记录到的非相干全息图进行分区提取，相移合成复全息图H_fresnel。

S6、通过对复全息图H_fresnel进行菲涅耳衍射传输计算，重构目标物O、E、I。对目标进行重构时，由于目标所在平面轴向距离不同，因此需逐次对目标进行重构，以实现二维甚至三维目标的再现。

请参见图11，图11为采用图8中的成像装置进行菲涅耳非相干成像的仿真图。

图11中，图(a)为待测目标物；图(b)为目标物传输到准直透镜2的前表面的菲涅耳衍射图像；图(c)为目标物传输到准直透镜2的后表面的菲涅耳衍射图像；图(d)为传输到复合透镜3的前表面的菲涅耳衍射图像；图(e)为传输到复合透镜3的后表面的菲涅耳衍射图像；图(f)为经复合透镜分离后传输到光信号接收器4的接收面的全息图像；图(g)为使用传统傅里叶变换(S-FFT)菲涅耳衍射计算对全息图像的重建结果；图(h)为截取全息图像中间的球面波区域的强度及相位，其中，图(h)的左图为强度，右图为相位；图(i)为对截取的全息图采用三步相移算法获取相位后再使用菲涅耳衍射计算的重建结果及直方图均衡化结果，其中，图(i)的左图为重建结果，图(i)的右图为对左图进行直方图均衡化的结果。

相比于图(g)，图(i)中的重建结果以及直方图均衡化的结果均具有较高的分辨率较、较小的背景噪声和较高的图像信噪比。

本发明的成像方法实现基于FINCH的纯光学单次曝光成像，提高了系统的时间分辨率与稳定性，降低了成本；无需扫描和多步采集，可以简单快速的实现非相干全息图的记录与再现，且再现结果的分辨率低、背景噪声小、图像信噪比高；可以实现三维目标的再现，扩大了方法的实际应用范围。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种复合透镜，其特征在于，包括平行光入射面(31)、第一平面波出射面(32)、第二平面波出射面(33)和球面波出射面(34)，其中，

所述球面波出射面(34)为透镜状；

所述平行光入射面(31)与所述球面波出射面(34)相对，且所述平行光入射面(31)的宽度大于所述球面波出射面(34)的宽度；

所述第一平面波出射面(32)与所述第二平面波出射面(33)相对；

所述球面波出射面(34)设置在所述第一平面波出射面(32)与所述第二平面波出射面(33)之间。

2.如权利要求1所述的复合透镜，其特征在于，所述第一平面波出射面(32)与所述第二平面波出射面(33)的长度相等，且所述第一平面波出射面(32)与所述平行光入射面(31)相接，所述第二平面波出射面(33)与所述平行光入射面(31)相接。

3.如权利要求1所述的复合透镜，其特征在于，所述第一平面波出射面(32)与所述第二平面波出射面(33)的长度相等，且所述第一平面波出射面(32)相接在所述平行光入射面(31)和所述球面波出射面(34)之间，所述第二平面波出射面(33)相接在所述平行光入射面(31)和所述球面波出射面(34)之间。

4.一种基于菲涅耳非相干全息的可编码单帧成像装置，其特征在于，包括：

光源(1)，用于向目标物发射非相干光，所述目标物接收所述非相干光并发射出射光；

准直透镜(2)，设置在所述出射光的光路上，用于将所述出射光调整为平行光；

复合透镜(3)，采用如权利要求1～3任一项所述的复合透镜，设置在所述平行光的光路上，用于将所述平行光调制为第一平面波、第二平面波和球面波，其中，所述球面波的出射位置位于所述第一平面波的出射位置和所述第二平面波的出射位置之间，且所述第一平面波的传播方向和所述第二平面波的传播方向相对于所述平行光的传播方向发生倾斜；

光信号接收器(4)，设置在所述第一平面波、所述第二平面波和所述球面波的光路上，用于接收所述第一平面波、所述第二平面波和所述球面波，并且记录所述第一平面波与所述球面波、所述第二平面波与所述球面波在所述光信号接收器(4)的接收面发生干涉所产生的非相干全息图。

5.如权利要求4所述的基于菲涅耳非相干全息的可编码单帧成像装置，其特征在于，还包括：

分束镜(5)，设置在所述非相干光的光路上，用于对所述非相干光进行分束并将其中一束非相干光发射至所述目标物上。

6.如权利要求4所述的基于菲涅耳非相干全息的可编码单帧成像装置，其特征在于，还包括：

带通滤波片(6)，设置在所述出射光的光路上，用于对所述出射光进行过滤得到目标光束，并将所述目标光束发射至所述准直透镜(2)。

7.如权利要求4所述的基于菲涅耳非相干全息的可编码单帧成像装置，其特征在于，所述复合透镜(3)的高、折射率、球面波出射面(34)宽度与所述光信号接收器(4)的所述接收面的宽度满足如下条件：

其中，a为复合透镜(3)的球面波出射面(34)宽度，h为复合透镜(3)的高，n为复合透镜(3)的折射率，m为光信号接收器(4)的接收面的宽度。

8.如权利要求4所述的基于菲涅耳非相干全息的可编码单帧成像装置，其特征在于，所述复合透镜(3)的中心焦距与像距之间的关系为：

其中，x为像距，f为复合透镜(3)的中心焦距。

9.一种基于菲涅耳非相干全息的可编码单帧成像方法，其特征在于，包括步骤：

使目标物接收非相干光并发射出射光；

将所述出射光调整为平行光；

将所述平行光调制为第一平面波、第二平面波和球面波，并且使所述球面波位于所述第一平面波和所述第二平面波之间，使所述第一平面波的传播方向和所述第二平面波的传播方向相对于所述平行光的传播方向发生倾斜；

接收所述第一平面波、所述第二平面波和所述球面波，并且记录所述第一平面波与所述球面波、所述第二平面波与所述球面波发生干涉所产生的非相干全息图。

10.如权利要求9所述的基于菲涅耳非相干全息的可编码单帧成像方法，其特征在于，接收所述第一平面波、所述第二平面波和所述球面波，并且记录所述第一平面波与所述球面波、所述第二平面波与所述球面波发生干涉所产生的非相干全息图之后，还包括步骤：

分区提取所述非相干全息图，并且合成复全息图；

对所述复全息图进行菲涅耳衍射传输计算，重构所述目标物。