CN110702383B - 一种基于扩展旋转对称结构光照明的波前重建装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于扩展旋转对称结构光照明的波前重建装置及方法，该装置包括依次设置的激光器、衰减镜、显微物镜、针孔、准直透镜、分光棱镜、空间光调制器、待测透镜、图像采集装置。该方法利用空间光调制器将入射的平行光调制为类相位光栅的结构光，通过改变空间光调制器的调制图案、利用空间光调制器的像素单元不是无限小的特性，使之生成不同的结构光，通过在焦平面采集衍射光斑，利用算法同时更新目标面与结构光面，不仅恢复出待测目标，也恢复出真实的结构光波前，克服由于未精确已知结构光信息带来的恢复误差。此方法能够实现高陡度波前相位恢复，而且不需要移动图像采集装置，通过引入空间光调制器规避了传统旋转照明带来的旋转误差。

Description

一种基于扩展旋转对称结构光照明的波前重建装置及方法
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，尤其一种基于扩展旋转对称结构光照明的波前重建装置及方法。
背景技术
计算成像被广泛应用于提高成像质量，简化成像系统，突破光学系统与图像采集设备的物理限制实现超分辨等。相位恢复作为一种实现计算光场成像的一种方式，自上世纪70年代被提出后，由于其稳定可靠的收敛效果被广泛应用。上世纪九十年代美国罗切斯特大学将相位恢复方法成功应用于哈勃望远镜的像差矫正中。传统的迭代相位恢复方法是基于傅里叶变换和逆傅里叶变换在空间域和傅里叶域之间反复迭代，并在傅里叶域中施加真实振幅的限制，在空间域中施加空间支持域限制。此方法在前几次迭代中会快速收敛但随后陷入停滞最后往往收敛于局部最优解中，难以实现波前的精确重建。
为了改善此问题，人们做了大量的研究。在傅里叶域采集的衍射光斑往往是中心对称的，并且受限于图像采集装置像素单元的大小，采集的衍射光斑的信息量往往较少。为此人们提出了多种多样的改善措施，如子孔径拼接方法，基于相邻子孔径间部分重叠以增加衍射光斑的信息量。子孔径拼接方法较为复杂而且容易引入拼接误差。另外一种方法是在光学系统中加入衍射光学元件如随机相位板等提高衍射信息量，但是随机相位板的加工误差会降低波前重建精度。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于扩展旋转对称结构光照明的波前重建装置及方法，以解决传统迭代相位恢复方法陷入局部最优解的问题，同时克服了传统衍射光学元件调制过程中引入的误差，通过使用空间光调制器产生结构光，规避了移动误差。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于扩展旋转对称结构光照明的波前重建装置，其特征在于，该装置包括依次设置的激光器、衰减镜、显微物镜、针孔、准直透镜、分光棱镜、空间光调制器、待测透镜、图像传感器，所述的衰减镜平行位于所述激光器之后，所述显微物镜平行位于所述衰减镜之后，所述针孔平行位于显微物镜之后且所述针孔位于所述显微物镜焦点处，所述准直透镜平行位于所述针孔之后且所述的准直透镜的前焦点位于所述针孔处，所述分光棱镜平行位于所述准直透镜之后，所述空间光调制器平行位于分光棱镜之后，所述待测透镜垂直于所述激光器出射光束且与所述分光棱镜分光共光轴，所述图像采集装置平行位于所述待测透镜的后焦点处。
进一步地，所述的图像采集装置为CCD。
一种基于扩展旋转对称结构光照明的波前重建方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的检测装置来实现，该方法包括以下步骤：
S1：搭建所述的波前重建装置，由图像采集装置采集衍射光斑；
S1.1：设置空间光调制器初始放置方向，设置输入类相位光栅结构光的周期和振幅；
设置单次旋转角度
Figure BDA0002228317200000021
总旋转次数为N和旋转数n，
Figure BDA0002228317200000022
且N为4的倍数；其中，初始角度
Figure BDA0002228317200000023
旋转数n的初始值为1；
S1.2：采集衍射光斑；
S1.3：判断n是否大于N/4，是则进行下一步，否则n＝n+1，
Figure BDA0002228317200000024
返回S1.2；
S1.4:判断空间光调制器方向改变次数是否等于3，是则进行下一步，否则，空间光调制器逆时针旋转90度，n＝1，
Figure BDA0002228317200000025
返回S1.2。
S2：采用基于扩展旋转对称结构光照明的相位恢复方法，对S1采集到的衍射光斑进行相位恢复，获得待测透镜的波前信息；
S2.1：输入所述图像采集装置采集的N幅衍射光斑，设置待测透镜的焦距f、口径D，输入类相位光栅结构光的单次旋转角度
Figure BDA0002228317200000026
在0～90°内旋转次数N/4，初始角度
Figure BDA0002228317200000027
初始旋转数i＝1，迭代总数N_iter，初始迭代次数k＝1；
S2.2：如果k＝1且i＝1，则设置旋转对称结构光设计值
Figure BDA0002228317200000028
以及待测透镜初始估计值，如果k＝1但i≠1，则设置旋转对称结构光设计值
Figure BDA0002228317200000029
如果k≠1，则使用新计算的结构光
Figure BDA00022283172000000210
与更新的待测透镜O(k(N/4-1)+i)叠加作为新的输入值。
S2.3：使用计算衍射方法将结构光与待测透镜的叠加值计算衍射至频谱面，得到频谱面的估计值；
S2.4：使用对应角度实际测量光强值的平方根取代所述的频谱面估计值的振幅值；
S2.5：同时更新旋转对称结构光设计值
Figure BDA00022283172000000211
以及待测透镜估计值O(k(N/4-1)+i)；
S2.6：将此角度下的结构光逆时针旋转90度，作为新计算的结构光
Figure BDA00022283172000000212
的值；
S2.7：令i＝i+1，如果i≤N/4，则返回S2.2，否则进行下一步；
S2.8：令k＝k+1，如果k≤N_iter，则返回S2.2，否则结束迭代，输出待测透镜估计值作为最终的待测透镜的波前。
本发明的有益效果如下：
本发明的基于扩展旋转对称结构光照明的波前重建装置，利用空间调制器调制结构光，规避了机械旋转调制带来的误差，本发明的波前重建方法通过同时恢复待测波前和结构光，有效抑制空间光调制器带来的误差，实现待测透镜波前的精确重建。使用结构光照明，增加了采集的衍射光斑中的信息量，提高了算法的收敛精度。
附图说明
图1是基于扩展旋转对称结构光照明的波前相位恢复装置图；
图2是衍射光斑采集流程图；
图3是基于扩展旋转对称结构光照明的波前相位恢复方法的流程示意图。
图4是待恢复原图，其中，(a)为待恢复的振幅图，(b)为待恢复的相位图；
图5是使用提出的扩展旋转对称结构光恢复图，(a)为恢复的振幅图，(b)为恢复的相位图；
图6是使用的串行传输算法恢复图，(a)为恢复的振幅图，(b)为恢复的相位图；
图中，激光器1、衰减镜2、显微物镜3、针孔4、准直透镜5、分光棱镜6、空间光调制器7、待测透镜8、图像传感器9。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于扩展旋转对称结构光照明的相位恢复装置，其包括依次设置的激光器1、衰减镜2、显微物镜3、针孔4、准直透镜5、分光棱镜6、空间光调制器7、待测透镜8、图像传感器9，所述的衰减镜2平行位于所述激光器1之后，所述显微物镜3平行位于所述衰减镜2之后，所述针孔4平行位于显微物镜3前焦点处，所述的准直透镜5平行位于所述针孔4之后且所述准直透镜5的前焦点位于所述针孔4处，所述分光棱镜6平行位于所述准直透镜5之后，所述空间光调制器7平行位于分光棱镜6之后，所述待测透镜8垂直于所述激光器1出射光束且与所述分光棱镜6分光共光轴，所述图像采集装置9平行位于所述待测透镜8的后焦点处。
作为其中一种实施方式，所述的激光器发出的光波波长为632.8nm。
作为其中一种实施方式，所述的图像采集装置9为CCD相机，用于采集衍射光斑图像。
一种基于扩展旋转对称结构光照明的波前重建方法，该方法基于上述的检测装置来实现，该方法包括以下步骤(如图2-3所示)：
S1：搭建所述的波前重建装置，由图像采集装置9采集衍射光斑；
S1.1：设置空间光调制器7初始放置方向，设置输入类相位光栅结构光的周期和振幅；
设置单次旋转角度
Figure BDA0002228317200000041
总旋转次数为N和旋转数n，
Figure BDA0002228317200000042
且N为4的倍数；其中，初始角度
Figure BDA0002228317200000043
旋转数n的初始值为1；
S1.2：采集衍射光斑；
S1.3：判断n是否大于N/4，是则进行下一步，否则n＝n+1，
Figure BDA0002228317200000044
返回S1.2；
S1.4:判断空间光调制器方向改变次数是否等于3，是则进行下一步，否则，空间光调制器逆时针旋转90度，n＝1，
Figure BDA0002228317200000045
返回S1.2。
S2：采用基于扩展旋转对称结构光照明的相位恢复方法，对S1采集到的衍射光斑进行相位恢复，获得待测透镜的波前信息；
S2.1：输入图像采集装置9采集的N幅衍射光斑，设置待测透镜8的焦距f、口径D，输入类相位光栅结构光的单次旋转角度
Figure BDA0002228317200000046
在0～90°内旋转次数N/4，初始角度
Figure BDA0002228317200000047
初始旋转数i＝1，迭代总数N_iter，初始迭代次数k＝1；
S2.2：如果k＝1且i＝1，则设置旋转对称结构光设计值
Figure BDA0002228317200000048
以及待测透镜初始估计值，如果k＝1但i≠1，则设置旋转对称结构光设计值
Figure BDA0002228317200000049
如果k≠1，则使用新计算的结构光
Figure BDA00022283172000000410
与更新的待测透镜O(k(N/4-1)+i)叠加作为新的输入值。
S2.3：使用计算衍射方法将结构光与待测透镜的叠加值计算衍射至频谱面，得到频谱面的估计值；
S2.4：使用对应角度实际测量光强值的平方根取代所述的频谱面估计值的振幅值；
S2.5：同时更新旋转对称结构光设计值
Figure BDA00022283172000000411
以及待测透镜估计值O(k(N/4-1)+i)
Figure BDA00022283172000000412
Figure BDA00022283172000000413
S2.6：将此角度下的结构光逆时针旋转90度，作为新计算的结构光
Figure BDA0002228317200000051
的值；
S2.7：令i＝i+1，如果i≤N/4，则返回S2.2，否则进行下一步；
S2.8：令k＝k+1，如果k≤N_iter，则返回S2.2，否则结束迭代，输出待测透镜估计值作为最终的待测透镜的波前。
在理想情况下，基于旋转对称结构光照明的波前重建方法能够实现波前的100％的恢复，克服了传统迭代方法易于收敛至局部最优解的弊端。本发明的基于旋转扩展对称结构光照明的波前重建方法能够克服实际不理想照明光带来的恢复误差，以恢复lena与cameraman图为例，如图4所示。将旋转结构光照明与传统多图迭代相位恢复方法恢复对比，恢复结果如图5、6所示。从图中可以看出，本发明的方法恢复效果明显优于传统多图迭代相位恢复方法。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于扩展旋转对称结构光照明的波前重建装置，其特征在于，该装置包括依次设置的激光器(1)、衰减镜(2)、显微物镜(3)、针孔(4)、准直透镜(5)、分光棱镜(6)、空间光调制器(7)、待测透镜(8)、图像采集装置(9)，所述的衰减镜(2)平行位于所述激光器(1)之后，所述显微物镜(3)平行位于所述衰减镜(2)之后，所述针孔(4)平行位于显微物镜(3)之后且所述针孔(4)位于所述显微物镜(3)焦点处，所述准直透镜(5)平行位于所述针孔(4)之后且所述的准直透镜(5)的前焦点位于所述针孔(4)处，所述分光棱镜(6)平行位于所述准直透镜(5)之后，所述空间光调制器(7)平行位于分光棱镜(6)之后，所述待测透镜(8)垂直于所述激光器(1)出射光束且与所述分光棱镜(6)分光共光轴，所述图像采集装置(9)平行位于所述待测透镜(8)的后焦点处；
所述的激光器(1)发出激光光束，所述的激光光束经所述的衰减镜(2)衰减、所述的显微物镜(3)会聚、针孔(4)滤波、准直透镜(5)准直扩为面平行光、所述的分光棱镜(6)分光、所述的空间光调制器(7)调制生成结构光、所述的结构光经所述的分光棱镜(6)反射、经过待测透镜(8)会聚后，所述的图像采集装置(9)采集含有待测物和结构光信息的衍射光斑。
2.根据权利要求1所述的基于扩展旋转对称结构光照明的波前重建装置，其特征在于所述的图像采集装置(9)为CCD相机。
3.一种基于扩展旋转对称结构光照明的波前重建方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的基于扩展旋转对称结构光照明的波前重建装置来实现，该方法包括以下步骤：
S1：搭建所述的波前重建装置，由图像采集装置(9)采集衍射光斑；
S1.1：设置空间光调制器(7)初始放置方向，设置输入类相位光栅结构光的周期和振幅；
设置单次旋转角度
Figure FDA0002659829140000011
总旋转次数为N和旋转数n，
Figure FDA0002659829140000012
且N为4的倍数；其中，初始角度
Figure FDA0002659829140000013
旋转数n的初始值为1；
S1.2：采集衍射光斑；
S1.3：判断n是否大于N/4，是则进行下一步，否则n＝n+1，
Figure FDA0002659829140000014
返回S1.2；
S1.4:判断空间光调制器方向改变次数是否等于3，是则进行下一步，否则，空间光调制器逆时针旋转90度，n＝1，
Figure FDA0002659829140000015
返回S1.2；
S2：采用基于扩展旋转对称结构光照明的相位恢复方法，对S1采集到的衍射光斑进行相位恢复，获得待测透镜的波前信息；
S2.1：输入所述图像采集装置(9)采集的N幅衍射光斑，设置待测透镜(8)的焦距f、口径D，输入类相位光栅结构光的单次旋转角度
Figure FDA0002659829140000021
在0～90°内旋转次数N/4，初始角度
Figure FDA0002659829140000022
初始旋转数i＝1，迭代总数N_iter，初始迭代次数k＝1；
S2.2：如果k＝1且i＝1，则设置旋转对称结构光设计值
Figure FDA0002659829140000023
以及待测透镜初始估计值，如果k＝1但i≠1，则设置旋转对称结构光设计值
Figure FDA0002659829140000024
如果k≠1，则使用新计算的结构光
Figure FDA0002659829140000025
与更新的待测透镜O(k(N/4-1)+i)叠加作为新的输入值；
S2.3：使用计算衍射方法将结构光与待测透镜的叠加值计算衍射至频谱面，得到频谱面的估计值；
S2.4：使用对应角度实际测量光强值的平方根取代所述的频谱面估计值的振幅值；
S2.5：同时更新旋转对称结构光设计值
Figure FDA0002659829140000026
以及待测透镜估计值O(k(N/4-1)+i)；
S2.6：将此角度下的结构光逆时针旋转90度，作为新计算的结构光
Figure FDA0002659829140000027
的值；
S2.7：令i＝i+1，如果i≤N/4，则返回S2.2，否则进行下一步；
S2.8：令k＝k+1，如果k≤N_iter，则返回S2.2，否则结束迭代，输出待测透镜估计值作为最终的待测透镜的波前。
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