CN112304246A - 基于空间相干结构调控的光学成像系统及成像方法 - Google Patents

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CN112304246A CN202011515882.7A CN202011515882A CN112304246A CN 112304246 A CN112304246 A CN 112304246A CN 202011515882 A CN202011515882 A CN 202011515882A CN 112304246 A CN112304246 A CN 112304246A
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Abstract

本发明公开了一种基于空间相干结构调控的光学成像系统及成像方法，包括以下步骤：构建4f成像系统；通过第一光探测器探测4f成像系统中频谱域障碍物的形状；根据4f成像系统中频谱域障碍物的形状，设计入射光束的空间相干结构，使得入射光束所有模式都能通过障碍物的开口；将待测物体置于光路中，通过第二光探测器探测待测物体的光学成像信息。本发明在4f光学成像系统的频率面被部分遮挡的情况下，能够实现成像无散斑，并且极大提高系统光的利用率，同时提高了成像的信噪比。

Description

基于空间相干结构调控的光学成像系统及成像方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种基于空间相干结构调控的光学成像系统及成像方法。
背景技术
光学成像是通过光将客观物体转化为图像的过程，是一种至关重要的获取信息的方式。它与生活息息相关，密不可分，例如使用的眼镜、照相机、投影仪、望远镜等。如今，光学成像正在被越来越广泛地应用于现代科学研究的各个领域特别是生物医学领域和光学物理领域。在生物和医学研究中，光学成像已成为深入研究活体细胞和生物大分子个体行为，以及探索生命运动规律的重要手段。它可以用来观察单个活细胞甚至在细胞内的细胞器，以辅助对细胞及其细胞器的操控。在光学物理研究中，传统成像方式主要有2f成像系统和4f成像系统。在光学中，无论是2f成像系统还是4f成像系统都是经过透镜成像，透镜按照对光的作用不同可分为凸透镜和凹透镜两种，实际中凸透镜比凹透镜研究和应用广泛的多。其成像规律也较为简单：物体若置于焦点之外，在凸透镜另一侧成倒立的实像，实像有缩小、等大、放大三种。物距越小，像距越大，实像越大。特别地，当物距和像距都等于两倍焦距时，成等大倒立的实像，这种情况便是2f成像系统。若物体放在焦点之内，在凸透镜同一侧成正立放大的虚像。物距越大，像距越大，虚像越大。另外一方面4f成像系统包含两个严格的傅里叶变换过程，使得研究者可以实现对光信息进行频谱分析和处理。在频率平面加入特定的滤波器，可以截断某些频率的信息，或使得某些特定频率引入一定的相位变换，实现人们的需要，获得相应的信息，改造像的结构，获得需要的图像。
随着科学技术的日益发展，对光学成像的研究也日益趋深，人们对光学成像技术的要求也越来越高。现有传统的4f成像系统要求极其苛刻，当其频率面被外界障碍物部分遮挡后，输出面成像质量将会受到严重影响。因此，在光学成像系统如何有效克服外界干扰，实现高质量成像显得尤为重要。
目前使用最为广泛的光学成像系统是4f成像系统。通常情况下，它是由一对焦距相等、同轴共焦的薄透镜而组成，包含三个特殊的面：输入平面、频率平面、输出平面。其输入面位于第一面透镜的前焦面；系统的频率平面也就是频率域，位于第一面透镜的后焦面，同时也是第二面透镜的前焦面；系统的输出面位于第二面透镜的后焦面，其输出所成的像，即为等大关于原点对称的输入的像。若两透镜的焦距不相等时，在成像面输出的像仅仅横向放大或缩小M倍。其中M为横向放大率，取决于后透镜与前透镜的焦距之比。
目前研究人员主要运用完全相干光和非相干光照明4f成像系统，其中，完全相干照明情况下的4f成像系统，在光信号处理、频率滤波中具有重要应用。然而利用完全相干光作为4f成像系统的光源，由于完全相干光的高相干性，会使得成像散斑多，并且在频率面被部分遮挡的情况下，成像将会发生畸变。而对于非相干照明情况下的4f成像系统在显微成像中具有重要应用。利用非相干光作为4f成像系统的光源，虽然可以克服散斑，但是当频率面有遮挡时，系统的光利用率低，导致成像强度弱，成像噪声大，图像信噪比低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于空间相干结构调控的光学成像系统及成像方法，其在4f光学成像系统的频率面被部分遮挡的情况下，本发明能够实现成像无散斑，并且极大提高系统光的利用率，同时提高了成像的信噪比。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于空间相干结构调控的光学成像系统，包括：
光源组件，所述光源组件包括激光器和第一分光元件，所述第一分光元件将激光器射出的光束分成第一光束和第二光束；
障碍光学组件，所述障碍光学组件包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜位于障碍物的前侧，所述第二透镜位于障碍物的后侧，其中，所述第一透镜和第二透镜构成4f成像系统；
可调光学组件，其位于待测物体的前侧，所述可调光学组件包括依次设置的第一遮光元件和空间光调制器，所述第一光束经第一遮光元件和空间光调制器后进入障碍光学组件；
前置光学组件，所述前置光学组件包括第二遮光元件和第三透镜，所述第二光束依次经第二遮光元件和第三透镜后进入障碍光学组件，所述第三透镜和第一透镜构成4f成像系统；
第一光探测组件，其用于检测障碍物的光学成像信息，所述第一光探测组件位于障碍光学组件的像空间，所述第一光探测组件包括第四透镜和第一光探测器，所述第四透镜位于所述第一光探测器的前侧，所述第二透镜和第四透镜构成4f成像系统；
第二光探测组件，其用于检测待测物体的光学成像信息，所述第二光探测组件位于障碍光学组件的像空间，所述第二光探测组件包括第二光探测器；
计算机，所述计算机与第一光探测器和空间光调制器连接，所述第一光探测器将障碍物的光学信息发送至计算机，所述计算机根据障碍物的光学信息调节空间光调制器以使得第二光束能够通过障碍物的开口。
作为优选的，所述第一光探测器和/或第二光探测器为光束轮廓分析仪。
作为优选的，所述第一遮光元件和/或第二遮光元件为光阑。
作为优选的，所述光源组件还包括扩束镜，所述扩束镜位于激光器与第一分光元件之间。
作为优选的，所述第一分光元件为第一分束镜。
作为优选的，还包括第二分束镜，所述第二分束镜位于待测物体与第一透镜之间，所述第三透镜出射的光束经所述第二分束镜反射进入所述障碍光学组件。
作为优选的，所述第二透镜的后端设置有第三分束镜，所述第二光探测器位于第三分束镜的第一出光面，所述第四透镜位于所述第三分束镜的第二出光面。
作为优选的，所述激光器发出的光为完全相干线偏振光。
本发明还公开了一种基于空间相干结构调控的光学成像方法，基于上述的光学成像系统，包括以下步骤：
S1、令第一遮光元件处于遮光状态，第二遮光元件处于打开状态，利用第一光探测器检 测频谱域障碍物的光强图像分布
Figure 172421DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure 246557DEST_PATH_IMAGE002
为输出面的任意一点坐标；
S2、所述计算机获取频谱域障碍物的光强图像分布
Figure 273418DEST_PATH_IMAGE001
，并设计与入射光空间相 干结构成傅里叶变换关系的
Figure 474724DEST_PATH_IMAGE003
函数的空间分布；其中，根据频谱域障碍物的光强图像 分布
Figure 965748DEST_PATH_IMAGE001
获得障碍物的开口形状，根据障碍物的开口形状修改
Figure 86151DEST_PATH_IMAGE003
函数以使得入 射光束的所有模式都能通过障碍物的开口，
Figure 475675DEST_PATH_IMAGE003
是任意矢量
Figure 933201DEST_PATH_IMAGE004
的 非负函数；
S3、根据
Figure 295043DEST_PATH_IMAGE003
函数得到入射光的交叉谱密度
Figure 445402DEST_PATH_IMAGE005
，进而得到空间光调 制器加载的光场
Figure 181277DEST_PATH_IMAGE006
，其中，
Figure 727314DEST_PATH_IMAGE007
表示源平面上任意位置矢量，
Figure 192931DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 186295DEST_PATH_IMAGE009
是源平面上任意两点的位置矢 量，
Figure 488094DEST_PATH_IMAGE010
表示随机相位，取值范围为
Figure 287423DEST_PATH_IMAGE011
；
S4、令第二遮光元件处于遮光状态，第一遮光元件处于打开状态，利用第二光探测器采集待测物体的光强图像分布信息。
本发明公开了一种基于空间相干结构调控的光学成像方法，包括以下步骤：
构建4f成像系统，其中，障碍物位于所述4f成像系统的频谱面以使得4f成像系统的频谱面被部分遮挡，所述障碍物上贯通设置有开口；
通过第一光探测器探测4f成像系统中频谱域障碍物的形状；
根据4f成像系统中频谱域障碍物的形状，设计入射光束的空间相干结构，使得入射光束所有模式都能通过障碍物的开口；
将待测物体置于光路中，通过第二光探测器探测待测物体的光学成像信息。
本发明的有益效果：
1、本发明可以探测出4f成像系统中频率域是否含有障碍物，且能测量出障碍物的形状。
2、在4f光学成像系统的频率面被部分遮挡的情况下，本发明设计入射光的相干结构，使得频率域被部分遮挡的4f光学成像系统具有鲁棒特性，实现成像无散斑，并且极大提高系统光的利用率，同时提高了成像的信噪比。
附图说明
图1为本发明的光路图；
图2为基于空间相干结构调控的光学成像方法的流程图。
图中标号说明：1、激光器；2、扩束镜；3、第一分光元件；4、第一遮光元件；5、第一反射镜；6、第二遮光元件；7、第三透镜；8、第二反射镜；9、第二分束镜；10、第一透镜；11、障碍物；12、第二透镜；13、第三分束镜；14、第三反射镜；15、第四透镜；16、第一光探测器；17、计算机；18、空间光调制器；19、待测物体；20、第二光探测器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的公开了一种基于空间相干结构调控的光学成像系统，包括光源组件、障碍光学组件、可调光学组件、前置光学组件、第一光探测组件、第二光探测组件和计算机17。
光源组件包括激光器1和第一分光元件3，第一分光元件3将激光器1射出的光束分成第一光束和第二光束。
障碍光学组件包括第一透镜10和第二透镜12，第一透镜10位于障碍物11的前侧，第二透镜12位于障碍物11的后侧，其中，第一透镜10和第二透镜12构成4f成像系统。
可调光学组件位于待测物体19的前侧，可调光学组件包括依次设置的第一遮光元件4和空间光调制器18，第一光束经第一遮光元件4和空间光调制器18后进入障碍光学组件。
前置光学组件包括第二遮光元件6和第三透镜7，第二光束依次经第二遮光元件6和第三透镜7后进入障碍光学组件，第三透镜7和第一透镜10构成4f成像系统。
第一光探测组件用于检测障碍物11的光学成像信息，第一光探测组件位于障碍光学组件的像空间，第一光探测组件包括第四透镜15和第一光探测器16，第四透镜15位于第一光探测器16的前侧，第二透镜12和第四透镜15构成4f成像系统。
第二光探测组件用于检测待测物体的光学成像信息，第二光探测组件位于障碍光学组件的像空间，第二光探测组件包括第二光探测器20。
计算机17与第一光探测器16和空间光调制器18连接，第一光探测器16将障碍物11的光学信息发送至计算机17，计算机17根据障碍物11的光学信息调节空间光调制器18以使得第二光束能够通过障碍物11的开口。
其中，第一光探测器16和/或第二光探测器20为光束轮廓分析仪。第一遮光元件4和/或第二遮光元件6可为光阑，通过打开可关闭光阑，可实现遮挡光或通光。
本发明中，光源组件还包括扩束镜2，扩束镜2位于激光器1与第一分光元件3之间。扩束镜2可以对激光器1发出的光扩束。第一分光元件3为第一分束镜。
本发明还包括第二分束镜9，第二分束镜9位于待测物体19与第一透镜10之间，第三透镜7出射的光束经第二分束镜9反射进入障碍光学组件。第二透镜12的后端设置有第三分束镜13，第二光探测器20位于第三分束镜13的第一出光面，第四透镜15位于第三分束镜13的第二出光面。激光器1发出的光为完全相干线偏振光。
如图1所示，本发明还包括第一反射镜5、第二反射镜8和第三反射镜14。其工作原理是：激光器1产生一束完全相干线偏振光，通过光学扩束镜2将光束扩宽，同时调整为平面波，之后经过第一分光元件3将光束一分为二，先利用第一遮光元件4将下面的光束挡住，上面的光束利用第一反射镜5调整方向，打开第二遮光元件6，使得光束完全通过。光束经过与4f成像系统（由第一透镜10、障碍物11和第二透镜12组成）中透镜10焦距相同的第三透镜7，再利用第二反射镜8和第二分束镜9，将光束调整方向，使光束能入射到4f成像系统中（即障碍光学组件），该系统中两个透镜具有相同的焦距。调节第三透镜7的位置，使得第一透镜10和第三透镜7之间的距离等于第一透镜10焦距与第三透镜7焦距之和，那么第三透镜7和第一透镜10构成一个新的4f成像系统。其输出光场通过位于第一透镜10的后焦面的部分遮挡不透明障碍物11，得到部分遮挡障碍物的开口形状的光束。光束透过4f成像系统中的第二透镜12，经过第三分束镜13将光束分为两束，通过第三反射镜14调整上方的光束的传播方向，光束再通过与4f成像系统透镜中第二透镜12焦距相同的第四透镜15，移动第四透镜15的位置，使得第四透镜15和第二透镜12之间的距离等于第四透镜15和第二透镜12的焦距之和。那么，第二透镜12和第四透镜15同样构成了新的4f成像系统，光束通过该系统，利用第一光探测器16在第四透镜15的后焦面记录得到的输出光光强分布信息，即为关于原点对称的障碍物开口形状。
通过上述方法获得了障碍物的开口形状，并将信息反馈到计算机17中，据此设计适当入射光束的相干结构。使用第二遮光元件6遮光，完全打开第一遮光元件4，利用空间光调制器18加载设计好空间相干结构，得到合适形状的部分相干光，即为光源。光束照射在待测物体19上，通过第二分束镜9再入射到4f成像系统中，待测物体与透镜10的距离为透镜10的焦距。同样的，光束经过部分遮挡的障碍物11和第二透镜12以及第三分束镜13。在成像平面（即第二透镜12后焦平面）中放置第二光探测器20，以记录输出场的光强分布信息。得到的信息即为待测物体19的形状信息。
如图2所示，本发明公开了一种基于空间相干结构调控的光学成像方法，基于上述的光学成像系统，包括以下步骤：
S1、令第一遮光元件4处于遮光状态，第二遮光元件6处于打开状态，利用第一光探测器 16检测频谱域障碍物的光强图像分布
Figure 155016DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure 788123DEST_PATH_IMAGE002
为输出面的任意一点坐标。
在本发明中，第一探测器拍摄的光强分布信息是一张图片，计算机读取这张图片， 这张图片就是一个矩阵，一个像素点对应一个矩阵元，光强越强，对应的矩阵元数值越大， 光强为零的地方，数值即为0。光强分布
Figure 623223DEST_PATH_IMAGE001
即为部分遮挡障碍物的形状信息。
S2、所述计算机17获取频谱域障碍物的光强图像分布
Figure 898347DEST_PATH_IMAGE001
，并设计与入射光空 间相干结构成傅里叶变换关系的
Figure 89288DEST_PATH_IMAGE003
函数的空间分布；其中，根据频谱域障碍物的光强 图像分布
Figure 486771DEST_PATH_IMAGE001
获得障碍物的开口形状，根据障碍物的开口形状修改
Figure 556971DEST_PATH_IMAGE003
函数以使 得入射光束的所有模式都能通过障碍物的开口，
Figure 370206DEST_PATH_IMAGE003
是任意矢量
Figure 461659DEST_PATH_IMAGE004
的非负函数。
本发明中，通过计算机读取输出面的强度分布信息
Figure 436568DEST_PATH_IMAGE001
，光强越强，对应的数 值越大，光强为零的地方，数值即为0。其中非零区域为障碍物的开口，零区域为障碍物遮挡 部分。并且设计与入射光空间相干结构成傅里叶变换关系的
Figure 465835DEST_PATH_IMAGE003
函数的空间分布；根据 部分遮挡障碍物的形状信息
Figure 410657DEST_PATH_IMAGE001
修改得到
Figure 576191DEST_PATH_IMAGE003
函数，对于
Figure 49897DEST_PATH_IMAGE001
的矩阵元， 令其与零相邻的矩阵元置为零（此操作需要多次重复，效果更佳），最后所得矩阵即为
Figure 832040DEST_PATH_IMAGE003
。这样就可以使得入射光束的所有模式都能通过障碍物的开口。
S3、根据
Figure 987077DEST_PATH_IMAGE003
函数得到入射光的交叉谱密度
Figure 787543DEST_PATH_IMAGE005
，进而得到空 间光调制器18加载的光场
Figure 369834DEST_PATH_IMAGE006
，其中，
Figure 896063DEST_PATH_IMAGE007
表示源平面上任意位置 矢量，
Figure 589212DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 978605DEST_PATH_IMAGE013
是源平面上任意两点的位 置矢量，
Figure 810426DEST_PATH_IMAGE010
表示随机相位，取值范围为
Figure 816428DEST_PATH_IMAGE011
。本发明中，空间光调制器的型号可为 BQ-SLM1024。
S4、令第二遮光元件6处于遮光状态，第一遮光元件4处于打开状态，利用第二光探 测器采集待测物体的光强图像分布信息
Figure 313269DEST_PATH_IMAGE014
。
对于上述测试方法，其工作原理如下：
原理1、获取频率面的障碍物的形状信息。
在4f光学成像系统的频率面被部分遮挡的情况下，若想要不破坏4f成像系统的同 时得到频率面的障碍物的形状信息，可在4f成像系统的前后各加一面焦距与成像系统中的 透镜焦距相同薄透镜，要求1.在4f成像系统前所加的透镜与4f成像系统的第一面透镜距离 等于两透镜的焦距之和；2. 在4f成像系统后所加的透镜与4f成像系统的第二面透镜距离 同样等于两透镜的焦距之和；此时最后的成像位置在最后一面透镜的后焦面。那么在这种 情况下，4f成像系统前所加的透镜与4f成像系统的第一面透镜组成了一个新的4f成像系 统。对于这个新的4f成像系统，由于输入光源为平面波，即输入光场
Figure 42322DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 356628DEST_PATH_IMAGE016
表示常数，
Figure 69501DEST_PATH_IMAGE017
为输入面任意一点坐标，那么入射光光强
Figure 901190DEST_PATH_IMAGE018
。光束经过传 输，在这个新4f成像系统频率面的电场可表示为
Figure 278557DEST_PATH_IMAGE019
（1）
其中
Figure 639132DEST_PATH_IMAGE020
为频率面的任意一点坐标。该系统的频率面为自由空间，无遮挡物，那么这个 新的4f成像系统输出光场可表示为
Figure 354147DEST_PATH_IMAGE021
（2）
其中
Figure 192790DEST_PATH_IMAGE022
表示新的4f成像系统输出面、同时也是原4f成像系统频率面任意一点的坐标。 本发明发现（1)和(2）两个等式都具有傅里叶变换形式。 因此，积分可以用快速傅里叶变换 算法进行数值求解。 此外，本发明还注意输出场
Figure 693172DEST_PATH_IMAGE023
和输出强 度
Figure 286965DEST_PATH_IMAGE024
。光束通过部分遮挡的障碍物，假定障碍物的透过率函数为
Figure 708850DEST_PATH_IMAGE025
，那么在4f成像系统后所加的透镜与4f成像系统的第二面透镜同样组成了一个新的 4f成像系统这种情况下，该系统的输入光场为
Figure 351184DEST_PATH_IMAGE026
，同样的，由于其频率域为自由 空间，可以直接通过两次傅里叶变换得到输出光场
Figure 955341DEST_PATH_IMAGE027
， 那么对应的光强为
Figure 392138DEST_PATH_IMAGE028
，其中
Figure 832478DEST_PATH_IMAGE002
为输出 面的任意一点坐标。如此本发明发现，输出光的光强分布即为关于原点对称的障碍物开口 形状信息。
原理2、模式叠加合成部分相干光作为入射光。
实验研究发现，对于空间频率平面被不透明物体部分遮挡的4f光学成像系统，在高相干照明情况下，输出图像严重失真，而随着入射光的空间相干性的降低，图像质量显著提高。为了解释上述效应的原理， 本发明将相干模式分解理论应用于部分相干光。相干模式分解理论是光学相干理论的一个里程碑式的成果，是沃夫首先提出的。相干模式分解理论的实质是，部分相干光场可以分解为一系列完全相干和互不相关的基本模式的和。 这种相干模式分解理论不仅有助于本发明理解随机光场的内在相干性，而且在实际应用方面也起着重要的作用。本发明将4f 成像系统的入射光，即部分相干光视为一组互不相关的相干模式的叠加。本发明了解到成像平面的光强分布的破坏是由位于空间频率平面的障碍物边缘的模式引起的。 因此，这里的成像问题可以用完全相干光学来分析。
从非负条件可以推导出部分相干光场的模式分解，其中部分相干光场的交叉光谱 密度可以用积分形式描述为:
Figure 340820DEST_PATH_IMAGE029
（3）
其中
Figure 206007DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 692002DEST_PATH_IMAGE013
是源平面上任意两点的位 置矢量，
Figure 478693DEST_PATH_IMAGE003
是任意矢量
Figure 587463DEST_PATH_IMAGE004
的非负函数，
Figure 41578DEST_PATH_IMAGE030
是一个任 意的核函数。对于谢尔模型光源，核函数可以写成
Figure 695544DEST_PATH_IMAGE031
（4）
其中
Figure 297427DEST_PATH_IMAGE032
是光源的光谱密度。而对于非负函数
Figure 819675DEST_PATH_IMAGE003
，若要获得高质 量和高信噪比的图像，可以通过预先获得的空间频率平面障碍物的形状，来进行设计入射 光束的空间相干结构或与入射光空间相干结构成傅里叶变换关系的
Figure 3663DEST_PATH_IMAGE003
函数的空间分 布，从而减少位于空间频率平面的障碍物边缘的模式的贡献。具体可根据障碍物的形状来 修改了
Figure 953164DEST_PATH_IMAGE003
函数，使得它的形状在障碍物的开口内，这确保了入射光束的所有模式都能 通过障碍物的开口。因此，在空间频率平面，所有模式的透射函数
Figure 370239DEST_PATH_IMAGE033
，输出面可以 完美成像。
为了得到模式分解，本发明将
Figure 430599DEST_PATH_IMAGE034
的坐标转化为离散形式，即
Figure 734673DEST_PATH_IMAGE034
被写成离散形式
Figure 855075DEST_PATH_IMAGE035
，其中 m=1，2，...，M 和 n=1，2，...，N。这里 M 和 N 分别表示
Figure 228288DEST_PATH_IMAGE036
和
Figure 168038DEST_PATH_IMAGE037
方向上离散坐标的数目。离散
Figure 451251DEST_PATH_IMAGE038
的总数为M x N。
Figure 867189DEST_PATH_IMAGE038
值的范围取决于函数
Figure 603064DEST_PATH_IMAGE003
的空间分布。将其写成离散的形式
Figure 411751DEST_PATH_IMAGE039
（5）
一旦
Figure 549472DEST_PATH_IMAGE003
转换成离散形式，将公式（5）代入公式（3）中，其积分形式可近似为有限 求和形式，即
Figure 136311DEST_PATH_IMAGE040
（6）
其中
Figure 359482DEST_PATH_IMAGE041
和
Figure 706280DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure 698507DEST_PATH_IMAGE043
和
Figure 659510DEST_PATH_IMAGE044
是
Figure 245343DEST_PATH_IMAGE036
和
Figure 520467DEST_PATH_IMAGE037
方向上两个相邻离散坐标的间隔。方程（5）是部分相干光 场的模式分解，其中
Figure 491834DEST_PATH_IMAGE045
和
Figure 561421DEST_PATH_IMAGE046
分别是模式及其相应的模态权重。由
Figure 586882DEST_PATH_IMAGE047
可得，空间光调制器加 载的全息图可表示为
Figure 524751DEST_PATH_IMAGE048
（7）
其中
Figure 225991DEST_PATH_IMAGE010
表示随机相位，取值范围为
Figure 341845DEST_PATH_IMAGE049
。
原理3、4f光学成像系统中光场传输。
在4f 成像系统中，部分相干光照明的成像问题现在减少到模式的传播问题。对于阶(m，n)的模式传播通过4f成像系统，在空间频率平面中的光场，即第一薄透镜的后焦平面，可以写成
Figure 26905DEST_PATH_IMAGE050
（8）
其中
Figure 502885DEST_PATH_IMAGE051
表示空间频率平面上的位置向量，
Figure 324211DEST_PATH_IMAGE052
是物体的透 射函数。 本发明假设透射函数为
Figure 814229DEST_PATH_IMAGE025
的障碍物放置在空间频率平面上，部分遮挡光场。 因此，光场经历障碍物后，透射光场可以表示为
Figure 845639DEST_PATH_IMAGE053
。在4f成像系统中通过第 二薄透镜后，成像平面中的光场可以表示为
Figure 266256DEST_PATH_IMAGE054
(9)
其中
Figure 817454DEST_PATH_IMAGE055
是输出成像平面中的横向位置矢量。
本发明中，两个等式（7)和(8）都具有傅里叶变换形式。因此，积分可以用快速傅里 叶变换算法进行数值求解。此外，本发明还注意到当
Figure 399745DEST_PATH_IMAGE033
时，输出场
Figure 918451DEST_PATH_IMAGE056
和输出强度
Figure 611601DEST_PATH_IMAGE057
。 此外，在本发明的实验中，光谱密度
Figure 483217DEST_PATH_IMAGE058
在物体区域内相对均匀。 因此，对于
Figure 95464DEST_PATH_IMAGE033
在输出平面上的强度
Figure 976833DEST_PATH_IMAGE059
，表明当模式完全通过空间频率平面时，4f 光学系统 输出平面上的完美图像。 然而，障碍物的透射函数
Figure 349039DEST_PATH_IMAGE025
对于空间频率平面上的所有位置 k 并不均匀，
Figure 265043DEST_PATH_IMAGE033
只对障碍物的开放区域。通过调控
Figure 517033DEST_PATH_IMAGE060
，本发明可以调整模式 在空间频率平面上的位置。 当模式位于
Figure 495484DEST_PATH_IMAGE033
的区域时，输出场将形成输入物体的完 美图像。当模式位于障碍物的开口区域外
Figure 530436DEST_PATH_IMAGE061
时，输出场将完全黑暗。否 则，当模式位于障碍物的边缘，即部分被障碍物遮挡时，输出场将被扭曲，无法清楚地识别。
在另一实施例中，本发明公开了一种基于空间相干结构调控的光学成像方法，包括以下步骤：
步骤一、构建4f成像系统，其中，障碍物位于所述4f成像系统的频谱面以使得4f成像系统的频谱面被部分遮挡，所述障碍物上贯通设置有开口；
步骤二、通过第一光探测器探测4f成像系统中频谱域障碍物的形状；
步骤三、根据4f成像系统中频谱域障碍物的形状，设计入射光束的空间相干结构，使得入射光束所有模式都能通过障碍物的开口；
步骤四、将待测物体置于光路中，通过第二光探测器探测待测物体的光学成像信息。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种基于空间相干结构调控的光学成像系统，其特征在于，包括：
光源组件，所述光源组件包括激光器和第一分光元件，所述第一分光元件将激光器射出的光束分成第一光束和第二光束；
障碍光学组件，所述障碍光学组件包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜位于障碍物的前侧，所述第二透镜位于障碍物的后侧，其中，所述第一透镜和第二透镜构成4f成像系统；
可调光学组件，其位于待测物体的前侧，所述可调光学组件包括依次设置的第一遮光元件和空间光调制器，所述第一光束经第一遮光元件和空间光调制器后进入障碍光学组件；
前置光学组件，所述前置光学组件包括第二遮光元件和第三透镜，所述第二光束依次经第二遮光元件和第三透镜后进入障碍光学组件，所述第三透镜和第一透镜构成4f成像系统；
第一光探测组件，其用于检测障碍物的光学成像信息，所述第一光探测组件位于障碍光学组件的像空间，所述第一光探测组件包括第四透镜和第一光探测器，所述第四透镜位于所述第一光探测器的前侧，所述第二透镜和第四透镜构成4f成像系统；
第二光探测组件，其用于检测待测物体的光学成像信息，所述第二光探测组件位于障碍光学组件的像空间，所述第二光探测组件包括第二光探测器；
计算机，所述计算机与第一光探测器和空间光调制器连接，所述第一光探测器将障碍物的光学信息发送至计算机，所述计算机根据障碍物的光学信息调节空间光调制器以使得第二光束能够通过障碍物的开口。
2.如权利要求1所述的基于空间相干结构调控的光学成像系统，其特征在于，所述第一光探测器和/或第二光探测器为光束轮廓分析仪。
3.如权利要求1所述的基于空间相干结构调控的光学成像系统，其特征在于，所述第一遮光元件和/或第二遮光元件为光阑。
4.如权利要求1所述的基于空间相干结构调控的光学成像系统，其特征在于，所述光源组件还包括扩束镜，所述扩束镜位于激光器与第一分光元件之间。
5.如权利要求1所述的基于空间相干结构调控的光学成像系统，其特征在于，所述第一分光元件为第一分束镜。
6.如权利要求1所述的基于空间相干结构调控的光学成像系统，其特征在于，还包括第二分束镜，所述第二分束镜位于待测物体与第一透镜之间，所述第三透镜出射的光束经所述第二分束镜反射进入所述障碍光学组件。
7.如权利要求1所述的基于空间相干结构调控的光学成像系统，其特征在于，所述第二透镜的后端设置有第三分束镜，所述第二光探测器位于第三分束镜的第一出光面，所述第四透镜位于所述第三分束镜的第二出光面。
8.如权利要求1所述的基于空间相干结构调控的光学成像系统，其特征在于，所述激光器发出的光为完全相干线偏振光。
9.一种基于空间相干结构调控的光学成像方法，基于权利要求1-8任一项所述的光学成像系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1、令第一遮光元件处于遮光状态，第二遮光元件处于打开状态，利用第一光探测器检 测频谱域障碍物的光强图像分布
Figure 485364DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure 721304DEST_PATH_IMAGE002
为输出面的任意一点坐标；
S2、所述计算机获取频谱域障碍物的光强图像分布
Figure 639582DEST_PATH_IMAGE001
，并设计与入射光空间 相干结构成傅里叶变换关系的
Figure 743804DEST_PATH_IMAGE003
函数的空间分布；其中，根据频谱域障碍物的光强 图像分布
Figure 244186DEST_PATH_IMAGE001
获得障碍物的开口形状，根据障碍物的开口形状修改
Figure 837979DEST_PATH_IMAGE003
函数以使 得入射光束的所有模式都能通过障碍物的开口，
Figure 915656DEST_PATH_IMAGE003
是任意矢量
Figure 164847DEST_PATH_IMAGE004
的非负函数；
S3、根据
Figure 909949DEST_PATH_IMAGE003
函数得到入射光的交叉谱密度
Figure 471381DEST_PATH_IMAGE005
，进而得到空间光 调制器加载的光场
Figure 36354DEST_PATH_IMAGE006
，其中，
Figure 92166DEST_PATH_IMAGE007
表示源平面上任意位置矢 量，
Figure 754092DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 361791DEST_PATH_IMAGE009
是源平面上任意两点的位置 矢量，
Figure 289426DEST_PATH_IMAGE010
表示随机相位，取值范围为
Figure 273563DEST_PATH_IMAGE011
；
S4、令第二遮光元件处于遮光状态，第一遮光元件处于打开状态，利用第二光探测器采集待测物体的光强图像分布信息。
10.一种基于空间相干结构调控的光学成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建4f成像系统，其中，障碍物位于所述4f成像系统的频谱面以使得4f成像系统的频谱面被部分遮挡，所述障碍物上贯通设置有开口；
通过第一光探测器探测4f成像系统中频谱域障碍物的形状；
根据4f成像系统中频谱域障碍物的形状，设计入射光束的空间相干结构，使得入射光束所有模式都能通过障碍物的开口；
将待测物体置于光路中，通过第二光探测器探测待测物体的光学成像信息。
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