CN112702486A - 一种基于电可调透镜的高速相干成像相机及相位恢复方法 - Google Patents

一种基于电可调透镜的高速相干成像相机及相位恢复方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112702486A
CN112702486A CN202011547245.8A CN202011547245A CN112702486A CN 112702486 A CN112702486 A CN 112702486A CN 202011547245 A CN202011547245 A CN 202011547245A CN 112702486 A CN112702486 A CN 112702486A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fourier transform
lens
transform lens
speed
adjustable lens
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202011547245.8A
Other languages
English (en)
Inventor
张�成
朱进兵
王美琴
江劲波
韦穗
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anhui University
Original Assignee
Anhui University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anhui University filed Critical Anhui University
Priority to CN202011547245.8A priority Critical patent/CN112702486A/zh
Publication of CN112702486A publication Critical patent/CN112702486A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/50—Constructional details
    • H04N23/55—Optical parts specially adapted for electronic image sensors; Mounting thereof
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/50—Constructional details
    • H04N23/54—Mounting of pick-up tubes, electronic image sensors, deviation or focusing coils
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/60—Control of cameras or camera modules
    • H04N23/67—Focus control based on electronic image sensor signals

Abstract

本发明提供一种基于电可调透镜的高速相干成像相机及相位恢复方法，所述相机包括第一傅里叶变换透镜、电可调透镜、第二傅里叶变换透镜和CCD相机；所述第一傅里叶变换透镜的前焦面与物平面重合，后焦面与第二傅里叶变换透镜的前焦面重合，所述物平面、第一傅里叶变换透镜、电可调透镜、第二傅里叶变换透镜和CCD相机构成一个4f成像系统。本发明无需机械化的结构就可以实现成像和显示系统的可变距离快速聚焦，使得成像结构更为紧凑和简单，避免了反复对齐与校准的工作量，提高了采集速度，具有调制速度快、调焦范围大、高分辨率、高灵敏度和低成本的优点。

Description

一种基于电可调透镜的高速相干成像相机及相位恢复方法
技术领域
本发明涉及光学相干成像技术领域，具体是一种基于电可调透镜的高速相干成像相机及相位恢复方法。
背景技术
据统计，在光学成像中，复光场的绝大部分信息包含在相位分量中，相位主要反映的是物体的形状和传播深度等重要信息。但是可见光的振荡频率太高导致现有检测装置无法直接测量光波的相位而只能记录光场强度，相位恢复方法即是直接从强度测量中恢复丢失的相位信息。相位恢复广泛应用于光学、X射线晶体学、天文成像、雷达、计算生物学等领域。
相位恢复方法首先通过光学成像系统捕获单幅、两幅或多幅强度图像，再采用各种不同的相位恢复算法重建相位信息。与单强度和双强度相位恢复方案相比，多强度相位恢复方法通过改变光学成像系统中的物理参数获得不同的测量值，无需额外的先验约束(如支撑、稀疏等约束)，这些方法能够利用不同的扫描策略获得最佳收敛和高精度重建，例如重叠照明、多波长扫描、多角度照明、针孔扫描和多距离测量等方案。
但是，上述方案在获取不同强度图像的过程中，通常需要不断改变成像系统的物理结构，如调制成像平面的位置、旋转透镜角度等措施，从而导致成像结构较为复杂，需要反复地对齐与校准光学元件，大大增加了成像工作量与成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于电可调透镜的高速相干成像相机及相位恢复方法，采用电可调透镜实现相位的高速动态调制，使得成像结构更为紧凑和简单，避免反复对齐与校准的工作量。
本发明的技术方案为：
一种基于电可调透镜的高速相干成像相机，包括第一傅里叶变换透镜、电可调透镜、第二傅里叶变换透镜和CCD相机；所述第一傅里叶变换透镜和第二傅里叶变换透镜的焦距相等且主光轴重合，所述第一傅里叶变换透镜的前焦面与物平面重合，后焦面与第二傅里叶变换透镜的前焦面重合；
所述电可调透镜设置在第一傅里叶变换透镜与第二傅里叶变换透镜之间，且其主光轴与第一傅里叶变换透镜和第二傅里叶变换透镜的主光轴重合，所述电可调透镜的中心位置与第一傅里叶变换透镜的后焦点位置重合；
所述CCD相机的成像区域所在平面与第二傅里叶变换透镜的后焦面重合，且所述CCD相机的成像区域的中心位置与第二傅里叶变换透镜的后焦点位置重合；
所述电可调透镜的输入端与计算机的输出端连接，用于加载随机相位调制函数以高速、连续模拟实现不同焦距的透镜，所述CCD相机的输出端与计算机的输入端连接，用于记录多幅编码衍射图案以重建复光场的振幅和相位信息。
所述的一种基于电可调透镜的高速相干成像相机的相位恢复方法，包括以下步骤：
(1)计算机将随机相位调制函数加载到电可调透镜上，对电可调透镜的焦距进行高速、连续调整；
(2)通过改变电可调透镜的焦距参数实现复光场的高速调制，再通过CCD相机多次曝光获取多幅编码衍射图案；
(3)计算机利用Wirtinger Flow算法从多幅编码衍射图案中重建复光场的振幅和相位信息；
(4)输出复光场的振幅和相位信息。
所述的基于电可调透镜的高速相干成像相机的相位恢复方法，步骤(1)中，所述相位调制函数为：
Figure BDA0002856025310000031
其中，
Figure BDA0002856025310000032
表示第l个相位调制函数，fl表示第l个相位调制函数对应的焦距，k表示波数，ξ、η分别表示频域横坐标和纵坐标。
所述的基于电可调透镜的高速相干成像相机的相位恢复方法，步骤(2)中，所述编码衍射图案的强度为：
Figure BDA0002856025310000033
其中，Il表示第l幅编码衍射图案的强度，x表示复光场，F2D(x)表示对复光场x进行二维傅里叶变换，
Figure BDA0002856025310000034
表示二维傅里叶逆变换，
Figure BDA0002856025310000035
表示加载在电可调透镜上的第l个相位调制函数，l表示序号，L表示总数，
Figure BDA0002856025310000041
表示Hadamard积，e表示噪声。
由上述技术方案可知，本发明采用电可调透镜可实现相位的动态高速调制(≥10000fps)，然后通过多次曝光实现多幅编码衍射图案的高速获取，无需机械化的结构就可以实现成像和显示系统的可变距离快速聚焦，使得成像结构更为紧凑和简单，避免了反复对齐与校准的工作量，提高了采集速度，具有调制速度快(可达100kHz)、调焦范围大(+80mm至+200mm)、高分辨率、高灵敏度和低成本的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的应用实例示意图；
图3是本发明的方法流程图；
图4是本发明的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种基于电可调透镜的高速相干成像相机及相位恢复方法，包括第一傅里叶变换透镜1、电可调透镜2、第二傅里叶变换透镜3和CCD相机4。第一傅里叶变换透镜1和第二傅里叶变换透镜3的焦距相等(均为f)且主光轴重合，第一傅里叶变换透镜1的前焦面与物平面0重合，第一傅里叶变换透镜1的后焦面与第二傅里叶变换透镜3的前焦面重合。
电可调透镜2设置在第一傅里叶变换透镜1与第二傅里叶变换透镜3之间，且电可调透镜2的主光轴与第一傅里叶变换透镜1和第二傅里叶变换透镜3的主光轴重合，电可调透镜2的中心位置与第一傅里叶变换透镜1的后焦点位置重合。CCD相机4的成像区域所在平面与第二傅里叶变换透镜3的后焦面重合，且CCD相机4的成像区域的中心位置与第二傅里叶变换透镜3的后焦点位置重合。
电可调透镜2的输入端与计算机的输出端连接，电可调透镜2用于加载随机相位调制函数以高速、连续模拟实现不同焦距的透镜。CCD相机4的输出端与计算机的输入端连接，CCD相机4用于记录多幅编码衍射图案以重建复光场的振幅和相位信息。
物平面0、第一傅里叶变换透镜1、电可调透镜2、第二傅里叶变换透镜3和CCD相机4构成一个4f成像系统。
在4f成像系统中，通过频域电可调透镜2的动态相位调制所记录的编码衍射图案的强度如下：
Figure BDA0002856025310000051
其中，Il表示第l幅编码衍射图案的强度，x表示复光场，F2D(x)表示对复光场x进行二维傅里叶变换，
Figure BDA0002856025310000052
表示二维傅里叶逆变换，
Figure BDA0002856025310000053
表示加载在电可调透镜2上的第l个相位调制函数，l表示序号，L表示总数，
Figure BDA0002856025310000055
表示Hadamard积，e表示4f成像系统噪声。
电可调透镜2的相位调制函数可表示为：
Figure BDA0002856025310000054
其中，
Figure BDA0002856025310000061
表示第l个相位调制函数，fl表示第l个相位调制函数对应的焦距，k＝2π/λ，表示波数，λ表示波长，(ξ,η)表示频域坐标。
如图2所示，物体通过平面光照射，或者物体先经过可选的透镜组/镜头在第一傅里叶变换透镜1的前焦面成像，然后再经过本发明的高速相干成像相机进行动态高速相位调制并多次曝光记录多幅编码衍射图案。
如图3所示，一种基于电可调透镜的高速相干成像相机的相位恢复方法，包括以下步骤：
S1、采用电可调透镜2实现相位的动态高速调制：计算机将随机相位调制函数通过数据线加载到电可调透镜2上，然后对电可调透镜2的焦距f1,f2,…,fL进行高速、连续调整。
S2、通过改变电可调透镜2的焦距参数实现复光场的高速调制，再通过CCD相机4多次曝光获取多幅编码衍射图案I1,I2,…,IL。
S3、计算机利用Wirtinger Flow(WF)算法从多幅编码衍射图案中重建复光场的振幅和相位信息。
WF算法主要由两部分组成，首先通过谱初始化方式来获取较为精确的初始化估计值，然后用一种类似于梯度下降算法的更新规则来迭代更新得到新的估计值，最终重建复光场的振幅和相位信息。
S4、输出复光场的振幅和相位信息：输出步骤S3中利用WF算法重建的振幅和相位信息。
如图4所示，平面波照射经过物平面0(见图4(a))，然后经过傅里叶变换调制复光场，在频域采用电可调透镜2(见图4(b)、(c))来实现相位的动态高速随机调制，再经过傅里叶逆变换调制复光场的振幅和相位，最后复光场的强度图像被CCD相机4获取(见图4(d)),再通过Wirtinger Flow(WF)算法从CCD相机4记录下的多幅编码衍射图案中恢复出复光场的振幅和相位信息(见图4(e))。
综上所述，由于电可调透镜(electronically tunable lens，ETL)具有调焦范围大(+80mm至+200mm)，调制速度快(可达100kHz)，可实现连续、高速调焦等优点，本发明提出了一种基于电可调透镜的高速相干成像相机，该相机能够实现相位的动态高速调制并高速获取多次曝光的编码衍射图案，以用于快速和大尺度场景的相位恢复，并且具有快速、高分辨率、大景深、高灵敏度和低成本等优点。
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 (4)

1.一种基于电可调透镜的高速相干成像相机，其特征在于：包括第一傅里叶变换透镜、电可调透镜、第二傅里叶变换透镜和CCD相机；所述第一傅里叶变换透镜和第二傅里叶变换透镜的焦距相等且主光轴重合，所述第一傅里叶变换透镜的前焦面与物平面重合，后焦面与第二傅里叶变换透镜的前焦面重合；
所述电可调透镜设置在第一傅里叶变换透镜与第二傅里叶变换透镜之间，且其主光轴与第一傅里叶变换透镜和第二傅里叶变换透镜的主光轴重合，所述电可调透镜的中心位置与第一傅里叶变换透镜的后焦点位置重合；
所述CCD相机的成像区域所在平面与第二傅里叶变换透镜的后焦面重合，且所述CCD相机的成像区域的中心位置与第二傅里叶变换透镜的后焦点位置重合；
所述电可调透镜的输入端与计算机的输出端连接，用于加载随机相位调制函数以高速、连续模拟实现不同焦距的透镜，所述CCD相机的输出端与计算机的输入端连接，用于记录多幅编码衍射图案以重建复光场的振幅和相位信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于电可调透镜的高速相干成像相机的相位恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)计算机将随机相位调制函数加载到电可调透镜上，对电可调透镜的焦距进行高速、连续调整；
(2)通过改变电可调透镜的焦距参数实现复光场的高速调制，再通过CCD相机多次曝光获取多幅编码衍射图案；
(3)计算机利用Wirtinger Flow算法从多幅编码衍射图案中重建复光场的振幅和相位信息；
(4)输出复光场的振幅和相位信息。
3.根据权利要求2所述的基于电可调透镜的高速相干成像相机的相位恢复方法，其特征在于，步骤(1)中，所述相位调制函数为：
Figure FDA0002856025300000021
其中，
Figure FDA0002856025300000022
表示第l个相位调制函数，fl表示第l个相位调制函数对应的焦距，k表示波数，ξ、η分别表示频域横坐标和纵坐标。
4.根据权利要求2所述的基于电可调透镜的高速相干成像相机的相位恢复方法，其特征在于，步骤(2)中，所述编码衍射图案的强度为：
Figure FDA0002856025300000023
其中，Il表示第l幅编码衍射图案的强度，x表示复光场，F2D(x)表示对复光场x进行二维傅里叶变换，
Figure FDA0002856025300000026
表示二维傅里叶逆变换，
Figure FDA0002856025300000025
表示加载在电可调透镜上的第l个相位调制函数，l表示序号，L表示总数，
Figure FDA0002856025300000027
表示Hadamard积，e表示噪声。
CN202011547245.8A 2020-12-23 2020-12-23 一种基于电可调透镜的高速相干成像相机及相位恢复方法 Pending CN112702486A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011547245.8A CN112702486A (zh) 2020-12-23 2020-12-23 一种基于电可调透镜的高速相干成像相机及相位恢复方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011547245.8A CN112702486A (zh) 2020-12-23 2020-12-23 一种基于电可调透镜的高速相干成像相机及相位恢复方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112702486A true CN112702486A (zh) 2021-04-23

Family

ID=75509705

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011547245.8A Pending CN112702486A (zh) 2020-12-23 2020-12-23 一种基于电可调透镜的高速相干成像相机及相位恢复方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112702486A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114200664A (zh) * 2021-11-11 2022-03-18 常州北邮新一代信息技术研究院有限公司 基于改进相位差算法的自适应光学系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102865832A (zh) * 2012-09-18 2013-01-09 西安电子科技大学 基于相位恢复的4f镜面检测成像系统及其方法
CN107942523A (zh) * 2017-12-05 2018-04-20 安徽大学 一种基于光强传输测量计算的相位恢复系统

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102865832A (zh) * 2012-09-18 2013-01-09 西安电子科技大学 基于相位恢复的4f镜面检测成像系统及其方法
CN107942523A (zh) * 2017-12-05 2018-04-20 安徽大学 一种基于光强传输测量计算的相位恢复系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王美琴: "基于空间光调制器的实时成像系统与快速相位恢复", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114200664A (zh) * 2021-11-11 2022-03-18 常州北邮新一代信息技术研究院有限公司 基于改进相位差算法的自适应光学系统
CN114200664B (zh) * 2021-11-11 2023-09-05 常州北邮新一代信息技术研究院有限公司 基于改进相位差算法的自适应光学系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109615651B (zh) 基于光场显微系统的三维显微成像方法及系统
CN104159094B (zh) 一种改善光学扫描全息层析成像效果的方法
CN106990694B (zh) 一种部分相干光照明下的非迭代相位恢复装置及方法
CN107121709B (zh) 一种基于压缩感知的对象成像系统及其成像方法
WO2013018024A1 (en) Apparatus and method for quantitative phase tomography through linear scanning with coherent and non-coherent detection
US8129703B2 (en) Intraoral imaging system and method based on conoscopic holography
CN111366557B (zh) 一种基于薄散射介质的相位成像方法
CN105973164B (zh) 一种基于像素偏振片阵列的数字全息显微方法
CN1260052A (zh) 直接一数字全息术,全息干涉测量术,和全息影象
CN110455834B (zh) 基于光强传输方程的x射线单次曝光成像装置及方法
CA2390546A1 (en) System and method for recovering phase information of a wave front
Chang et al. Single‐shot speckle correlation fluorescence microscopy in thick scattering tissue with image reconstruction priors
CN113114882A (zh) 一种高采样效率的傅里叶单像素成像方法
CN114264370B (zh) 一种压缩感知计算层析成像光谱仪系统和成像方法
CN112702486A (zh) 一种基于电可调透镜的高速相干成像相机及相位恢复方法
Brady et al. Coding for compressive focal tomography
US20200057411A1 (en) System and method for reconstruction of holographic lens-free images by multi-depth sparse phase recovery
JP3359918B2 (ja) ホログラムを感知する装置
CN115494005A (zh) 基于红外显微数字全息的半导体缺陷检测装置及方法
CN112666815B (zh) 一种连续太赫兹波无透镜傅里叶变换数字全息成像方法
CN112950731B (zh) 一种单帧强背景干扰下的透散射介质成像方法
Hu et al. Multi-slice ptychographic imaging with multistage coarse-to-fine reconstruction
WO2021191717A1 (en) Single-shot astigmatic phase retrieval laser wavefront sensor and method
Proppe et al. 3d-2d neural nets for phase retrieval in noisy interferometric imaging
Shevkunov et al. CNN-assisted quantitative phase microscopy for biological cell imaging.

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20210423

RJ01 Rejection of invention patent application after publication