CN112731783B - 一种高通量单像素全息成像方法及其系统 - Google Patents

一种高通量单像素全息成像方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高通量单像素全息成像方法，包括：激光源发射激光经过偏光分束器后分为信号光及参考光；信号光经第一调制器调制至第一频率后映射在DMD上直接调制二元强度图案，再通过光学透镜系统直接共轭面映射到样品后进入分束镜；参考光经第二调制器调制至第二频率后由反射镜引导至分束镜；信号光与参考光在分束镜上进行合束干涉，并在干涉中拍频出高速震荡相干信号；合束干涉后的光聚焦到单像素探测器上，并经过数据采集及信号处理单元处理得到完整图像。本发明中通过对信号光及参考光分别进行调制，使其在分束器中干涉且同时产生随时间变化的高速震荡相干信号，即拍频信号，以替代缓慢繁琐的逐步相移测量，提高成像速度。

Description

一种高通量单像素全息成像方法及其系统
技术领域
本发明属于全息成像技术领域，更具体地，涉及一种高通量单像素全息成像方法及其系统。
背景技术
由于使用普通的像素排列二维感光器件如CCD、CMOS相机进行成像，由于它们不能够做到全波段覆盖的探测，在某些波段，这种像素排列二维感光器件性能指标往往不高，或者价格颇为昂贵。而单像素探测器如硅探测器，锗探测器则可以对大范围波段进行覆盖，并且有着带宽高，响应速度快，暗电流噪声低的优点，在采集响应速度方面有着无可比拟的优势，并且感光接收端的成本要相对便宜得多。在1884年，Nipkow团队首次成功进行相类似的单像素测量重构图像。随后单像素成像对于散射介质后的样品恢复，压缩传感重构应用，以及狭窄光探测条件下的样品重构，都相应成功实现，而这些系统都是传统CCD、CMOS相机的探测成像所无法做到的。但由此付出的代价，则是需要在照明测量的光路上加载一系列的掩膜调制来进行解调恢复所要测量的物体。因此，决定目标图像重构的质量好坏，如分辨率以及速度等指标，将会主要取决于结构光照明的调制效率以及重建目标光场的效率上。
但是对于生物组织而言，其不仅有复杂的结构信息，还伴随这一定程度的散射现象，以及低吸收对比度成为了传统显微强度成像的主要难题，不过由于这些生物组织还会伴随这在折射率所导致的累积相位上有着丰富的相位信息，因此可以将复振幅全息成像应用在生物组织的研究成像上；另外复振幅全息成像在适应性光学、波前感应、光学测量、超快光学等领域上也适用。
如果将单像素成像与复振幅全息成像结合，则能将两者优点进行结合，使其更好地在生物组织成像领域应用；在2013年，Clemente团队首次使用电光调制器的空间光调制器(SLM)去对结构光进行相位调制，获得单像素全息成像。另外，中国专利CN103822577B公开了一种单像素太赫兹全息成像装置，包括太赫兹激光源、扩束装置、第一分束镜、调制装置、可调移相器、物光平面镜、参考光平面镜、第二分束镜、会聚透镜、单像素探测器和控制模块；其成像方法为：太赫兹激光源发射的单色太赫兹光由扩束装置转化为束宽更宽的平行光后，经一分束镜分为物光和参考光，物光照射物体后被调制装置在空域上进行编码，参考光经平面镜反射后穿过其光路上的可调移相器，物光经平面镜反射后与参考光在第二分束镜处汇合，并由会聚透镜会聚后进入置于会聚透镜焦点处的单像素探测器，单像素探测器输出的信号被送入控制模块进行图像重构；通过多次改变调制装置上的空间编码和可调移相器上的相位的组合，实现对物体的太赫兹全息压缩感知成像。但是这样的方案其系统较为复杂，需要进行相位调制，且会牺牲单次全息重构的有效成像像素，成像质量不够高，速度不够快，还不能满足具有复杂细节且带有散射性质的生物组织的图像重构。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的至少一个缺陷，提供一种高通量单像素全息成像方法及其系统，其成像有效像素数高、成像质量好、速度快。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种高通量单像素全息成像方法，包括以下步骤：
S1：激光源发射激光经过偏光分束器后分为信号光及参考光；
S2：信号光经第一调制器调制至第一频率后映射在DMD(高速数字微镜阵列)上直接调制二元强度图案，再通过光学透镜系统直接共轭面映射到样品后进入分束镜；参考光经第二调制器调制至第二频率后由反射镜引导至分束镜；
S3：信号光与参考光在分束镜上进行合束干涉，并在干涉中拍频出高速震荡相干信号；
S4：合束干涉后的光聚焦到单像素探测器上，并经过数据采集及信号处理单元处理得到完整图像。
本发明通过分别将信号光及参考光调制至不同频率，不同频率的参考光及信号光在合束干涉时会拍频出特定的高速震荡相干信号，且相干信号自动随时间变化，这样单像素探测器接收到的光束测量得到的光强在不同时间下由于初始相位不同而导致拍频相干发生变化，可以替代缓慢及繁琐的逐步相移测量，提高了成像速度；另外由于信号光及参考光的合束干涉，可以替代DMD的相位调制，使其可以直接对结构光进行二元强度图案调制，且不会牺牲任何像素信息，因此成像有效像素高、质量好、速度快。
优选地，上述的步骤S1中激光在进入偏光分束器之前，还经过半波片调节线偏方向以调节参考光与信号光的光强比例。
优选地，上述的参考光与信号光的光强比例为1:1。这样可以达到最大相干及最高的信噪比效果。
优选地，上述的步骤S2中信号光映射在DMD上时，调整DMD的角度使得映射产生反射式衍射的单缝衍射主极大与多缝干涉极大值重合。这也是因为信号光映射到DMD的准平面波光束将类似于二维闪耀光栅进行反射式衍射，这样经调整后调制效率可以达到最大。
优选地，上述的步骤S2中参考光或信号光频率调制之前，还对参考光或信号光的线偏方向进行偏转。以使信号光与参考光能进行有效最大相干。
优选地，上述的参考光由全反射镜反射后，经过四分之一波片将偏振重新调整为线偏振。
优选地，上述的步骤S4中数据采集为通过数字采集卡进行实时采集。
优选地，上述的DMD的刷新速率、高速震荡信号的频率、数字采集卡的采样率呈整数正比关系。以避免相干计算相位的额外累积误差，且这样DMD刷新的初相位无需额外补偿，进一步简化成像系统与算法复杂度。
本发明还提供一种高通量单像素全息成像系统，包括顺次连接的激光源、第一半波片、第一偏振分束器、第二半波片、第二偏振分束器、第一反射镜、第一调制器、第一光学透镜系统、DMD、第二反射镜、第二光学透镜系统、第三分束器、第三光学透镜系统、单像素探测器、数字采集卡、信号处理器；第二偏振分束器与第三分束器之间还顺次连接有第三半波片、第二调制器、第四光学透镜系统、第三反射镜、四份之一波片；还包括信号波形发生器，信号波形发生器与第一调制器及第二调制器均连接；单像素探测器与数字采集卡、信号处理器通信电连接；第二光学透镜系统与第三分束器之间设置样品。
优选地，上述的第二光学透镜系统为4f光学透镜系统。通过调整4f光学透镜系统的透镜系数，可以对成像的视场范围及分辨率进行调整，从而使其可以在进行大范围的环境成像，也可以高分辨率的全息成像，更加适用于生物组织样品的成像研究。
与现有技术相比，有益效果是：
本发明中通过对信号光及参考光分别进行调制，使其在分束器中干涉且同时产生随时间变化的高速震荡相干信号，即拍频信号，以替代缓慢繁琐的逐步相移测量，提高成像速度；还能替代DMD的相位调制，直接调制二元强度图案，不会牺牲任何像素信息，使得成像有效像素更高、质量更好、速度更快。
附图说明
图1为本发明实施例高通量单像素全息成像方法的流程示意图；
图2为本发明实施例高通量单像素全息成像系统的光路连接示意图；
图3为本发明实施例高通量单像素全息成像系统的第一调频器、第二调频器与信号波形发生器的连接示意图；
图4为本发明实施例高通量单像素全息成像系统的单像素探测器、数字采集卡、信号处理器的连接示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
实施例：
如图1所示为一种高通量单像素全息成像方法的实施例，包括以下步骤：
S1：激光源发射激光经过偏光分束器后分为信号光及参考光；
S2：信号光经第一调制器调制至第一频率50M-31250Hz，之后映射在DMD(高速数字微镜阵列)上直接调制二元强度图案，再通过光学透镜系统直接共轭面映射到样品后进入分束镜；参考光经第二调制器调制至第二频率50M+31250Hz，之后由反射镜引导至分束镜；
S3：信号光与参考光在分束镜上进行合束干涉，并在干涉中拍频出高速震荡相干信号；
S4：合束干涉后的光聚焦到单像素探测器上，并经过数据采集及信号处理单元处理得到完整图像。
值得注意的是，本实施例中信号光及参考光的调制频率仅仅为参考的实施方式，不能理解为对本专利的限定，在具体实施过程中，可将信号光与参考光分别调制至f+Δf1和f+Δf2，其中f激光源发射出的激光的原始频率，Δf1为信号光的调制频率，Δf2为参考光的调制频率，其只要实现信号光与参考光频率不同，以在合束干涉时产生高频震荡信号即可。
其中，第一调制器、第二调制器可采用声光调制晶体或电光调制晶体或其他能够实现光路频率调制的调制装置，这里不做限定。
本实施例中的步骤S1中激光在进入偏光分束器之前，还经过半波片调节线偏方向以调节参考光与信号光的光强比例。
本实施例中的参考光与信号光的光强比例为1:1，这样达到最大相干及最高的信噪比效果。当然本实施例中将光强比例设置为1:1，仅仅是一种参考，在具体实施过程中，可根据不同的需要将光强比例设定为其他值，在这里不做限定。
本实施例中的步骤S2中信号光映射在DMD上时，调整DMD的角度使得映射产生反射式衍射的单缝衍射主极大与多缝干涉极大值重合。这也是因为信号光映射到DMD的准平面波光束将类似于二维闪耀光栅进行反射式衍射，这样经调整后调制效率可以达到最大。
本实施例中的步骤S2中参考光或信号光频率调制之前，还对参考光或信号光的线偏方向进行偏转。以使信号光与参考光能进行有效最大相干。
本实施例中的参考光由全反射镜反射后，经过四分之一波片将偏振重新调整为线偏振。
本实施例中的步骤S4中数据采集为通过数字采集卡进行实时采集。
本实施例中的DMD的刷新速率、高速震荡信号的频率、数字采集卡的采样率呈整数正比关系。以避免相干计算相位的额外累积误差，且这样DMD刷新的初相位无需额外补偿，进一步简化成像系统。当然，即使不是整数正比关系，亦可在相干计算当中加入相位累积误差补偿来顺利恢复图像。本实施例中，仅仅作为最为方便计算的一种参考，可不做严格限定。
如图2至图4所示，本实施例还提供一种高通量单像素全息成像系统，包括顺次连接的激光源1、第一半波片2、第一偏振分束器3、第二半波片4、第二偏振分束器5、第一反射镜6、第一调制器7、第一光学透镜系统8、DMD9、第二反射镜10、第二光学透镜系统11、第三分束器12、第三光学透镜系统12、单像素探测器12、数字采集卡21、信号处理器22；第二偏振分束器5与第三分束器12之间还顺次连接有第三半波片15、第二调制器71、第四光学透镜系统16、第三反射镜17；还包括信号波形发生器72，信号波形发生器72与第一调制器7及第二调制器71均连接；单像素探测器14与数字采集卡21、信号处理器22通信电连接；第二光学透镜系统11与第三分束器12之间设置样品19。
本实施例中的第二光学透镜系统11为4f光学透镜系统。通过调整4f光学透镜系统的透镜系数，可以对成像的视场范围及分辨率进行调整，从而使其可以在进行大范围的环境成像，也可以高分辨率的全息成像，更加适用于生物组织样品的成像研究。
本实施例中还包括与第一偏振分束器连接的吸收装置20，可采用涂黑光挡，以吸收第一偏振分束器3分出的光强，以调节激光的输入光强。防止本实施例中对生物样品照射时，功率过强对样品造成光致损伤。当然，若激光器以考虑适当功率的总光强输入，此处的光强调节可不做限定。
本实施例中的第三反射镜17与第三分束器12之间还是设置有四分之一波片18，以将参考光经第三反射镜17反射后的椭圆偏振变为线偏振。
具体地，由激光源1发射的激光经第一半波片2调节线偏方向后，进入第一偏振分束器3调节光强输出比例，接着依次进入第二半波片4及第二偏振分束器5，将激光分为信号光和参考光；信号光进入第一调制器7，在信号波形发生器72的驱动下调频至f+Δf1，接着由第一光学透镜系统8扩束进入DMD9，DMD9将信号光反射至第二反射镜10，此时信号光为特定图案的准平面波光束，之后经过4f光学透镜系统映射在样品上，再进入第三分束器12；另外的，参考光由第三半波片15调整线偏方向与信号光一致后，再经第二调制器71在信号波形发生器72的驱动下调频至f+Δf2，之后经第四光学透镜系统16及第三反射镜17传导，进入四分之一波片18调整线偏，再进入第三分束器12与信号光合束干涉，合束干涉后的光信号经过第三光学透镜系统13聚焦至单像素探测器14，此时与单像素探测器14通信电连接的数字采集卡21及信号处理器22对光信号处理得到完整图像。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高通量单像素全息成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：激光源发射激光经过偏光分束器后分为信号光及参考光；
S2：信号光经第一调制器调制至第一频率后映射在DMD上直接调制二元强度图案，再通过光学透镜系统直接共轭面映射到样品后进入分束镜；参考光经第二调制器调制至第二频率后由反射镜引导至分束镜；所述第一频率与第二频率的值不相同；
S3：信号光与参考光在分束镜上进行合束干涉，并在干涉中拍频出高速震荡相干信号；
S4：合束干涉后的光聚焦到单像素探测器上，并经过数据采集及信号处理单元处理得到完整图像。
2.根据权利要求1所述的一种高通量单像素全息成像方法，其特征在于，步骤S1中所述激光在进入偏光分束器之前，还经过半波片调节线偏方向以调节参考光与信号光的光强比例。
3.根据权利要求1所述的一种高通量单像素全息成像方法，其特征在于，所述参考光与信号光的光强比例为1:1。
4.根据权利要求2所述的一种高通量单像素全息成像方法，其特征在于，步骤S2中信号光映射在所述DMD上时，调整DMD的角度使得映射产生反射式衍射的单缝衍射主极大与多缝干涉极大值重合。
5.根据权利要求1所述的一种高通量单像素全息成像方法，其特征在于，所述步骤S2中参考光或信号光频率调制之前，还对参考光或信号光的线偏方向进行偏转。
6.根据权利要求1所述的一种高通量单像素全息成像方法，其特征在于，所述参考光由全反射镜反射后，经过四分之一波片将偏振调整为线偏振。
7.根据权利要求1所述的一种高通量单像素全息成像方法，其特征在于，步骤S4中所述数据采集为通过数字采集卡进行实时采集。
8.根据权利要求7所述的一种高通量单像素全息成像方法，其特征在于，所述DMD的刷新速率、所述高速震荡相干信号的频率、所述数字采集卡的采样率呈整数正比关系。
9.一种用于权利要求1至8任一项所述的高通量单像素全息成像方法的系统，其特征在于，包括顺次连接的激光源(1)、第一半波片(2)、第一偏振分束器(3)、第二半波片(4)、第二偏振分束器(5)、第一反射镜(6)、第一调制器(7)、第一光学透镜系统(8)、DMD(9)、第二反射镜(10)、第二光学透镜系统(11)、第三分束器(12)、第三光学透镜系统(13)、单像素探测器(14)、数字采集卡(21)、信号处理器(22)；第二偏振分束器(5)与第三分束器(12)之间还顺次连接有第三半波片(15)、第二调制器(71)、第四光学透镜系统(16)、第三反射镜(17)；还包括信号波形发生器(72)，所述信号波形发生器(72)与所述第一调制器(7)及第二调制器(71)均连接；所述单像素探测器(14)与所述数字采集卡(21)、信号处理器(22)通信电连接；第二光学透镜系统(11)与第三分束器(12)之间设置样品(19)。
10.根据权利要求9所述的一种高通量单像素全息成像方法的系统，其特征在于，所述第二光学透镜系统(11)为4f光学透镜系统。
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