CN113504202B - 一种基于轴向平移二元振幅掩膜的相干调制成像方法 - Google Patents

一种基于轴向平移二元振幅掩膜的相干调制成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于轴向平移二元振幅掩膜的相干调制成像方法，属于光学相位恢复及相位测量领域。该方法的光学实现系统包括沿轴向依次设置的激光源、二元振幅掩膜、样品、光电探测器；通过将二元振幅掩膜沿轴向方向平移两次，得到三个不同的衍射光场，从而得到三幅衍射图像，然后结合相位恢复算法实现待测样品的准确重构，得到样品的波前分布。本发明方法可以降低实验设备要求，避免复杂的光路系统设计；同时二元振幅掩膜易于加工，且无需进行具体调制分布的预先标定，对于恢复连续分布的复振幅物体具有高收敛速度和高精度的特点，是一种实用而有效的方法。

Description

一种基于轴向平移二元振幅掩膜的相干调制成像方法
技术领域
本发明属于光学相位恢复及相位测量领域，具体涉及一种基于轴向平移二元振幅掩膜的相干调制成像方法，这种方法能通过记录物体的衍射强度来恢复物体的波前信息。
背景技术
相干激光光源照明物体，会产生携带着物体振幅和相位信息的衍射光波，通常这种衍射光波的振幅信息可以被电荷耦合器件、光电传感器等感光设备所直接测量，但是其相位信息却不能被直接测量得到，因此相位恢复技术被提出来用以实现相位信息的准确测量，这是一种无需干涉测量就能重建波前的技术，该技术旨在获取探测过程中丢失的波前，并利用已知的测量强度直接计算波前，大大简化了实验设备，降低了实验成本。目前相位恢复技术已经成功地应用于生物细胞成像、层析成像、超分辨成像等领域。1971年格西博格等人提出了Gerchberg-Saxton(GS)算法，这种算法只需要一个记录平面来进行迭代计算成像，但由于约束条件的不足，容易陷入局部最小，难以得到理想的全局最优解，此外，在传播过程中还存在停滞的问题。为了克服这一缺点，基于相干调制成像的相位恢复算法被提出，多组相位调制或振幅调制被引入测量光路中，用以增强光场约束，以实现高精度高收敛速度的成像。
相干调制成像的方法往往需要数字微镜设备或空间光调制器来实现动态和实时的光场调制，但这类设备的引入并不利于光路系统的小型化和集成化，并且实验成本也随之增加，此外，还需要额外对设备进行参数校正。近年来，相位恢复技术出现了一种采用随机相位板来调制光场的策略，但是这种方法的实现对准确的调制相位分布有着严格的要求，且相位板的制造成本较高，加工复杂，加工成品的相位边缘锐利度往往会因为受限于加工精度而难以提高，影响成像结果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有的相干调制成像方法的实验设备复杂的问题，提出一种实验装置简洁、操作简单、成本低廉、成像精度高、成像速度快的相位恢复方法。
本发明提出的技术方案如下：
一种基于轴向平移二元振幅掩膜的相干调制成像方法，该方法的光学实现系统包括沿轴向依次设置的激光源、二元振幅掩膜、样品、光电探测器，所述激光源发出的激光照射二元振幅掩膜产生调制光场，所述样品在调制光场的作用下发生衍射，所述光电探测器探测并记录衍射图像；其特征在于，将所述二元振幅掩膜沿轴向方向平移两次，得到三个不同的衍射光场，从而得到三幅衍射图像，然后结合相位恢复算法实现待测样品的准确重构，得到样品的波前分布。
具体地，该方法包括以下步骤：
S1.确定二元振幅掩膜的透过率函数m；
S2.确定二元振幅掩膜与样品之间的初始距离z1的取值范围：z1<N*△x2/λ，其中N为有效探测面积的采样点数，△x是有效探测面积的采样间隔，λ是激光波长；
S3.确定样品和探测器的距离z的取值范围：△x*(Lccd+Lmod)/λ＜z<N*△x2/λ，其中Lccd是探测器的轴向长度，Lmod是二元振幅掩膜的轴向长度；
S4.根据步骤S2-S3，选取z1、z的具体取值，使激光照射二元振幅掩膜，产生调制光场来照射样品，并通过光电探测器记录衍射图像I1；
S5.根据二元振幅掩膜与样品之间的初始距离z1，确定二元振幅掩膜的轴向平移间隔d的取值范围：0<d<z1/3；
S6.选取d的具体取值，令二元振幅掩膜轴向平移两次，得到两个不同的调制光场，并通过光电探测器记录对应的衍射图像I2、I3；
S7.根据三个不同的调制光场和对应的衍射图像，利用相位恢复GS算法进行样品的复振幅重构，得到样品的波前分布。
进一步地，所述光电探测器为CCD相机。
本发明的工作原理是：调制光场能够对样品的波前进行相位编码，且不同的调制光场能增加衍射光场的多样性，从而保证了算法的全局收敛。携带了样品波前信息的光场强度最终被CCD相机记录，通过对CCD相机记录得到的衍射强度进行衍射传输计算、解调处理，就可以得到准确的样品波前分布。
本发明的有益效果在于：只需要简单地将二元振幅掩膜沿着平行于光轴的方向移动两次，来产生三个不同的调制光场照射样品，并记录三幅对应的衍射强度图像，就可以结合相位恢复GS算法实现样品的准确重构，得到物体的波前分布。这种方法可以降低实验设备要求，避免复杂的光路系统设计；同时二元振幅掩膜易于加工，且无需进行具体调制分布的预先标定，对于恢复连续分布的复振幅物体具有高收敛速度和高精度的特点，是一种实用而有效的方法。
附图说明
图1为本发明轴向平移二元振幅掩膜的相干调制成像方法原理示意图；
图2为实施例中待测物体的复振幅分布示意图；
图3为实施例中所产生的三个调制光场示意图；
图4为实施例中采集的物体散射光场的振幅分布示意图；
图5为实施例中恢复出的物体复振幅分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例，本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实施例：
图1为本发明轴向平移二元振幅掩膜的相干调制成像方法原理示意图。以恢复如图2所示的待测物体为例来详细阐述实施过程，其中待测物体振幅分布范围为(0-1)，相位分布范围为(0-π)。
(1)利用随机函数产生一个0，1二元矩阵表示二元振幅掩膜的透过率函数m。
(2)根据奈奎斯特采样定理和角谱衍射计算的要求，确定二元振幅掩膜与样品之间的距离z1的取值范围：z1<316mm，确定样品和探测器的距离z的取值范围：5mm＜z<316mm，其中N＝3800；△x＝7.4μm；λ＝658nm；Lccd＝4cm；Lmod＝2cm。
(3)确定二元振幅掩膜的移动间隔d的取值范围：0<d<105mm。
(4)选取z1＝50mm；z1′＝40mm；z1″＝30mm；z＝20mm；d＝10mm。
(5)根据(4)中选取的参数计算得到的二元振幅掩膜所产生的调制光场un如图3所示，n＝1、2、3。
(6)二元振幅掩膜在轴向上三个不同的位置处，采集的样品衍射图像
Figure BDA0003125788240000041
如图4所示。
(7)根据(5)中计算的调制光场un和(6)中采集的衍射图像
Figure BDA0003125788240000042
利用GS算法完成对物体复振幅分布的重构，最终结果如图5所示。
步骤(5)中，二元振幅掩膜在轴向三个不同位置时，调制光场un的计算方式如下：
un＝ifft2{fft2{m}×H(ξ,η)}
Figure BDA0003125788240000051
其中，un代表第n个调制光场，n＝1、2、3，H(ξ,η)表示角谱传递函数，(ξ,η)表示空间频率坐标，ξ表示水平方向的空间频率，η表示垂直方向的空间频率，ifft2代表二维傅里叶逆变化，fft2代表二维傅里叶变化。
图2为实施例中待测物体的复振幅分布示意图，图3为实施例中所产生的三个调制光场示意图；三个调制光场强度变化差异大，有助于加快算法收敛、提高成像精度。
图4为实施例中采集的物体散射光场的振幅分布示意图，图5为实施例中恢复出的物体复振幅分布示意图。恢复的物体振幅和相位与真实的振幅和相位有较高的相似性，可以证明本发明的有效性和实用性。
本发明中，距离参数可以灵活调整，对成像质量的影响不大，因此可以选取多组距离参数进行样品重构。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
以上所述，仅为本发明的一种实施例，并非用以限定本发明的实施范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于轴向平移二元振幅掩膜的相干调制成像方法，该方法的光学实现系统包括沿轴向依次设置的激光源、二元振幅掩膜、样品、光电探测器，所述激光源发出的激光照射二元振幅掩膜产生调制光场，所述样品在调制光场的作用下发生衍射，所述光电探测器探测并记录衍射图像；其特征在于，将所述二元振幅掩膜沿轴向方向平移两次，得到三个不同的衍射光场，从而得到三幅衍射图像，然后结合相位恢复算法实现待测样品的准确重构，得到样品的波前分布；
具体包括以下步骤：
S1.确定二元振幅掩膜的透过率函数m；
S2.确定二元振幅掩膜与样品之间的初始距离z1的取值范围：z1<N*Δx2/λ，其中N为有效探测面积的采样点数，Δx是有效探测面积的采样间隔，λ是激光波长；
S3.确定样品和探测器的距离z的取值范围：Δx*(Lccd+Lmod)/λ<z<N*Δx2/λ，其中Lccd是探测器的轴向长度，Lmod是二元振幅掩膜的轴向长度；
S4.根据步骤S2-S3，选取z1、z的具体取值，使激光照射二元振幅掩膜，产生调制光场来照射样品，并通过光电探测器记录衍射图像I1；
S5.根据二元振幅掩膜与样品之间的初始距离z1，确定二元振幅掩膜的轴向平移间隔d的取值范围：0<d<z1/3；
S6.选取d的具体取值，令二元振幅掩膜轴向平移两次，得到两个不同的调制光场，并通过光电探测器记录对应的衍射图像I2、I3；
S7.根据三个不同的调制光场和对应的衍射图像，利用相位恢复GS算法进行样品的复振幅重构，得到样品的波前分布。
2.如权利要求1所述的一种基于轴向平移二元振幅掩膜的相干调制成像方法，其特征在于，所述光电探测器为CCD相机。
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