CN113566984B - 基于傅里叶频谱消除的扩展物体波前传感装置及方法 - Google Patents

基于傅里叶频谱消除的扩展物体波前传感装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于傅里叶频谱消除的扩展物体波前传感装置及方法。该装置包括场镜、准直透镜、微透镜阵列和CCD相机，微透镜阵列由多个呈阵列式排布的微透镜组成，场镜位于准直透镜的前焦面上，微透镜阵列位于准直透镜之后并紧贴准直透镜，CCD相机位于微透镜阵列的后焦面上。本发明通过使用场镜确保每一个微透镜收集到的物体的信息完全一致，进而使CCD相机记录的每一个子像包含的扩展物体的傅里叶频谱都完全相同，在频域中，通过消除扩展物体的傅里叶频谱操作，完全消除扩展物体，从而重构出每个微透镜的光学传递函数和点扩散函数，进而计算重构点扩散函数的重心偏移，最后通过点光源夏克‑哈特曼波前重构算法重构出入射畸变波前。

Description

基于傅里叶频谱消除的扩展物体波前传感装置及方法
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种新型波前传感器，具体涉及通过在频域消除扩展物体傅里叶频谱的方法实现针对扩展物体的波前传感及其波前重构方法。
背景技术
波前传感技术是光学技术领域一个十分重要的研究方向，也是自适应光学领域的一项核心关键技术。在自适应光学系统中，波前传感器需要实时、精确地测量入射光场的波前信息，并以此为依据，通过波前校正器实时校正入射光场的畸变波前，实现高分辨成像。因此，波前传感技术在天文观测、显微成像，以及实时监控等领域都有重要的应用价值。
目前，自适应光学中常用的波前传感器有夏克-哈特曼波前传感器、曲率传感器、剪切干涉仪。这三种波前传感器基本都只适用于点光源情况下的波前传感，例如天文中的自然导星。但是，在大多数情况下，需要成像观测的物体都属于扩展物体，并非点光源。针对波前传感中缺乏点光源的问题，现有解决方案大多采用人造点光源进行波前传感。例如，在夜天文观测中，通过向天空发射激光产生人造激光导星作为点光源进行波前传感，解决自然导星天空覆盖率低的问题。激光导星的缺点是需要增加激光发射系统，从而使整个光学系统变得复杂且成本高昂。在显微成像中，生物样本中通常也没有可以作为点光源的结构，现有解决方案为在样品中植入荧光珠，通过激发荧光珠发光产生点光源，从而进行波前传感。荧光珠作为点光源进行波前传感的缺点是在于激发荧光珠发光的光学系统和用于成像的光学系统需工作在不同的波段，极大地增加了系统的复杂度，而且样本制作复杂，无法应用于活体样本观测。人眼视网膜也不存在适合作为点光源的结构，只能通过聚焦窄激光束在视网膜上形成点光源，实现波前传感，这样做的缺点是容易对视网膜造成永久性损伤。上述人为引入的点光源，虽然在一定程度上解决了波前传感中的困境，但是会增加光学系统的复杂性和经济成本，更重要的是在很多应用场合中无法引入人造点光源，这些问题极大地限制了自适应光学的广泛应用。
直接对扩展物体进行波前传感，其难点在于波前传感器无法区分扩展物体结构引起的波前和系统真正需要测量的波前。目前，虽然采用相关或相位相关算法的夏克-哈特曼传感器，可以通过图像相关运算获得入射波前的局部倾斜，实现波前传感，但是这种方法只在某些特定的场所有所应用，例如太阳颗粒结构，不具备通用性，而且传感精度有限。因此，对于扩展物体情况下，通用性好、测量精度高的波前传感器是自适应光学领域亟需的波前传感技术。
发明内容
为了突破扩展物体波前传感中存在的瓶颈，本发明的目的是提供一种普适的新型扩展物体波前传感器。该波前传感器应具备使用方便、实时性好、精度高、通用性强的特点，可以拓展自适应光学的应用范围，例如显微成像、远距离监控等需要克服波前畸变实现高分辨成像的领域。本发明还将提供该新型扩展物体波前传感器的波前重构方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
基于傅里叶频谱消除的扩展物体波前传感装置，包括场镜、准直透镜、微透镜阵列和CCD相机，所述微透镜阵由多个呈阵列式排布的微透镜组成，所述的场镜位于准直透镜的前焦面上，所述微透镜阵列位于准直透镜之后并紧贴准直透镜，所述CCD相机位于微透镜阵列的后焦面上。
进一步的，所述传感装置直接对扩展物体进行波前传感。
进一步的，每一个所述微透镜收集到的物体的信息一致，且所述CCD相机记录的每一个子像包含的扩展物体的傅里叶频谱都完全相同。
进一步的，通过在频域中消除扩展物体的傅里叶频谱信息，重构出每个所述微透镜的点扩散函数，即可针对扩展物体进行波前传感。
所述基于傅里叶频谱消除的扩展物体波前传感装置的波前重构方法，通过使用场镜确保每一个微透镜收集到的物体的信息完全一致，进而使CCD相机记录的每一个子像包含的扩展物体的傅里叶频谱都完全相同，在频域中，通过消除扩展物体的傅里叶频谱操作，完全消除扩展物体，从而重构出每个微透镜的光学传递函数和点扩散函数，进而计算重构点扩散函数的重心偏移，最后通过点光源夏克-哈特曼波前重构算法重构出入射畸变波前。
进一步的，所述消除扩展物体的傅里叶频谱操作为：
子像的在频域中表示为：
Im,n(fx,fy)＝O(fx,fy)Hm,n(fx,fy)
其中，m和n表示微透镜所处行和列的序号，Im,n(fx,fy)表示对应微透镜子像的傅里叶变换，O(fx,fy)表示物体的傅里叶频谱，Hm,n(fx,fy)表示对应微透镜的光学传递函数；对应的微透镜的光学传递函数重构为：
Figure BDA0003179560320000031
其中，H′m,n(fx,fy)表示重构的光学传递函数，P表示对应微透镜的孔径函数，
Figure BDA0003179560320000032
表示相关操作，
Figure BDA0003179560320000033
表示理想情况下微透镜的光学传递函数，arg表示取相位操作，Ir为中心微透镜对应子像的傅里叶变换，Δ为0.01～0.0001之间的的常数。
进一步的，该方法具体包括如下步骤：
第一步，通过CCD相机获取扩展物体图像阵列，并进行预处理操作；
第二步，根据预处理结果，对图像阵列进行分割，获取每一个微透镜对应的扩展物体的图像分布；
第三步，对每一个分割出来的图像进行傅里叶变换，并除以中心微透镜所对应图像的傅里叶变换，重建每一个微透镜的光学传递函数；
第四步，对重建的每一个微透镜的光学传递函数进行傅里叶逆变换，重构每一个微透镜的点扩散函数；
第五步，提取每个微透镜点扩散函数的质心相对于理想参考点的质心偏移，采用点光源夏克-哈特曼传感器波前重建算法重构入射畸变波前。
和现有的扩展物体波前传感技术相比，本发明主要有如下几个优点：
(1)本发明波前传感精度高。本发明通过在频域中消除扩展物体的傅里叶频谱，重构出微透镜的点扩散函数，实现了将扩展物体的波前传感转变为点光源的波前传感。因此，本发明的波前传感精度和点光源波前传感精度相当，高于基于相关算法和相位相关算法的夏克-哈特曼传感器的精度。
(2)本发明波前传感实时性好。本发明针需要对每一个微透镜对应的子图像做快速傅里叶变换，但是由于每个子图像像素数都不大，并且可以采用快速傅里叶变换算法，因此，本发明可以满足实时性要求。
(3)本发明通用性好，应用范围广。本发明的理论基础是在频域中消除扩展物体的傅里叶频谱信息，因此，对扩展物体的结构没有特殊要求，具有很好的通用性，可以广泛应用于自适应光学中针对各种扩展物体的波前传感环节。
附图说明
图1是基于傅里叶频谱消除的扩展物体波前传感器的原理结构示意图。
图2是基于傅里叶频谱消除的扩展物体波前传感器的理论模拟实例。
图中标记：1为场镜，2为准直透镜，3为微透镜阵列，4为CCD相机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明是一种新型波前传感器，通过在频域消除扩展物体傅里叶频谱的方法实现针对扩展物体的波前传感及其波前重构方法，该波前传感器可以广泛应用于针对不同类型扩展物体的波前传感，可以拓展自适应光学的应用领域，在不同的扩展物体场景下实现高分辨成像。
本实施例基于傅里叶频谱消除的扩展物体波前传感器，参照图1，波前传感器包括场镜1、准直透镜2、微透镜阵列3和CCD相机4，场镜1位于准直透镜2的前焦面上，微透镜阵列3位于准直透镜2之后并紧贴准直透镜，CCD相机4位于微透镜阵列3的后焦面上。
在使用时，按照如下方式组成波前传感器：在同一光轴上，依次放置场镜、准直透镜、微透镜阵列，以及CCD相机。其中，场镜位于准直透镜的前焦面上，微透镜阵列位于准直透镜之后并紧贴准直透镜，CCD相机位于微透镜阵列的后焦面上。
基于上述波前传感器的波前重构方法主要是依据傅里叶光学。傅里叶光学是一种利用空间频率描述光学系统特性的方法，是目前表征光学系统特性、高分辨成像的常用方法。通过使用场镜确保每一个微透镜收集到的物体的信息完全一致，这样CCD相机记录的每一个子像包含的扩展物体的傅里叶频谱都完全相同，在频域中，就可以通过消除扩展物体的傅里叶频谱操作，完全消除扩展物体，从而重构出每个微透镜的光学传递函数和点扩散函数，进而计算重构点扩散函数的重心偏移，最后通过点光源夏克-哈特曼波前重构算法重构出入射畸变波前。
波前重构算法中，消除扩展物体傅里叶频谱的原理如下。
由于场镜的使用，CCD相机记录的每一个子像包含的扩展物体的傅里叶频谱信息都完全一致，子像的在频域中可以表示为
Im,n(fx,fy)＝O(fx,fy)Hm,n(fx,fy)
其中，m和n表示微透镜所处行和列的序号，Im,n(fx,fy)表示对应微透镜子像的傅里叶变换，O(fx,fy)表示物体的傅里叶频谱，Hm,n(fx,fy)表示对应微透镜的光学传递函数。由于每个微透镜所包含的物体的频谱完全一致，所以对应的微透镜的光学传递函数可以重构为
Figure BDA0003179560320000051
其中，H′m,n(fx,fy)表示重构的光学传递函数，P表示对应微透镜的孔径函数，
Figure BDA0003179560320000052
表示相关操作，
Figure BDA0003179560320000053
表示理想情况下微透镜的光学传递函数，arg表示取相位操作，Ir为中心微透镜对应子像的傅里叶变换，Δ为一个很小的常数(0.01～0.0001之间)。可见，重构的光学传递函数消除了扩展物体的傅里叶频谱。对重构的光学传递函数进行傅里叶逆变换，就可以得到对应微透镜的点扩散函数，这样扩展物体的波前传感就转化为点光源的波前传感，采用常用的点光源夏克-哈特曼传感器波前重建算法就可以重构出入射波前。
基于上述波前传感器的波前重构方法具体如下：
第一步，通过CCD相机获取扩展物体图像阵列，并进行去除背景噪声、定位图像中心、确定光斑重建半径等预处理；第二步，根据预处理结果，对图像阵列进行分割，获取每一个微透镜对应的扩展物体的图像分布；第三步，对每一个分割出来的图像进行傅里叶变换，并除以中心微透镜所对应图像的傅里叶变换，重建每一个微透镜的光学传递函数；第四步，对重建的每一个微透镜的光学传递函数进行傅里叶逆变换，重构每一个微透镜的点扩散函数；第五步，提取每个微透镜点扩散函数的质心相对于理想参考点的质心偏移，采用点光源夏克-哈特曼传感器波前重建算法重构入射畸变波前。
图2是基于傅里叶频谱消除的扩展物体波前传感器的理论模拟实例。入射波前表示入射到传感器上的畸变波前，重构波前表示传感器传感的波前，残差表示重构波前与入射畸变波前的差。
目前，针对扩展物体的波前传感器主要是基于相关算法和相位相关算法的夏克-哈特曼传感器。基于夏克-哈特曼传感器的相关算法虽然在一定程度上可以实现针对特定的扩展物体进行波前传感器，如太阳颗粒结构，但是它存在精度不高、适用范围小的问题。本发明通过在频域中消除扩展物体的傅里叶频谱信息，重构出每个微透镜的点扩散函数，实现了针对扩展物体的波前传感。本发明突破了扩展物体波前传感存在的瓶颈，实现了一种快速、通用、高效的扩展物体波前传感技术。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于傅里叶频谱消除的扩展物体波前传感装置，其特征在于，包括场镜(1)、准直透镜(2)、微透镜阵列(3)和CCD相机(4)，所述微透镜阵列(3)包括多个呈阵列式排布的微透镜，所述的场镜(1)位于准直透镜(2)的前焦面上，所述微透镜阵列(3)位于准直透镜(2)之后并紧贴准直透镜(2)，所述CCD相机(4)位于微透镜阵列(3)的后焦面上；每一个所述微透镜收集到的物体的信息一致，且所述CCD相机(4)记录的每一个子像包含的扩展物体的傅里叶频谱都完全相同。
2.根据权利要求1所述的基于傅里叶频谱消除的扩展物体波前传感装置，其特征在于，所述传感装置直接对扩展物体进行波前传感。
3.根据权利要求2所述的基于傅里叶频谱消除的扩展物体波前传感装置，其特征在于，通过在频域中消除扩展物体的傅里叶频谱信息，重构出每个所述微透镜的点扩散函数，即可针对扩展物体进行波前传感。
4.权利要求1至3中任意一项所述的基于傅里叶频谱消除的扩展物体波前传感装置的波前重构方法，其特征在于，通过使用场镜确保每一个微透镜收集到的物体的信息完全一致，进而使CCD相机记录的每一个子像包含的扩展物体的傅里叶频谱都完全相同，在频域中，通过消除扩展物体的傅里叶频谱操作，完全消除扩展物体，从而重构出每个微透镜的光学传递函数和点扩散函数，进而计算重构点扩散函数的重心偏移，最后通过点光源夏克-哈特曼波前重构算法重构出入射畸变波前；具体包括如下步骤：
第一步，通过CCD相机获取扩展物体图像阵列，并进行预处理操作；
第二步，根据预处理结果，对图像阵列进行分割，获取每一个微透镜对应的扩展物体的图像分布；
第三步，对每一个分割出来的图像进行傅里叶变换，并除以中心微透镜所对应图像的傅里叶变换，重建每一个微透镜的光学传递函数；
第四步，对重建的每一个微透镜的光学传递函数进行傅里叶逆变换，重构每一个微透镜的点扩散函数；
第五步，提取每个微透镜点扩散函数的质心相对于理想参考点的质心偏移，采用点光源夏克-哈特曼传感器波前重建算法重构入射畸变波前；
所述消除扩展物体的傅里叶频谱操作为：
子像的在频域中表示为：
Im,n(fx,fy)＝O(fx,fy)Hm,n(fx,fy)
其中，m和n表示微透镜所处行和列的序号，Im,n(fx,fy)表示对应微透镜子像的傅里叶变换，O(fx,fy)表示物体的傅里叶频谱，Hm,n(fx,fy)表示对应微透镜的光学传递函数；对应的微透镜的光学传递函数重构为：
Figure FDA0003720729550000021
其中，H′m,n(fx,fy)表示重构的光学传递函数，P表示对应微透镜的孔径函数，
Figure FDA0003720729550000022
表示相关操作，
Figure FDA0003720729550000023
表示理想情况下微透镜的光学传递函数，arg表示取相位操作，Ir为中心微透镜对应子像的傅里叶变换，Δ为0.01～0.0001之间的常数。
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