CN114374779A - 一种全光场成像相机及其成像方法及全光场成像装置 - Google Patents

一种全光场成像相机及其成像方法及全光场成像装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种全光场成像相机，包括依次排布以构成像面强度信息采集系统的成像组件和二维阵列探测器，依次排布以构成空间傅里叶频谱强度信息采集系统的成像组件、傅里叶变换透镜和二维阵列探测器，以及与探测器通信连接的运算处理器；成像组件接收来自待测物体的照明光并形成成像光，成像光在探测器的探测面上成像以形成第一像面，成像光在傅里叶变换透镜的前方成像以形成第二像面，并在傅里叶变换透镜的后方的焦平面上的探测器的探测面上形成空间傅里叶频谱强度信息面。本发明还提供了相应的成像方法及全光场成像装置。本发明的全光场成像相机解决了现有相位成像技术中的采样率要求高，需要重叠获取冗余信息，算法收敛慢等困难。

Description

一种全光场成像相机及其成像方法及全光场成像装置
技术领域
本发明涉及成像领域，更具体的涉及一种全光场成像相机及其成像方法及全光场成像装置。
背景技术
在成像过程中，物体的相位信息相对于物体的强度信息往往起到了更加重要的作用。但在实际成像中，成像探测器只能探测到图像的强度信息，对应的相位信息丢失，使得成像损失了图像中重要的相位信息。为了恢复图像的相位信息，相位成像方法在这些年来有了很多的发展，主要包含以下几类：
第一类方法为相干衍射成像技术(CDI)，该技术通过相干光照明样品，经样品的光衍射到远场，在远场形成该物体的空间傅里叶频谱强度分布，通过采集空间傅里叶频谱强度分布作为约束，通过过采样和傅里叶迭代运算等方法得到物体的振幅与相位信息，实现物体成像。
第二类方法为傅里叶叠层成像技术(FPM)，该技术通过从不同角度照射样品，由显微成像系统收集。每一个角度的光对应一个不同的实像面强度分布，再由这些探测到的重叠实像面强度分布作为约束条件，通过傅里叶迭代运算恢复得到振幅与相位信息，实现物体的成像。
第三类方法为全息成像术，该技术通过引入一束参考光，将通过物体后的衍射光与参考光进行干涉得到全息图，此时干涉条纹的衬度和形状(或位置)信息中分别包含有物的波前振幅和位相的信息，再通过对全息图的波前再现就可以得到物体的振幅与相位信息，实现物体的清晰成像。
由于相位信息在实际图像采集过程中已经丢失，因此在恢复相位过程中必须有额外信息作为约束条件，上述方法虽然都能成功求解相位，从而恢复物体的像。但是各有不同的缺点，其主要体现在以下方面：
1.第一类方法，对于采样要求高，由于只探测到空间傅里叶频谱面的部分信息，不足以求解得到相位信息，需要提高采样来创造冗余的信息量，以此来获得足够约束条件，因此需要过采样，同时容易造成算法不收敛。
2.第二类方法，同样对于信息冗余量有要求，由于只探测到实像面的部分信息，也不足以求解得到相位信息，此类方法为获得足够的约束条件，使每两个相邻角度对应傅里叶空间频谱分布实现一定程度的重叠探测，因此大量信息冗余降低了成像的时间。
3.第三类方法，需要额外引入一束参考光与衍射光干涉，使得光路相对复杂，稳定性要求高，同时在通过全息术求解相位的过程中，会产生共轭像等问题，使得算法无法收敛。
发明内容
本发明的目的是提供一种全光场成像相机及其成像方法及全光场成像装置，从而解决现有相位成像技术中的采样率要求高，需要重叠获取冗余信息，算法收敛慢等困难。
为了实现上述目的，本发明提供一种全光场成像相机，包括沿光路的走向依次排布以构成像面强度信息采集系统的成像组件和第一二维阵列探测器，沿光路的走向依次排布以构成空间傅里叶频谱强度信息采集系统的所述的成像组件、傅里叶变换透镜和第二二维阵列探测器，以及与第一二维阵列探测器和第二二维阵列探测器通信连接的运算处理器；所述成像组件设置为接收来自待测物体的照明光，以提供待测物体的成像光，所述成像光在第一二维阵列探测器的探测面上成像以形成第一像面，所述成像光在傅里叶变换透镜的前方的已知距离的位置处成像以形成第二像面，并在傅里叶变换透镜的后方的焦平面上的第二二维阵列探测器的探测面上形成空间傅里叶频谱面。
优选地，所述成像组件的数量为一个，且所述成像组件和傅里叶变换透镜之间设有分束器，或者所述成像组件的数量为两个，且两个成像组件的前方设有分束器；且第一像面和第二像面的其中一个为所述成像光直接成像形成的，另一个为成像光经所述分束器反射后成像形成的；所述第一二维阵列探测器和第二二维阵列探测器为两个二维阵列探测器，或者为同一个可移动的二维阵列探测器。
优选地，所述第一二维阵列探测器和第二二维阵列探测器为两个不同二维阵列探测器，分别探测第一像面强度信息和空间傅里叶频谱面强度信息，或者为同一个可沿光路移动的二维阵列探测器；这种情况下所述傅里叶变换透镜为可移动的，通过二维阵列探测器的移动以及傅里叶变换透镜的移入移出光路以在像面强度信息采集系统和空间傅里叶频谱强度信息采集系统之间切换。
优选地，所述运算处理器设置为接收所述像面强度信息和空间傅里叶频谱强度信息，并执行如下步骤S1：以所述的像面强度信息和空间傅里叶频谱强度信息作为傅里叶迭代运算的约束条件，通过多次傅里叶迭代运算得到待测物体的振幅空间分布信息与相位空间分布信息，实现全光场成像，所述傅里叶迭代运算的方法包括Gerchberg-Saxton算法、Hybrid input-output算法以及杨顾算法中的一种。
所述成像光在傅里叶变换透镜的前方的焦平面上成像。
另一方面，本发明提供一种全光场成像相机的成像方法，包括：
S1’：提供成像组件，使得照明光照射待测物体后通过成像组件以形成待测物体的成像光，将第一二维阵列探测器的探测面放置于所述成像光成像形成的第一像面，将傅里叶变换透镜放置在与第二像面为已知距离的位置，并将第二二维阵列探测器放置于傅里叶变换透镜的后方的焦平面处；通过第一二维阵列探测器和第二二维阵列探测器，采集得到待测物体的像面强度信息和空间傅里叶频谱强度信息；
S2’：将步骤S1’获取的待测物体的像面强度信息和空间傅里叶频谱强度信息上传至运算处理器，并利用所述运算处理器执行如下步骤S1：以所述的像面强度信息和空间傅里叶频谱强度信息作为傅里叶迭代运算的约束条件，通过多次傅里叶迭代运算得到待测物体的振幅空间分布信息与相位空间分布信息，实现全光场成像。
优选地，所述步骤S1’还包括：所述成像组件的数量为1个，在成像组件和第一二维阵列探测器之间放置分束器，或者所述成像组件的数量为2个，在两个成像组件的前方设置分束器；由此，第一像面为所述成像光直接成像形成的，第二像面为成像光经所述分束器反射后成像形成的。
优选地，所述照明光为相干光或已知相干度的部分相干光，部分相干光满足准单色准则。
另一方面，本发明提供一种基于全光场成像相机的全光场成像装置，包括：在同一光轴上的激光器、待测物体和成像透镜组，以及根据上文所述的全光场成像相机；所述成像透镜组是1个成像物镜，或者1个成像物镜和1个成像透镜，所述待测物体位于成像透镜组的成像物镜的焦平面上。
另一方面，一种基于全光场成像相机的全光场成像装置，包括根据上文所述的全光场成像相机；所述全光场成像装置为显微镜、照相机、或望远和遥感装置，且所述全光场成像相机的成像组件包括与所述显微物镜相配的成像透镜组件、与所述照相机相配的照相透镜组件，或者与望远和遥感装置匹配的望远和遥感成像组件。
本发明提供的全光场成像相机的实现方法和装置，采用像面的强度分布与空间傅里叶频谱强度分布以及透镜变换作为约束条件，通过傅里叶迭代运算获得成像物体振幅与相位，实现全光场成像，与现有相位成像及其装置相比具有以下优点：
现有的相位成像方法往往需要额外信息作为约束条件，无论是过采样还是参考光，以此作为约束条件求解相位。本发明通过两个像面实际探测到的信息，简化了传统方法的光路设计，通过双像面的约束可以获得足够多的信息求解相位，减少采样的要求的同时简化了实验难度。
现有方法由于约束条件信息不足，常常会导致运算结果无法收敛或不能收敛到最优解。本方法用作约束条件的信息都是实际探测到，因此信息更加准确，可使傅里叶迭代运算收敛速度快，收敛更加准确。
因此，本发明全光场成像相机的实现方法和装置具有能够有效得减小探测器的采样要求、简化光路，提升成像信息量等优势。
附图说明
图1为根据本发明的第一实施例的全光场成像相机的结构示意图。
图2为根据本发明的第三实施例的基于全光场成像相机的全光场成像装置的结构示意图，所述全光场成像装置用于对毛玻璃实现全光场成像。
图3为根据本发明的第四实施例的基于全光场成像相机的全光场成像装置的结构示意图，所述全光场成像装置应用在显微成像领域。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
第一实施例全光场成像相机
如图1所示为根据本发明的一个实施例的全光场成像相机的结构示意图。
如图1所示，在本实施例中，所述全光场成像相机包括：沿光路的走向在第一光轴上依次排布的成像组件1、分束器2、第一二维阵列探测器3，沿光路的走向在垂直于第一光轴的第二光轴上依次排布的所述分束器2、焦距为f的傅里叶变换透镜4和第二二维阵列探测器5，以及与第一二维阵列探测器3和第二二维阵列探测器5均通信连接的运算处理器6。
所述成像组件1位于待测物体的下游，设置为接收来自待测物体的照明光，以提供待测物体的成像光，所述成像光在第一二维阵列探测器3的探测面上成像以直接成像形成第一像面7，使得第一二维阵列探测器3的探测面上的光强分布与像面强度分布相对应，由此，光路的走向依次排布的所述成像组件1、第一二维阵列探测器3构成了像面强度信息采集系统，第一二维阵列探测器3采集得到像面强度信息。
其中，照明光可使用相干光照明或已知相干度的部分相干光，部分相干光相干度满足准单色准则，即λ/Δλ＞M(λ为部分相干光的波长，Δλ部分相干光的波长误差范围，M为第一二维阵列探测器3和第二二维阵列探测器5在一个方向上的像素数)。
所述成像光经所述分束器2反射后在傅里叶变换透镜4的前方的焦平面上成像以成像形成第二像面8(即第二像面8与傅里叶变换透镜4的距离为傅里叶变换透镜4的焦距f)，且傅里叶变换透镜4和第二二维阵列探测器5的距离为傅里叶变换透镜4的焦距f，使得第二二维阵列探测器5的探测面上的光强分布与空间傅里叶频谱强度信息分布相对应。在其他实施例中，也可能存在第二像面8与傅里叶变换透镜4之间的距离不为傅里叶变换透镜4的焦距f但已知第二像面8与傅里叶变换透镜4之间距离的情况。由此，沿光路的走向依次排布的所述成像组件1、分束器2、傅里叶变换透镜4和第二二维阵列探测器5构成了空间傅里叶频谱强度信息采集系统，第二二维阵列探测器5采集得到空间傅里叶频谱强度信息。
第一二维阵列探测器3和第二二维阵列探测器5具有感光元件，设置为通过感光元件的光电转化性质，将其探测面上的光强(即光波的振幅的平方信息)转化为电信号，所述探测面上的光强为所述的像面强度信息和空间傅里叶频谱强度信息(体现为具有灰度值的图像)。转化形成的电信号本身无量纲，探测面上的光强本身的单位是W/cm2，因此像面强度信息和空间傅里叶频谱强度信息的单位是W/cm2。具体来说，探测得到的像面强度信息表示为f(x0，y0)，空间傅里叶频谱强度信息表示为F(u0，v0)，其中，x0，y0表示第一二维阵列探测器3的探测面的坐标即实像空间的坐标，u0，v0表示第二二维阵列探测器5的探测面的坐标即空间傅里叶频域的坐标，f(x0，y0)和F(u0，v0)的函数值分别为第一二维阵列探测器3和第二二维阵列探测器5探测到的光强的大小(即光振幅的平方)。
所述的第一二维阵列探测器3和第二二维阵列探测器5可采用高采样率CCD、EMCCD、CMOS或sCMOS。
在本实施例中，第一像面7为所述成像光直接成像形成的，第二像面8为成像光经所述分束器2反射后成像形成的。第一二维阵列探测器3和第二二维阵列探测器5采用两个不同的二维阵列探测器，以通过两个二维阵列探测器分别得到像面强度信息和空间傅里叶频谱强度信息。
在其他实施例中，第一像面7和第二像面8的其中一个为所述成像光直接成像形成的，另一个为成像光经所述分束器2反射后成像形成的，第一像面7和第二像面8为表示同样信息但位于不同位置的像面。第二像面8处的成像光经傅里叶变换透镜4变换后形成空间傅里叶频谱面。第一二维阵列探测器3和第二二维阵列探测器5可以是同一个可移动至不同光路的二维阵列探测器，即，通过同一个二维阵列探测器的位置移动来先后将其作为第一二维阵列探测器3和第二二维阵列探测器5，从而通过同一个二维阵列探测器在作为第一二维阵列探测器3时获得像面强度信息，在作为第二二维阵列探测器5时获得空间傅里叶频谱强度信息。
在另外的实施例中，分束器2可以设置在成像组件1的前方，即分束器2的数量为1个，成像组件1的数量为2个，来自待测物体的照明光经过分束器并分为两路照明光后，第一个成像组件接收其中一路照明光并提供相应的成像光，所述成像光在第一二维阵列探测器的探测面上成像以形成第一像面，第二个成像组件接收另一路照明光并提供相应的成像光，所述成像光在傅里叶变换透镜的前方的已知距离的位置处成像以形成第二像面，并在傅里叶变换透镜的后方的焦平面上的第二二维阵列探测器的探测面上形成空间傅里叶频谱面。此时同样满足：第一像面为所述成像光直接成像形成的，第二像面为成像光经所述分束器反射后成像形成的，第一像面和第二像面为表示同样信息但位于不同位置的像面，第二像面处的成像光经傅里叶变换透镜变换后形成空间傅里叶频谱面。
在另外的实施例中，分束器2可以省略，即第一像面和第二像面均为所述成像光直接成像形成的，为位于同一位置的同一像面；且第一二维阵列探测器和第二二维阵列探测器可以是两个不同的可移入和移出光路的二维阵列探测器，或者是同一个可沿光路移动的二维阵列探测器，这种分束器省略的情况下所述傅里叶变换透镜为可移动的(即可移入和移出光路的)，从而通过不同的二维阵列探测器的移入移出光路或同一个二维阵列探测器沿光路的前后移动以及傅里叶变换透镜的移入移出光路以在像面强度信息采集系统和空间傅里叶频谱强度信息采集系统之间切换。
所述成像组件1，包括但不限于与全光场成像相机外部的显微物镜相配的成像透镜组件，照相透镜组件，以及望远和遥感成像透镜组件等。
所述分束器2，包括但不限于1比1的光分束器，以及其它固定分束比例的光分束器。
所述的傅里叶变换透镜4，可采用在探测光谱范围内的消色差复合透镜，亦可采用无色差的凹面镜和椭球面镜。傅里叶变换透镜4的口径D不会截断像所含空间频谱，其焦距f满足像面与空间傅里叶频谱强度信息面的采样要求，即
Figure BDA0003416156220000081
其中λ为照明光的波长，Δx1为第一二维阵列探测器3的采样间距，Δx2为第二二维阵列探测器5的采样间距，N为采样点数。
所述的运算处理器6可采用计算机或者内置的傅里叶迭代处理器等。
所述运算处理器6设置为接收所述像面强度信息和空间傅里叶频谱强度信息，并执行如下步骤S1：
以所述的像面强度信息和空间傅里叶频谱强度信息作为傅里叶迭代运算的约束条件，通过多次傅里叶迭代运算得到待测物体的振幅空间分布信息与相位空间分布信息，实现全光场成像。
由此，本发明在现有的通过傅里叶迭代运算来恢复得到相位的技术的基础上，通过像面强度信息采集系统和空间傅里叶频谱强度信息采集系统的光路结构来同时提供像面强度信息和空间傅里叶频谱强度信息，进而实现全光场相机。
其中，所得到的全光场成像的成像结果是通过傅里叶迭代运算得到的待测物体的振幅空间分布信息和相位空间分布信息。该成像结果可以表示为波函数，或者表示为具有灰度值的恢复得到的图像，振幅空间分布和相位空间分布体现到恢复得到的图像上是图像上每个像素格的灰度值。
其中，傅里叶迭代运算的方法可具体包括但不限于以下几种傅里叶迭代相位恢复算法：1、Gerchberg-Saxton(GS)算法。2、Hybrid input-output(HIO)算法。3、杨顾(Y-G)算法。具体参见文献【Gerchberg R W，O.A S W.A practical algorithm for thedetermination of phase from image and diffraction plane pictures[J].Optik，1972，35：237-250】、【Fienup J R.Reconstruction of an object from modulus of itsFourier transform[J].Optics Letters，1978，3(1)：27-29】、【杨国桢，顾本源.光学系统中振幅和相位的恢复问题[J].物理学报，1981，30(3)：410-413】。
相应地，傅里叶迭代运算的约束条件的类型包括但不限于强度约束条件，非负约束条件，空间有界约束条件等等。
下面以Gerchberg-Saxton(GS)算法和强度约束条件为例，具体说明步骤S1的具体步骤。
所述步骤S1具体包括：根据探测到的像面强度信息f(x0，y0)和空间傅里叶频谱强度信息F(u0，v0)，进行如下的迭代运算：
步骤S11：将当前迭代轮数k初始化为0，随机赋予探测得到的像面强度分布f(x0，y0)一个迭代轮数为0的像面相位值
Figure BDA0003416156220000091
得到当前迭代轮数的像面强度分布的复数形式
Figure BDA0003416156220000092
步骤S12：对当前迭代轮数的像面强度分布的复数形式
Figure BDA0003416156220000093
进行傅里叶变换得到当前迭代轮数的空间傅里叶频谱转换结果
Figure BDA0003416156220000094
其中，φ(k)为当前迭代轮数的像面相位值的频谱转换结果；
步骤S13：将探测到的空间傅里叶频谱强度信息F(u0，v0)替换该空间傅里叶频谱转换结果
Figure BDA0003416156220000095
的底数部分，得到当前迭代轮数的空间傅里叶频谱分布的复数形式
Figure BDA0003416156220000096
步骤S14：对当前迭代轮数的空间傅里叶频谱分布的复数形式
Figure BDA0003416156220000097
做傅里叶逆变换得到当前迭代轮数的下一阶的像面强度分布转换结果
Figure BDA0003416156220000098
步骤S15：再将探测到的像面强度信息f(x0，y0)替换当前迭代轮数的下一阶的像面强度分布转换结果
Figure BDA0003416156220000099
的底数部分，得到当前迭代轮数的下一阶的像面强度分布的复数形式
Figure BDA00034161562200000910
步骤S16：将当前迭代轮数的下一阶k+1作为新的当前迭代轮数k，重复上述步骤S12到步骤S15，直到算法收敛，此时当前迭代轮数的下一轮的像面强度分布的复数形式
Figure BDA0003416156220000101
与当前迭代轮数的空间傅里叶频谱分布的复数形式
Figure BDA0003416156220000102
为最终恢复得到的实像面的复振幅
Figure BDA0003416156220000103
与空间傅里叶频谱强度信息面的复振幅F(u0，v0)eiφ。
其中，如果第k轮迭代后，当前迭代轮数k及其上一阶的空间傅里叶频谱的复数形式分布满足公式：|F(k)(u0，v0)|＝|F(k-1)(u0，v0)|，则认为算法收敛。
步骤S17：根据最终恢复得到的实像面的复振幅
Figure BDA0003416156220000104
与空间傅里叶频谱强度信息面的复振幅F(u0，v0)eiφ，确定待测物体的振幅空间分布信息与相位空间分布信息。
由此，在本实施例中，本发明在步骤S13利用到探测到的空间傅里叶频谱面的强度作为约束条件；在步骤S15利用到探测到的实像面的强度作为强度约束条件，以两个面的强度信息作为强度约束条件，使运算结果像约束的条件逼近，从而使结果同时满足实像面以及空间傅里叶频谱强度信息面的强度约束，从而可以保证丢失的相位信息被成功计算。
本发明提供的上述步骤S11-步骤S16基于以下的工作原理：
在所述步骤S1中，二维阵列探测器根据采样定理得到待测物体的空间傅里叶频谱强度信息面上的空间傅里叶频谱强度信息，根据采样定理可得：
Figure BDA0003416156220000105
Figure BDA0003416156220000106
其中，u、v代表空间傅里叶频谱强度信息面的坐标；Φ代表空间傅里叶频谱强度信息面的光波的相位信息；Lx，Ly代表x，y方向延伸的实像面区域的尺寸；n、m代表采样的每一个像素格位置，sinc函数是矩形函数的傅立叶变换。
在所述步骤S2中，二维阵列探测器根据采样定理得到待测物体的像面强度信息，根据采样定理可得：
Figure BDA0003416156220000111
Figure BDA0003416156220000112
其中，x、y代表实像面的坐标；
Figure BDA0003416156220000113
代表实像面光波的相位信息；Bx，By代表沿x，y方向延伸的待测物体的最高频率；n、m代表采样的每一个像素格位置，sinc函数是矩形函数的傅立叶变换。
二者通过傅里叶变换可以联立在一起，由已知的n个强度信息作为已知的约束条件，便可以通过上文的步骤S11-步骤S16求解上述两个方程，得到实像面的复振幅
Figure BDA0003416156220000114
与空间傅里叶频谱强度信息面的复振幅F(u0，v0)eiφ，即得到未知的相位信息
Figure BDA0003416156220000115
φ。
第二实施例全光场成像相机的成像方法
基于上文所述的全光场成像相机，所实现的全光场成像相机的成像方法，具体包括：
步骤S1’：提供成像组件1，使得照明光照射待测物体后通过成像组件1以形成待测物体的成像光，将第一二维阵列探测器3的探测面放置于所述成像光成像形成的第一像面7，或将傅里叶变换透镜4放置在与第二像面8为已知距离的位置(例如可以将傅里叶变换透镜4放置以使其前方的焦平面位于所述成像光成像形成的第二像面8上，即傅里叶变换透镜4与第二像面8的距离等于傅里叶变换透镜4的焦距)，并将第二二维阵列探测器5放置于傅里叶变换透镜4的后方的焦平面处；通过第一二维阵列探测器3和第二二维阵列探测器5，采集得到待测物体的像面强度信息和空间傅里叶频谱强度信息。
在本实施例中，所述步骤S1’还包括：所述成像组件1的数量为1个，在成像组件1和第一二维阵列探测器3之间放置分束器2，以使得第一像面7为所述成像光直接成像形成的，第二像面8为成像光经所述分束器2反射后成像形成的，第一像面7和第二像面8为表示同样信息但位于不同位置的像面，第二像面8处的成像光经傅里叶变换透镜变换后形成空间傅里叶频谱面。
在其他实施例中，所述步骤S1’还包括：所述成像组件1的数量为2个，在两个成像组件1的前方设置分束器2，由此，来自待测物体的照明光经过分束器并分为两路照明光后，第一个成像组件接收其中一路照明光并提供相应的成像光，所述成像光在第一二维阵列探测器的探测面上成像以形成第一像面，第二个成像组件接收另一路照明光并提供相应的成像光，所述成像光在傅里叶变换透镜的前方的已知距离的位置处成像以形成第二像面，并在傅里叶变换透镜的后方的焦平面上的第二二维阵列探测器的探测面上形成空间傅里叶频谱面。此时同样满足：第一像面为所述成像光直接成像形成的，第二像面为成像光经所述分束器反射后成像形成的，第一像面和第二像面为表示同样信息但位于不同位置的像面，第二像面处的成像光经傅里叶变换透镜变换后形成空间傅里叶频谱面。
在其他实施例中，分束器2可以省略，即第一像面和第二像面均为所述成像光直接成像形成的，为位于同一位置的同一像面；且第一二维阵列探测器和第二二维阵列探测器可以是两个不同的可移入和移出光路的二维阵列探测器，或者为同一个可沿光路移动的二维阵列探测器，这种分束器省略的情况下所述傅里叶变换透镜为可移动的(即可移入和移出光路的)，从而通过不同的二维阵列探测器的移入移出光路或同一个二维阵列探测器沿光路的前后移动以及傅里叶变换透镜的移入移出光路以在像面强度信息采集系统和空间傅里叶频谱强度信息采集系统之间切换。
步骤S2’：将步骤S1’获取的待测物体的像面强度信息和空间傅里叶频谱强度信息上传至运算处理器6，并利用所述运算处理器6执行如下步骤S1：以所述的像面强度信息和空间傅里叶频谱强度信息作为傅里叶迭代运算的约束条件，通过多次傅里叶迭代运算得到待测物体的振幅空间分布信息与相位空间分布信息，实现全光场成像。
所述步骤S1的具体内容如上文所述。
第三实施例基于全光场成像相机的全光场成像装置
如图2所示为根据本发明的第三实施例的基于全光场成像相机的全光场成像装置，其用于实现全光场成像相机对毛玻璃的全光场成像。如图2所示所述全光场成像装置包括：在同一光轴上依次排布的激光器10、第一聚焦透镜20、待测物体30、放大物镜40和上文所述的全光场成像相机50，第一聚焦透镜20和放大物镜40组成了成像透镜组，两者分别为成像透镜组的成像透镜和成像物镜。待测物体30位于放大物镜40的焦平面上。
由此，激光由激光器10发出后，通过第一聚焦透镜20聚焦后照在待测物体30上，接着由物镜4放大，使其满足探测器采样。其中，所述全光场成像相机50的成像组件1与放大物镜40相配，以满足全光场成像相机50的成像条件，得到毛玻璃样品的振幅与相位信息，实现全光场成像，从而得到毛玻璃的表面形态。
所述待测物体30为透光的物体，在本实施例中，所述待测物体30为毛玻璃。
在本实施例中，激光器10发射的激光的波长为532nm。
在本实施例中，第一聚焦透镜20与待测物体30的距离为聚焦透镜20的焦距，第一聚焦透镜20的焦距可为50mm。
在本实施例中，放大物镜40为10×，0.1NA。
在本实施例中，全光场成像相机50中的成像组件1为成像透镜，成像透镜的焦距满足成像透镜的焦距＝放大物镜的等效焦距×放大倍数，以与放大物镜40相配。在本实施例中，成像组件1的焦距为180mm。
在本实施例中，全光场成像相机50中的傅里叶变换透镜4，其焦距可为100mm。
在本实施例中，全光场成像相机5中的二维阵列探测器均可采用的2048×2048的CMOS阵列探测器，像元尺寸为6.45μm×6.45μm。在其他实施例中像元尺寸也可以是小于等于13.3um的任意数值，以满足采样定理的计算公式
Figure BDA0003416156220000131
其中NA为透镜数值孔径，λ为照明光的光波长，Mag为透镜放大倍数，Δx为采样尺寸，其必须大于像元尺寸。并且二维阵列探测器的采样需满足频域采样定理，即
Figure BDA0003416156220000132
其中，Δxf为采样间距的大小，具体为探测器每一个像素格的大小，λ为照明光的波长，f为透镜焦距，s为像面区域大小尺寸。
在本实施例中，利用放大物镜40放大的作用在于，基于采样定理，采样频率必须大于信号中最高频率的2倍，采样之后的数字信号才能完整地保留了原始信号中的信息。因此需要对毛玻璃进行放大使得采样更加充分，能够更好的恢复毛玻璃的相位信息。
本发明的基于全光场成像相机的全光场成像装置相较于传统的测量毛玻璃粗糙表面的方法，如接触式探针探测，干涉法探测等方式，具有不会接触样品，光路实现简单等优势。并且相较于现有的傅里叶叠层成像技术或者相干衍射成像技术，不需要使空间傅里叶频谱信息有重叠部分或者通过过采样来获得足够的信息恢复相位，而通过双面成像来得到足够的信息的，从而减少了冗余信息，能够减少所需要的数据，降低实验操作难度。
第四实施例基于全光场成像相机的全光场成像装置
如图3所示为根据本发明第四实施例的基于全光场成像相机的全光场成像装置，其应用在显微成像领域的成像。如图3所示，所述基于全光场成像相机的全光场成像装置包括：位于同一光轴上的激光器10’、分束器20’、物镜30’、待测物体40’，以及与所述分束器20’对齐且位于另一光轴上的全光场成像相机50’。在本实施例中，物镜30’构成了成像透镜组中的1个成像物镜，且该成像透镜组只有1个成像透镜。所述待测物体40’位于物镜30’的焦平面上。
由此，激光通过物镜30’聚焦到待测物体40’上，样品产生的散射光由物镜30’收集到上文所述的全光场成像相机50’进行成像，获得样品的振幅跟相位信息，实现显微物体样品的全光场成像。
在本实施例中，激光器10’发射的激光的波长为532nm。
在本实施例中，物镜30’为100×，0.8NA。
在本实施例中，全光场成像相机50’中的成像组件1为成像透镜，成像透镜的焦距满足成像透镜的焦距＝放大物镜的等效焦距×放大倍数，以与放大物镜40相配。在本实施例中，成像组件1的焦距为180mm。
在本实施例中，全光场成像相机50’中的傅里叶变换透镜4，其焦距可为100mm。
在本实施例中，全光场成像相机5中的二维阵列探测器均可采用的2048×2048的CMOS阵列探测器，像元尺寸为6.45μm×6.45μm。在其他实施例中像元尺寸也可以是小于等于13.3um的任意数值，以满足采样定理的计算公式
Figure BDA0003416156220000141
其中NA为透镜数值孔径，λ为照明光的光波长，Mag为透镜放大倍数，Ax为采样尺寸，其必须大于像元尺寸。并且二维阵列探测器的采样需满足频域采样定理，即
Figure BDA0003416156220000142
其中，Axf为采样间距的大小，具体为探测器每一个像素格的大小，λ为照明光的波长，f为透镜焦距，S为像面区域大小尺寸。
在另外的实施例中，基于全光场成像相机的全光场成像装置可以是显微镜、照相机、或望远和遥感装置，其包括上文所述的全光场成像相机。该全光场成像相机的成像组件包括与所述显微物镜相配的成像透镜组件、与所述照相机相配的照相透镜组件，或者与望远和遥感装置匹配的望远和遥感成像组件。
通过本发明的基于全光场成像相机的全光场成像装置实现的显微成像，相较于现有的傅里叶叠层成像技术或者相干衍射成像技术，不需要使空间傅里叶频谱信息有重叠部分或者通过过采样来获得足够的信息恢复相位，而通过双面成像来得到足够的信息的，从而减少了冗余信息，能够减少所需要的数据，降低实验操作难度。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种全光场成像相机，其特征在于，包括沿光路的走向依次排布以构成像面强度信息采集系统的成像组件和第一二维阵列探测器，沿光路的走向依次排布以构成空间傅里叶频谱强度信息采集系统的所述的成像组件、傅里叶变换透镜和第二二维阵列探测器，以及与第一二维阵列探测器和第二二维阵列探测器通信连接的运算处理器；所述成像组件设置为接收来自待测物体的照明光，以提供待测物体的成像光，所述成像光在第一二维阵列探测器的探测面上成像以形成第一像面，所述成像光在傅里叶变换透镜的前方的已知距离的位置处成像以形成第二像面，并在傅里叶变换透镜的后方的焦平面上的第二二维阵列探测器的探测面上形成像的空间傅里叶频谱面。
2.根据权利要求1所述的全光场成像相机，其特征在于，所述成像组件的数量为一个，且所述成像组件和傅里叶变换透镜之间设有分束器，或者所述成像组件的数量为两个，且两个成像组件的前方设有分束器；
且第一像面和第二像面的其中一个为所述成像光直接成像形成的，另一个为成像光经所述分束器反射后成像形成的，第一像面和第二像面为表示同样信息但位于不同位置的像面；第二像面处的成像光经傅里叶变换透镜变换后形成空间傅里叶频谱面。
3.根据权利要求1所述的全光场成像相机，其特征在于，所述第一二维阵列探测器和第二二维阵列探测器为两个不同二维阵列探测器，分别同时探测第一像面强度信息和空间傅里叶频谱面强度信息，或者为同一个可沿光路移动的二维阵列探测器；所述傅里叶变换透镜为可移动的，通过二维阵列探测器的移动以及傅里叶变换透镜的移入移出光路以在像面强度信息采集系统和空间傅里叶频谱强度信息采集系统之间切换。
4.根据权利要求1所述的全光场成像相机，其特征在于，所述运算处理器设置为接收所述像面强度信息和空间傅里叶频谱强度信息，并执行如下步骤S1：以所述的像面强度信息和空间傅里叶频谱强度信息作为傅里叶迭代运算的约束条件，通过多次傅里叶迭代运算得到待测物体的振幅空间分布信息与相位空间分布信息，实现全光场成像，所述傅里叶迭代运算的方法包括Gerchberg-Saxton算法、Hybridinput-output算法以及杨顾算法中的一种。
5.根据权利要求1所述的全光场成像相机，其特征在于，所述成像光在傅里叶变换透镜的前方的焦平面上成像。
6.一种全光场成像相机的成像方法，其特征在于，包括：
步骤S1’：提供成像组件，使得照明光照射待测物体后通过成像组件以形成待测物体的成像光，将第一二维阵列探测器的探测面放置于所述成像光成像形成的第一像面，将傅里叶变换透镜放置在与第二像面为已知距离的位置，并将第二二维阵列探测器放置于傅里叶变换透镜的后方的焦平面处；通过第一二维阵列探测器和第二二维阵列探测器，采集得到待测物体的像面强度信息和空间傅里叶频谱强度信息；
步骤S2’：将步骤S1’获取的待测物体的像面强度信息和空间傅里叶频谱强度信息上传至运算处理器，并利用所述运算处理器执行如下步骤S1：以所述的像面强度信息和空间傅里叶频谱强度信息作为傅里叶迭代运算的约束条件，通过多次傅里叶迭代运算得到待测物体的振幅空间分布信息与相位空间分布信息，实现全光场成像。
7.根据权利要求6所述的全光场成像相机的成像方法，其特征在于，所述步骤S1’还包括：所述成像组件的数量为1个，在成像组件和第一二维阵列探测器之间放置分束器，或者所述成像组件的数量为2个，在两个成像组件的前方设置分束器；由此，第一像面为所述成像光直接成像形成的，第二像面为成像光经所述分束器反射后成像形成的。
8.根据权利要求6所述的全光场成像相机的成像方法，其特征在于，所述照明光为相干光或已知相干度的部分相干光，部分相干光满足准单色准则。
9.一种基于全光场成像相机的全光场成像装置，其特征在于，包括：在同一光轴上的激光器、待测物体和成像透镜组，以及根据权利要求1-5之一所述的全光场成像相机；所述成像透镜组是1个成像物镜或者1个成像物镜和1个成像透镜，所述待测物体位于成像透镜组的成像物镜的焦平面上。
10.一种基于全光场成像相机的全光场成像装置，其特征在于，包括根据权利要求1-5之一所述的全光场成像相机；
所述全光场成像装置为显微镜、照相机、或望远和遥感装置，且所述全光场成像相机的成像组件包括与所述显微物镜相配的成像透镜组件、与所述照相机相配的照相透镜组件，或者与望远和遥感装置匹配的望远和遥感成像组件。
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