CN114486812A - 一种复振幅成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学相位恢复及相位测量技术领域，具体而言，涉及一种复振幅成像方法及系统。包括：使用单色光或准单色光照明待测样品，产生含有待测物体信息的复振幅波前；利用分光棱镜将复振幅波前均分为两路，一路直接由相机记录强度，另一路由调制相位板调制、衍射一段距离后由相机记录强度；将两幅强度图作为强度约束、调制相位板的相位值作为相位约束输入重建算法；迭代重建含有样品信息的复振幅波前。本发明实现了简便紧凑的光路中对复振幅场的充分记录，利用紧凑鲁棒的光路模组，从振幅重建光的复振幅。其最大优点是成像光路紧凑，利用强度响应器件记录重构光的复振幅，可重构缓变的复振幅场。

Description

一种复振幅成像方法及系统

技术领域

本发明属于光学相位恢复及相位测量技术领域，具体而言，涉及一种复振幅成像方法及系统。

背景技术

工作在可见光波段的成像系统直接扩展人眼的视觉能力。可见光具有10¹⁵Hz量级的超高频率，而当前单像素光电探测器件的响应速度为10⁹Hz量级，因此难以使用当前的光电探测器件直接记录可见单色光的相位信息。当前广泛使用的像感器仅能直接记录光的强度信息，光的相位信息完全丢失。在生物研究、工业检测、消费电子等领域，光的相位具有重要应用。目前，虽然通过光的干涉可以定量记录光的相位信息，但需要引入参考光与待测光进行干涉，同时需要搭建复杂的干涉光路，难以兼容现有的成像系统，如光学显微镜等。

除了利用干涉光路求解相位，也可以通过紧凑简单的衍射光路对复振幅进行记录求解。衍射光路无需参考光，可以单独制成相机模组以兼容现有的成像系统。从衍射强度恢复相位的是一个病态问题，需要使用先验信息作为约束，在迭代求解中消除噪声项。在相关技术中，来自德国斯图加特大学的F.Zhang,G.Pedrini和W.Osten提出以随机相位调制待测复振幅，将调制相位作为调制约束，将调制后的复振幅场的衍射强度作为强度约束迭代重构。在该方法中，利用多组相位调制时收敛性较好，但难以记录动态过程。利用单组相位调制时的收敛速度一般，且需要对待测复振幅场另外施加支撑约束，只有相机视场内的部分信息可以被重建，参见F.Zhang,et.al,“Phase retrieval of arbitrary complex-valuedfields through aperture-plane modulation,”Physical Review A 75(4),043805(2007)和F.Zhang,et.al,“Phase retrieval by coherent modulation imaging,”Naturecommunications 7(1),13367(2016).

除了通过改变调制相位的图样对待测复振幅场进行调制约束，还可以通过改变系统的衍射距离、照明波长、成像视场大小等方式，引入其他约束重构复振幅场。

已有技术中，申请号为202110689020.4的中国专利申请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。该方法通过激光源照明二元随机振幅掩膜，生成的的衍射光场照明待测复振幅样品，产生含有待测样品信息的复振幅光场，通过探测器记录复振幅场的光强。通过两次轴向移动二元掩膜，生成三组不同衍射照明光场，记录三组不同的复振幅光强。将三组衍射光强结合特定的相位恢复算法，重构待测样品的复振幅分布。该方法需要多次调制、记录以重构复振幅场，难以被用于测量动态复振幅场。

申请号为202011472190.9的中国专利申请公开了一种考虑折射率差异的三波长相干衍射成像方法。该方法通过三种不同波长的激光照明待测样品。使用成像探测器记录不同波长下的待测样品复振幅的衍射场强度。将三个衍射场强度作为约束信息输入相位恢复算法，重构待测样品的复振幅分布。该方法需要三色激光作为照明器件，成本较高。

专利号为US2012/0179425A1的美国专利公开了一种恢复复振幅相位信息的方法和系统。该方法利用相干光照明衍射受限的已知孔径，利用被已知孔径限制区域后的相干光照明待测样品、产生待测的复振幅场。利用已知的随机相位板对待测复振幅场进行相位调制，产生调制复振幅场。通过探测器记录调制复振幅场的强度信息。结合相位恢复算法，重构待测样品的复振幅分布。该方法只能重建受限孔径中的复振幅场，且所需的迭代计算次数较多。

发明内容

本发明的目的旨在解决已有技术中的问题，基于本发明人对以上问题的理解和认识，如何在一个简便紧凑的衍射光路中高效、充分的记录、求解复振幅场，并制成兼容现有的成像系统的模组，本发明提出了一种复振幅成像方法及系统，基于三约束迭代，重建复振幅场。

为实现上述目的，本发明实施例提出了一种复振幅成像系统，包括：相干光源、扩束镜、空间滤波器、准直透镜、分光棱镜、相位调制板、第一像感器、第二像感器和计算机，待测物体置于所述准直透镜与分光棱镜之间；所述相干光源发出的相干光依次通过扩束镜、空间滤波器和准直透镜后照射到待测物体上，构成照明系统；所述的分光棱镜、相位调制板、第一像感器和计算机依次相连，构成第一数据采集系统；所述的分光棱镜、第二像感器和计算机依次相连，构成第二数据采集系统；所述的计算机通过数据线分别与第一像感器和第二像感器连接，构成数据处理系统。

本发明实施例提出了一种复振幅成像系统，利用一个相机采集衍射强度，利用一个带有调制相位板的辅助相机采集调制后的衍射强度，利用两个调制强度和一个调制相位分布作为约束，对复振幅场进行迭代重建。利用调制相位实现对缓变复振幅场的高效重建。同步两个相机后，可以对待测复振幅信息进行动态采集重构。本发明实施例的复振幅成像系统，光路紧凑，无需机械移动，可制成兼容现有成像设备的全息成像模组。

为实现上述目的，本发明实施例还相应地提出了一种复振幅成像方法，包括：

(1)搭建一个如上所述的复振幅全息成像系统；

(2)获取待重构复振幅场数据；

(3)根据所述待重构复振幅场数据，得到待重构复振幅场。

可选地，所述获取待重构复振幅场数据，包括：

(1)将波长为λ的平面波照射待测物体o，得到第一待重构复振幅场

其中，A_o为待重构复振幅场的振幅值，为待求量；

为待重构复振幅场的相位值，亦为待求量；exp为以自然常数e为底的指数函数；i为虚数的单位；待测物体o所在的平面为待求解平面；

(2)对上述待重构复振幅场u_o经分光镜分束后分别衍射传播至第二像感器和相位调制板的平面上，在该平面上得到第二待重构复振幅场u₁，

其中，第二像感器和相位调制板相对于待测物体o的光学距离相同；将第二像感器和相位调制板所在的平面记为第一约束平面；A₁为第二待重构复振幅场的振幅值，为待求量；

为第二待重构复振幅场的相位值，亦为待求量；

(3)根据所述第二待重构复振幅场的振幅值A₁，计算所述第二待重构复振幅场的强度分布I₁，I₁＝|A₁|²，将I₁记为第一强度约束；

(4)由相位板调制板对所述待测复振幅场u₁进行二元随机调制，得到调制复振幅场u₂，

其中，

为相位调制板的相位分布，该相位分布为已知的0-π随机分布，

为透过率函数，将

记为调制约束，将调制复振幅场u₂所在平面记为第二约束平面；

(5)所述调制复振幅场u₂经衍射距离为z的衍射传播后到达第一像感器，第一像感器记录调制光场传播后的衍射强度I₃，I₃＝|A₃|²，将I₃记为第三强度约束，将第一像感器所在平面记为第三约束平面。

可选地，根据所述待重构复振幅场数据，得到待重构复振幅场，包括：

(1)生成一个随机复振幅场

将

作为待测复振幅场的初始复振幅场；上标为迭代次数，记为k，初始化时，迭代次数为0；

(2)根据所述第一强度分布I₁，计算所述随机复振幅场

的振幅，得到第_k次迭代时的复振幅场

其中，I₁＝|A₁|²；

(3)利用所述调制约束

对所述复振幅场

进行调制，得到调制光场

(4)所述调制光场

经数值传播距离z后到达所述第三约束平面，得到衍射后的调制光场

其中，prop{·}_z表示距离为z的衍射传播；

(5)利用所述第二强度约束，计算所述调制光场

的振幅，得到经第二强度约束后的复振幅场

(6)所述复振幅场

经数值传播距离-z后到达所述第二约束平面，得到复振幅场

对复振幅场

进行解调制，得到更新后的复振幅场

(7)设定相邻两次迭代之间复振幅场的相位或振幅的差值的阈值，计算第k次迭代的复振幅场

与第k次迭代前的复振幅场u₁ ^k间的相位或振幅的差值，当差值小于设定阈值时，迭代结束，将复振幅场

作为复振幅成像输出，当差值大于或等于设定阈值时，返回步骤(2)。

本发明实施例提出的一种复振幅成像方法和系统，以实现在简便紧凑的光路中对复振幅场的充分记录，并利用两个强度约束和一个调制约束对复振幅场进行快速重建，解决传统相机无法响应可见光超高频率并对相位成像的问题。利用紧凑鲁棒的光路模组，从振幅重建光的复振幅。本发明系统的最大优点是成像光路紧凑，利用强度响应器件记录重构光的复振幅，可重构缓变的复振幅场。本发明方法解决了传统相机只能记录强度，无法直接记录相位的问题。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是根据本发明的一个实施例提出的一种复振幅成像系统的光路图。

图2是根据本发明的一个实施例的复振幅成像方法中涉及的重构复振幅场的流程框图。

图3是根据本发明的一个实施例的复振幅成像方法对具有较高空间频率的一般复振幅场的振幅值和相位值的数值模拟。

图4是根据本发明的一个实施例的复振幅成像方法对具有较低空间频率的缓变复振幅场的振幅值和相位值的数值模拟。

图1中，1是相干光源，2是扩束镜，3是空间滤波器，4是准直透镜，5是待测复振幅物体，6为分光棱镜，7为调制相位板，8为第一像感器，9为第二像感器，10为计算机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是根据本发明一个实施例的示出的复振幅成像系统。

如图1所示，所述复振幅成像系统包括：相干光源1、扩束镜2、空间滤波器3、准直透镜4、分光棱镜6、相位调制板7、第一像感器8、第二像感器9和计算机10，待测物体5置于所述准直透镜4与分光棱镜6之间；所述相干光源1发出的相干光依次通过扩束镜2、空间滤波器3和准直透镜4后照射到待测物体5上，构成照明系统；所述的分光棱镜6、相位调制板7、第一像感器8和计算机10依次相连，构成第一数据采集系统；所述的分光棱镜6、第二像感器9和计算机10依次相连，构成第二数据采集系统；所述的计算机10通过数据线分别与第一像感器8和第二像感器9连接，构成数据处理系统。

本发明的实施例中，1为照明模块的相干光源，基本方案选用了可调功率的激光光源。该光源具有良好的时间相干性和空间相干性，可以产生明显的衍射条纹。由于其照明功率可调谐，可以照明具有不同吸收特性的物体。扩束镜2、空间滤波器3和准直透镜4共同组成准直系统。2为扩束透镜，可以将激光光线汇聚后扩束。3为空间滤波器，置于扩束透镜的频谱面上进行空间滤波，滤除噪声。4为准直透镜，可以将滤波、扩束后得到的球面波准直为平面波。5为待测物体，本发明实施例中的待测物体5为有一定透过率的复振幅物体。分光棱镜6、相位调制板7、第一像感器8和第二像感器9共同组成复振幅全息成像模块。其中分光棱镜6为50:50的分光镜，其可将一束光均分为两束。7为调制相位板，其为已知的0-π随机分布的二元随机相位板，光学厚度匹配系统照明波长。89为像感器，经计算机10控制同步后可同时采集衍射光场的强度。相位板7与像感器9相对于待测物体的光学距离相同，即相位板7与像感器9共平面。像感器8距相位板7的光学距离为z，z大于0mm。

本发明一个实施例的复振幅成像系统中，也可以使用经过扩束、滤波、准直后的平面波作为照明光。除此之外，也可使用具有一定相干性的单色LED作为光源，采用准直后的平面波或者有一定曲率的准平面波作为照明。

本发明一个实施例的复振幅成像系统中，调制相位板7与第二像感器9相对于物体的光学距离相同。除此之外，调制相位板7与第二像感器9相对于物体的光学距离也可以不同，即二者在光轴上相距一定距离。在重建过程中，只需要通过数值传播计算两平面的光场。

本发明一个实施例的复振幅成像系统中，采用的调制相位板具有二元随机相位分布，也可为规则的二元或灰度相位分布，如涡旋相位等。

本发明一个实施例的复振幅成像系统中，采用的调制相位板为相位型器件，亦可采用对随机强度调制器件。然而，此时采集到的待测物体信息可能会减少，强度约束数据不充分，迭代重建可能会受影响。

本发明一个实施例的复振幅成像系统中，采用的分光器件为50:50的分光镜，根据样品特性和调制相位板透过率，控制两路光强，也可采用其他比例的分光镜，如30:70的分光镜。

与已有的申请号为202110689020.4的中国专利相比，本发明实施例的复振幅成像系统中无需移动像感器或调制相位板，采用两个固定的像感器和一个调制相位板，即可对动态的待测复振幅场进行实时采集。与已有的申请号为202011472190.9的中国专利相比，本发明实施例的复振幅成像系统中无需昂贵的三色激光器或对三个波段的激光进行合束，亦无需限定使用彩色像感器采集强度数据。本复振幅成像系统中可在一个单色波长下工作，可使用彩色或单色像感器采集强度数据。

相应地，本发明的一个实施例中，提出了一种复振幅成像方法，包括：

在步骤1中，搭建一个图1所示的复振幅全息成像系统；

在步骤2中，获取待重构复振幅场数据。

在一个实施例中，所述获取待重构复振幅场数据，包括：

(1)将波长为λ的平面波照射待测物体o，得到第一待重构复振幅场

其中，A_o为待重构复振幅场的振幅值，为待求量；

为待重构复振幅场的相位值，亦为待求量；exp为以自然常数e为底的指数函数；i为虚数的单位；待测物体o所在的平面为待求解平面；

(2)对上述待重构复振幅场u_o经分光镜6分束后分别衍射传播至第二像感器9和相位调制板7的平面上，在该平面上得到第二待重构复振幅场u₁，

其中，第二像感器9和相位调制板7相对于待测物体o的光学距离相同；将第二像感器9和相位调制板7所在的平面记为第一约束平面；A₁为第二待重构复振幅场的振幅值，为待求量；

为第二待重构复振幅场的相位值，亦为待求量；

(3)根据所述第二待重构复振幅场的振幅值A₁，计算所述第二待重构复振幅场的强度分布I₁，I₁＝|A₁|²，将I₁记为第一强度约束；

(4)由相位板调制板7对所述待测复振幅场u₁进行二元随机调制，得到调制复振幅场u₂，

其中，

为相位调制板7的相位分布，该相位分布为已知的0-π随机分布，

为透过率函数，将

记为调制约束，将调制复振幅场u₂所在平面记为第二约束平面；

(5)所述调制复振幅场u₂经衍射距离为z的衍射传播后到达像感器8，像感器8记录调制光场传播后的衍射强度I₃，I₃＝|A₃|²，将I₃记为第三强度约束，将像感器8所在平面记为第三约束平面。

在步骤3中，根据所述待重构复振幅场数据，得到待重构复振幅场。

在一个实施例中，根据所述待重构复振幅场数据，得到待重构复振幅场，其流程框图如图2所示。包括：

(1)生成一个随机复振幅场

将

作为待测复振幅场的初始复振幅场；上标为迭代次数，记为k，初始化时，迭代次数为0；

(2)根据所述第一强度分布I₁，计算所述随机复振幅场

的振幅，得到第_k次迭代时的复振幅场

其中，I₁＝|A₁|²；

(3)利用所述调制约束

对所述复振幅场

进行调制，得到调制光场

(4)所述调制光场

经数值传播距离z后到达所述第三约束平面，得到衍射后的调制光场

其中，prop{·}_z表示距离为z的衍射传播；

(5)利用所述第二强度约束，计算所述调制光场

的振幅，得到经第二强度约束后的复振幅场

(6)所述复振幅场

经数值传播距离-z后到达所述第二约束平面，得到复振幅场

对复振幅场

进行解调制，得到更新后的复振幅场

(7)设定相邻两次迭代之间复振幅场的相位或振幅的差值的阈值，计算第k次迭代的复振幅场

与第k次迭代前的复振幅场u₁ ^k间的相位或振幅的差值，当差值小于设定阈值时，迭代结束，将复振幅场

作为复振幅成像输出，当差值大于或等于设定阈值时，返回步骤(2)。

本发明的一个实施例中，收敛条件也可以是根据迭代次数设定，例如，设定最大迭代次数为K，将当前迭代次数k与最大迭代次数为K相比较，当前迭代次数k与最大迭代次数K相等时，结束迭代。

本发明实施例提出的复振幅成像方法，实现了在简便紧凑的光路中对复振幅场的充分记录，并利用两个强度约束和一个调制约束对复振幅场进行快速重建，解决传统相机无法响应可见光超高频率并对相位成像的问题。相较于基于无调制衍射图重建的传统方法，本方法采用调制相位作为调制约束，可以对缓变、无明显边界的复振幅进行准确重构。与专利号为US2012/0179425A1的美国专利相比，本方法无需待测平面的先验信息，亦无需对待测复振幅进行任何约束。本方法引入辅助像感器，采集待重建平面的强度信息作为强度约束，提高了重建的收敛性与鲁棒性。本方法的成像模组可以兼容已有的光学成像设备，如生物显微镜。在相干光照明下，可对多种物体进行复振幅成像。本发明的复振幅成像方法，是一种重构复振幅的全息成像技术，利用本方法可制成全息成像模组。

本发明的实施例中，利用本发明的三约束的复振幅全息成像系统，对两种复振幅场进行了重构。第一种待测复振幅场的强度值为具有丰富细节的自然场景，相位值为具有明显边缘的二值相位，其真值如图3(a)所示，即左一列为待重构复振幅场的真值。经过三约束的复振幅重构计算，其振幅和相位均可准确重构，如图3(b)所示，即图3中的中间一列为本实施例的重构结果。重构结果与真值之间的差值如图3(c)所示，即图3中右一列为重构结果与真值间的误差。对于具有缓变相位且边界不清晰的缓变复振幅场，三约束复振幅全息成像方法也可准确记录重构。待测的缓变复振幅场真值如图4(a)所示。重构结果如图4(b)，重构值与真值之间的差值如图4(c)。

以上所述是本公开的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种复振幅成像系统，其特征在于，包括：相干光源、扩束镜、空间滤波器、准直透镜、分光棱镜、相位调制板、第一像感器、第二像感器和计算机，待测物体置于所述准直透镜与分光棱镜之间；所述相干光源发出的相干光依次通过扩束镜、空间滤波器和准直透镜后照射到待测物体上，构成照明系统；所述的分光棱镜、相位调制板、第一像感器和计算机依次相连，构成第一数据采集系统；所述的分光棱镜、第二像感器和计算机依次相连，构成第二数据采集系统；所述的计算机通过数据线分别与第一像感器和第二像感器连接，构成数据处理系统。

2.一种复振幅成像方法，其特征在于，包括：

(1)搭建一个如权利要求1所述的复振幅全息成像系统；

(2)获取待重构复振幅场数据；

(3)根据所述待重构复振幅场数据，得到待重构复振幅场。

3.如权利要求2所述的复振幅成像方法，其特征在于，所述获取待重构复振幅场数据，包括：

(1)将波长为λ的平面波照射待测物体o，得到第一待重构复振幅场

其中，A_o为待重构复振幅场的振幅值，为待求量；

为待重构复振幅场的相位值，亦为待求量；exp为以自然常数e为底的指数函数；i为虚数的单位；待测物体o所在的平面为待求解平面；

(2)对上述待重构复振幅场u_o经分光镜分束后分别衍射传播至第二像感器和相位调制板的平面上，在该平面上得到第二待重构复振幅场u₁，

其中，第二像感器和相位调制板相对于待测物体o的光学距离相同；将第二像感器和相位调制板所在的平面记为第一约束平面；A₁为第二待重构复振幅场的振幅值，为待求量；

为第二待重构复振幅场的相位值，亦为待求量；

(3)根据所述第二待重构复振幅场的振幅值A₁，计算所述第二待重构复振幅场的强度分布I₁，I₁＝|A₁|²，将I₁记为第一强度约束；

(4)由相位板调制板对所述待测复振幅场u₁进行二元随机调制，得到调制复振幅场u₂，

其中，

为相位调制板的相位分布，该相位分布为已知的0-π随机分布，

为透过率函数，将

记为调制约束，将调制复振幅场u₂所在平面记为第二约束平面；

(5)所述调制复振幅场u₂经衍射距离为z的衍射传播后到达第一像感器，第一像感器记录调制光场传播后的衍射强度I₃，I₃＝|A₃|²，将I₃记为第三强度约束，将第一像感器所在平面记为第三约束平面。

4.如权利要求2所述的复振幅成像方法，其特征在于，根据所述待重构复振幅场数据，得到待重构复振幅场，包括：

(1)生成一个随机复振幅场

将

作为待测复振幅场的初始复振幅场；上标为迭代次数，记为k，初始化时，迭代次数为0；

(2)根据所述第一强度分布I₁，计算所述随机复振幅场

的振幅，得到第_k次迭代时的复振幅场

其中，I₁＝|A₁|²；

(3)利用所述调制约束

对所述复振幅场

进行调制，得到调制光场

(4)所述调制光场

经数值传播距离z后到达所述第三约束平面，得到衍射后的调制光场

其中，prop{·}_z表示距离为z的衍射传播；

(5)利用所述第二强度约束，计算所述调制光场

的振幅，得到经第二强度约束后的复振幅场

(6)所述复振幅场

经数值传播距离-z后到达所述第二约束平面，得到复振幅场

对复振幅场

进行解调制，得到更新后的复振幅场

(7)设定相邻两次迭代之间复振幅场的相位或振幅的差值的阈值，计算第k次迭代的复振幅场

与第k次迭代前的复振幅场u₁ ^k间的相位或振幅的差值，当差值小于设定阈值时，迭代结束，将复振幅场

作为复振幅成像输出，当差值大于或等于设定阈值时，返回步骤(2)。

Images