CN115053168A - 用于物体的光学成像和测量的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于成像、测量物体和表征样本的系统和方法。一种基于散斑的光学成像系统可以包括照明单元，所述照明单元包括至少一个相干光源以照明样本；收集单元，用于收集来自所述样本的输入光，所述收集单元包括成像光学器件和波前成像传感器；以及控制单元，耦合到所述照明单元和所述收集单元，用于分析所述输入光并生成散斑波前图像，其中所述至少一个相干光源用于在所述样本中或所述样本上生成初级散斑，并且所述成像光学器件用于捕获由所述照明单元在所述样本中或所述样本上引起的次级散斑图案。

Description

用于物体的光学成像和测量的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年1月14日提交的美国临时专利申请62/960,716的优先权，其通过引用并入本文。
技术领域
本发明一般地涉及光学成像和测量，更具体地涉及对象和样本的光学成像，测量和表征，以及人或动物的光学生物测量。
背景技术
基于光学散斑的测量是用于物体和样本的非接触测量的方法。可以测量诸如运动，取向，振动和变形的特性。可以出于多种目的测量多种物体。例如，可以测量物体的机械部件，以便在测试或工作条件的应力下进行监测和表征。
生物测定测量是另一个例子。可以通过对身体的相关部分进行一系列测量而测得心率，血压，呼吸和其它参数。此外，可以通过测量声源(例如，扬声器，人的颈部区域)或由于声音信号而振动的相邻物体的振动而恢复声音信号。
在本领域中需要改进在各种领域中的样本覆盖。在本领域中需要增强各种物体的成像和测量的灵敏度和稳健性。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了用于成像、测量物体和表征样本的系统和方法。
根据本发明的一方面，提供了一种基于散斑的光学成像系统，其包括照明单元，包括至少一个相干光源以照明样本；收集单元，用于收集来自所述样本的输入光，所述收集单元包括成像光学器件和波前成像传感器；以及控制单元，耦合到所述照明单元和所述收集单元，用于分析所述输入光并产生散斑波前图像，其中，所述至少一个相干光源用于在所述样本中或所述样本上生成初级散斑，并且所述成像光学器件用于捕获由所述照明单元在所述样本中或所述样本上引起的次级散斑图案。
根据本发明的实施例，提供了一种基于散斑的光学成像系统，其包括照明单元，包括至少一个相干光源以照明样本；收集单元，用于收集来自所述样本的输入光，所述收集单元包括成像光学器件和波前成像传感器；以及控制单元，耦合到所述照明单元和所述收集单元，用于分析所述输入光并产生散斑波前图像，其中，所述照明单元的出射光瞳的尺寸小于所述成像光学器件的入射光瞳的尺寸，并且其中，所述至少一个相干光源用于在所述样本中或所述样本上生成初级散斑，并且所述成像光学器件用于捕获由所述照明单元在所述样本中或所述样本上引起的次级散斑图案。
根据本发明的实施例，所述控制单元还影响出射光瞳的尺寸和入射光瞳的尺寸以及它们之间的关系中的至少一个。
所述至少一个相干光源具有时间相干长度，所述时间相干长度大于(1)所述样本的光学漫射长度和(2)所述样本的表面粗糙度中的至少一个。
所述相干光源具有空间相干长度；所述收集单元具有点扩展函数的空间相干长度；并且当投射到所述样本上时，所述相干光源的所述空间相干长度大于通过成像光学器件投射到所述样本上的收集单元的点扩展函数的所述空间相干长度。
选择所述照明单元的光学特性和所述收集单元的光学特性，以对于在所述样本上待成像的每个点，从所述样本上的任意点看，由所述收集单元的光学孔径对向的角度大于从所述样本上的同一点看，由所述照明单元的光学孔径对向的角度。
所述照明单元具有对向照明角度的照明孔径，并且所述收集单元具有对向收集角度的收集孔径，并且，其中，所述控制单元还耦合到所述照明单元以影响照明条件，且还影响收集条件，以对于在所述样本上待成像的每个点，从所述样本上的任意点看时的所述收集角度大于从所述样本上的同一点看时的所述照明角度。
所述收集单元用于测量指示散斑强度、散斑波前和散斑相干性中的至少一个的数据。
所述照明单元还包括非相干光源，并且所述控制单元响应于非相干照明而生成光场图像。
所述控制单元操作所述照明单元以选择性地提供相干光和非相干光。
所述照明单元还包括非相干光源，并且其中，所述控制单元用于操作所述照明单元的孔径，使得非相干照明的空间相干长度比所述收集单元的所述成像光学器件的空间相干长度短。
波前成像传感器可以是包括以下的组中的一个：全光相机；光场相机；夏克-哈特曼波前传感器；以及相干相机波前传感器，包括具有多个相似单位单元的编码器，以及传感器单元阵列，所述传感器单元阵列相对于输入光通过所述波前成像传感器的一般传播方向位于所述单位单元的下游一定距离处，其中，所述传感器单元阵列限定多个子阵列单位单元，每个子阵列对应于所述编码器的所述多个单位单元中的一单位单元，并且每个子阵列包括预定数量M的传感器元件，并且其中编码器将对输入光应用预定调制，使得所述编码器的每个单位单元将入射到其上的输入光的一部分引导到与其对应的子阵列单位单元和预定邻近区域内的一个或多个相邻子阵列单位单元上，并且其中所述预定数量M根据预定邻近区域内的子阵列单位单元的预定数量来确定。
所述照明单元提供由相干光、部分相干光和非相干光组成的组中的至少一个光。所述照明单元还提供作为一组变化的光学特性的光，所述光学特性来自由选定的波长范围、选定的时间相干范围、选定的照明方向组成的组。所述控制单元用于生成由强度映射、波前映射和相干映射组成的组中的一个或多个。
根据本发明的一方面，提供了一种成像方法，包括：用相干光照射样本；通过由成像光学器件和波前成像传感器组成的收集单元捕获来自所述样本的输入光；以及通过耦合到所述收集单元的控制单元，分析所述输入光并生成散斑波前图像；其中所述至少一个相干光源用于在所述样本中或所述样本上生成初级散斑，并且所述成像光学器件用于捕获由所述照明单元在所述样本中或所述样本上引起的次级散斑图案。所述照明单元的出射光瞳的尺寸可以小于所述成像光学器件的入射光瞳的尺寸。所述控制单元可以影响出射光瞳的尺寸和入射光瞳的尺寸以及它们之间的关系中的至少一个。
所述方法可以包括捕获和分析来自所述样本的至少一个附加输入光并生成至少一个附加散斑波前图像，以及基于所述散斑波前图像和所述至少一个附加散斑波前图像计算样本变形。
通过确定一对或多对散斑波前图像之间的局部倾斜的变化来执行计算样本变形的操作。
所述方法可以包括计算时空变形映射的时间序列。
所述方法可以包括由以下组成的组中的至少一步：分析时空形变映射的所述时间序列，并提取实所述样本中的特定的感兴趣区域；分析时空形变映射的所述时间序列，并区分所述样本与样本环境；分析时空形变映射的所述时间序列，并区分所述样本的整体运动与局部形变或振动；分析时空形变映射的所述时间序列，并执行空间分割；分析时空形变映射的所述时间序列，并执行时间分割；分析时空形变映射的所述时间序列，并提取声信号；分析时空形变映射的所述时间序列，并测量生物参数；以及分析时空形变映射的所述时间序列，并映射机械振动模式。
所述方法可以包括用空间非相干光和环境光中的至少一个照明面部或其部分；捕获非相干波前图像；计算二维(2D)强度图像和深度映射；提取独特的三维(3D)人脸识别数据；比较所述人脸识别数据与所存储的独特三维(3D)样本识别数据；以及确定识别接受或拒绝决定。
所述方法可以包括分析时空形变映射的所述时间序列，并提取时空生物参数；提取独特的生物标记；比较所述独特的生物标记与所存储的独特生物标记；以及确定识别接受或拒绝决定。
所述方法可以包括针对波长序列重复照明、捕获、分析和生成的操作；执行多光谱相位展开；以及估计表面轮廓。
所述方法可以包括对于多种角度，重复照射、捕获、分析和生成波长序列的操作，并执行多光谱相位展开；以及计算三维衍射层析成像折射率分布。
附图说明
为了更好地理解本发明的实施例，参考附图，其中相同的数字始终表示相应的实体，并且其中：
图1是示意性地示出根据本发明实施例的系统的框图；
图2a-2b是示意性地示出图1中所示的系统的细节的框图；
图3是示出根据本发明实施例的方法的流程图；
图4是示出根据本发明实施例的方法的另一流程图；
图5a-5b是示意性地示出根据本发明实施例的系统的框图；
图6a-6b是示意性地示出根据本发明实施例的系统的框图；
图7a-7c是示出根据本发明实施例的方法的流程图；
图8a-8b是示意性地示出了根据本发明实施例的法向入射的相干照明；
图9a-9b是示意性地示出了根据本发明实施例的多光谱相位展开技术；
图10是示出根据本发明实施例的方法的流程图；
图11a-11c示意性地示出了根据本发明的多个方面的多光谱衍射层析成像方法；
图12是示意性地示出了根据本发明的一个方面的从几个照明角度进行的多光谱散斑波前成像；
图13是示意性地示出根据本发明实施例的系统的框图；
图14是示意性地示出根据本发明实施例的系统的框图；
图15是示出根据本发明实施例的方法的流程图；
图16是示意性地示出根据本发明实施例的系统的框图；
图17是示意性地示出根据本发明实施例的波前成像传感器和系统的框图；以及
图18例示了根据本发明实施例的波前成像传感器的一个方面。
具体实施方式
物体和样本的光学测量和表征用于确定和评价参数，例如透射率，反射率，形状，深度，3D结构和纹理。可以测量参数随时间的变化以检测样本的运动，取向，变形和振动的变化。在一些应用中，这些数据可用于表征样本以用于检查和监测目的。在其它应用中，这些数据可以用于生物采样，监测或验证，以及从样本获得声信号，例如语音。
用于表征样本的一些光学测量和技术是基于散斑的。
当前光学方法用于样本运动，取向，振动和变形的基于散斑的测量，并且是基于用相干光源照射样本和收集散射光。基于散斑的测量可以例如通过如下而完成：通过(1)测量照射在光电探测器上的光的总体时变强度分布，(2)散斑强度图案的直接成像，或者(3)将所述散斑图案成像在偏离所述对象的聚焦平面上。
通常，基于散斑的测量包括利用单个基本上相干的光点或利用多个不同的相干光点的样本的照明。在单点和多点照明中，样本的表面没有完全被覆盖。因此，不能测量样本变形或振动的完整映射。通常仅在样本的某些区域上测量物体的运动，变形和振动。
单光点和多光点照明测量可能不能区分每个这样的不同照明光点内的不均匀变形或振动。相反，它们整体上处理每个不同照明点内的变形或振动。因此，单点和多点照明测量只能提供表示每个不同照明点内的变形或振动的空间平均值的数据。换句话说，在每个不同的照明点内没有振动或变形映射的空间分辨率。这对于将散斑图案成像在偏离样本的聚焦平面上尤其如此-由于散斑图案在强散焦下成像，振动或变形的空间分辨率损失，产生散斑图案的远场(傅立叶平面)映射。
具有样本的较宽覆盖的其它测量方法是基于使用具有额外参考光束或具有照射相同区域的若干光束的干涉设置。这些方法通常被称为电子散斑图案干涉测量法。干涉设置以及多个光束和光路可能导致测量系统对其部件的振动和样本的外部振动非常敏感，因此不太鲁棒并且受到外部环境因素的影响。
其它测量方法可以使用附着到样本上的特殊目标和反射器。在这种方法中，可以仅从附着有目标或反射器的样本区域收集数据。在许多实际使用情况下，将目标或反射器连接到样本上的要求是禁止的。例如，将目标和反射器附着到人或动物可能引起不适；在其它情况下，样本可能不被干扰，或更多。而且，对于非常灵敏的测量，样本的运动可能不能完全转移到目标，产生不太理想的结果。
此外，基于散斑的测量提供了关于不透明样本上的样本微观表面轮廓的有限数据，并且几乎没有关于半透明样本内部的信息。这是由于样本介质的较大程度的粗糙度/漫射性，其首先导致随机散斑形成。
此外，上述方法通常执行非成像测量，并利用专用光学配置，该专用光学配置不容易适于提供标准2D(2d,二维)图像和执行3D(3d,三维)光学测量。为了获得关于样本的其它信息，例如总反射率/透射率和样本形状，通常需要单独的成像设置来执行常规的2D成像。此外，对于3D测量，需要特殊的设备，使用各种技术，例如立体成像，结构光，激光三角测量，飞行时间测量，主动立体(active stereo)和光场成像等。
被称为“定量相位成像”的现有技术系统通常使用干涉设置来获得微观样本的定量相位图像。在样本引起相对小的相位波动的条件下，所得的相位映射具有与样本的微观结构有关的规则特征。定量相位成像系统，当用于对粗糙，漫射或具有大相位波动的宏观样本进行成像时，可以提供随机散斑相位映射。这样，除了可能由局部平均散斑强度给出的粗略的总体强度分布之外，单个散斑相位映射提供很少的关于样本的信息。
此外，定量相位成像通常需要照明角度与样本和成像光学器件的取向相匹配。这种匹配是需要的，以便捕获所谓的“零级”透射或镜面反射，即“亮场”设置。另一方面，本发明可以用于宏观样本或具有大表面粗糙性或漫射性的样本上的散斑状态，其中照明角度不是非常重要，因为散斑在大范围角度上散射。
本发明的实施例提供用于对象和样本的光学的，基于散斑的测量和表征的系统和方法。
本发明的实施例可以用于执行具有完全样本覆盖的基于散斑的运动，取向，振动和变形测量。因此，本发明的实施例促进了以高空间分辨率映射运动，定向，振动和变形数据的能力，以区分样本的不同部分，同时消除了对具有多个干涉光束的复杂设置的需要。本发明的实施例能够用相同的基本系统执行各种类型的测量，以便获得关于样本的更多信息，例如它的形状，反射率/透明度，以及详细的表面轮廓测量，纹理或内部/外部3D结构。
所述系统可以包括照明单元，所述照明单元具有一个或多个光源(也称为照明源)，并且可操作以在可变照明条件下用相干和/或非相干光照明样本；收集单元，所述收集单元具有成像光学器件和用于收集从样本返回和/或穿过的光的成像传感器；以及控制单元，所述及控制单元耦合到所述收集单元以接收指示散斑强度、散斑波前和散斑相干性中的至少一个的数据；并且生成散斑波前图像；其中所述控制单元进一步耦合到所述照明单元以影响所述照明条件或其它光学特性。
控制单元可以进一步影响系统和各种部件的光学特性。控制单元可以影响照明条件，收集条件或这两者。控制单元可以影响照明单元的光学特性和收集单元的光学特性。控制单元可以保持照明单元的光学特性和收集单元的光学特性之间的预定关系。可变照明条件可选自相干-相干照明、非相干照明、部分相干照明；空间相干的程度；时间相干的程度；波长范围；照明方向；照明角度。
该系统还可以包括位于成像光学器件上游的分束装置，以将光投射到样本上并收集通过成像光学器件从样本返回的光。
控制单元还处理在单个或多个照明条件(或其它光学特性)下从收集单元接收的数据快照或序列，以确定指示样本的一个或多个特性的数据，样本的一个或多个特性(或样本的表面)来自由以下组成的组：样本反射率，样本透射率，样本形状，样本深度，样本的3D结构，样本表面的变形，样本表面的运动，样本振动，样本取向和样本纹理。
成像传感器可以是波前传感器或光场传感器。成像传感器可以是全光相机(光场相机)、哈特曼-夏克(Shack-Hartmann)波前传感器，或如国际知识产权组织(WIPO)专利申请WO/2018/185740中所述的相干相机波前传感器中的一种，该专利申请在此引入作为参考。
波前成像传感器可以包括编码器，所述编码器具有多个相似的单位单元和传感器单元阵列，其相对于输入光通过波前成像传感器108的一般传播方向位于所述单元的下游一定距离处。传感器单元阵列限定多个子阵列单位单元，每个子阵列对应于编码器的所述多个单位单元中的一个单位单元，并且每个子阵列包括预定数量M个传感器元件。所述编码器被配置为对输入光应用预定调制，使得所述编码器的每个单位单元将入射到其上的输入光的一部分引导到与其对应的子阵列单位单元以及预定邻近区域(PR)内的一个或多个相邻子阵列单位单元上。预定数目M是根据预定邻近区域内的预定数目的子阵列单位单元来确定的。
照明源可以是相干光源，以在样本上或样本内引起散斑，也称为“主散斑”。这可以通过具有大于样本的光学扩散长度或表面粗糙度的时间相干长度的光源来获得。
收集单元的成像光学器件被配置成通过具有足以分辨在样本上或样本内引起的散斑图案的空间分辨率来获得“二次散斑”图像。该系统还可以被布置成使得照明单元的出射光瞳小于收集单元的入射光瞳。这种布置确保成像系统将具有足够的空间分辨率以在图像平面上获得“二次散斑”。
当相干光源具有空间相干长度，当投影到样本上时，该空间相干长度大于通过成像光学器件投影到样本上的收集单元的点扩展函数的空间相干长度，可以获得足以分辨散斑图案的空间分辨率。
根据本发明的实施例，相干光源的空间相干长度比通过成像光学器件投影到样本上的收集单元的点扩展函数的空间相干长度大1.1、1.2、1.5倍或更多。
该系统还可以被布置成使得对于待成像的样本上的每个点(也称为收集单元的视场中的每个点)，从样本上的任意点看，由收集单元的光学孔径对向的收集角大于从样本上的同一点看，由照明单元的光学孔径对向的照明角。
照明单元可以包括相干照明源和非相干照明源。相干源用于执行如上所述的散斑波前成像，而环境光或非相干源用于执行光场成像，以便推断样本亮度和3D形状。照明源可以选择性地操作以提供相干光和非相干光。可以通过大孔径提供非相干光，使得所得到的照明的空间相干长度等于或短于收集单元的成像光学器件的空间相干长度。控制单元可以在相干光和非相干光之间切换。
根据本发明的各方面，描述了一种用于样本的光学成像和测量的系统。所述系统包括：照明单元，其被配置用于在一个或多个选定波长范围和/或时间相干范围中提供相干，部分相干或非相干照明和/或从不同方向照明所述样本，并将其引导到所述样本或其一部分上；收集单元，其被配置用于收集从样本返回和/或通过样本的光，并使用波前成像或光场成像传感器对其成像，所述波前成像或光场成像传感器提供指示与样本相互作用的光的强度、波前和相干性的数据；控制单元，用于分析强度、波前和相干映射的单个快照或序列，控制单元还影响照明单元以提供不同程度的空间和时间相干，以及波长范围和照明方向；并且控制单元在单个或多个照明条件(或其它光学特性)下处理来自收集单元的数据快照或序列，以确定指示样本的反射率和/或透射率、形状、深度、3D结构、变形、运动、振动、取向和/或纹理的数据。
根据本发明的各方面，基于波前成像传感器的通用光学成像和测量系统与相干光源结合使用，以便执行基于散斑的成像和测量。此外，通过使用环境或非相干泛光照明，可以使用相同的波前成像传感器来执行2D成像以及3D测量。通过在波长或照明方向(或两者)上控制光源，该系统可用于执行高动态范围光学轮廓术、定量相位成像或衍射层析成像。
这种通用光学系统可以提供改进的样本覆盖、系统灵敏度和鲁棒性。此外，它使用简单、鲁棒、单视线波前成像光学模块和简单的照明要求。照明参数的简单改变提供了很大的灵活性和应用范围，同时保持相同的基本配置并使用相同的波前成像光学器件。
图1示意性地描述了根据本发明的一个方面的系统10。系统10包括照明单元102，具有相干光源(未示出)和出射光瞳102.1；收集单元104，用于收集从样本返回和/或穿过的光；以及控制单元110，耦合到收集单元104，用于生成散斑波前图像，并且进一步耦合到照明单元，以影响照明条件或其它光学特性。所述收集单元104可以包括具有入射光瞳106.1和波前成像传感器108的成像光学器件106。
样本100用相干光IL照射，该相干光IL由于样本的微观光学散射特性而在样本100上引起散斑形成。所得到的散斑场(也称为散斑图案，或“初级”或“目标”散斑)CL通过收集单元104成像。所述成像光学器件106将散斑场PL的图像投射到波前成像传感器108上。因此形成了散斑波前SW。
可以在以下条件下获得“初级”散斑。所述照明单元102可以包括时间相干长度大于样本100的光学漫射长度或表面粗糙度的相干光源。
所述收集单元104的成像光学器件106被配置为使得在图像平面上形成“次级”散斑图像。这需要具有足够光学分辨率的成像系统来分辨在样本上或样本内产生的“次级”或“主观”散斑图案。有几种方法来获得这种情况。
选择照明单元102的光学特性和收集单元104的光学特性之间的关系，使得可以以足够的分辨率来分辨“次级”散斑图案。根据本发明的实施例，照明单元的出射光瞳102.1小于收集单元的入射光瞳106.1。在本文中，“较小”可以意味着出射光瞳102.1的尺寸小于入射光瞳106.1的尺寸。
根据本发明的实施例，出射光瞳102.1的尺寸和入射光瞳106.1的尺寸具有相同的数量级，例如相差1.1、1.2、1.5倍，以及更高。
根据本发明的实施例，可以预先设定出射光瞳102.1的尺寸和入射光瞳106.1的尺寸以及它们之间的关系。根据本发明的其它实施例，出射光瞳102.1的尺寸和入射光瞳106.1的尺寸以及它们之间的关系被动态地和自适应地设置。控制单元110可以耦合到照明单元102和收集单元104以影响照明单元102和收集单元104的光学特性。根据本发明的实施例，控制单元110可以影响出射光瞳102.1的尺寸、入射光瞳106.1的尺寸或两者，从而控制它们之间的关系。
照明单元102的光学特性和收集单元104的光学特性之间的关系可以描述如下：照明单元102的相干光源可以具有空间相干长度，当投射到样本100上时，该空间相干长度大于通过成像光学器件106投射到样本上的收集单元104的点扩展函数的空间相干长度。
在图5b中示出了表示照明单元102和收集单元104的光学特性之间的关系的另一种方式。对于要在样本上待成像的每个点，从样本100上的任意点看，由收集单元104的光学孔径对向的角度Ac应该大于从样本100上的同一点看，由照明单元102的光学孔径对向的角度AI。
所述波前成像传感器108可以是全光相机或哈特曼-夏克(Shack-Hartmann)波前传感器，或者可以执行高达光学衍射极限分辨率的波前成像的其它类型的相干相机。这种相干相机在这里被称为波前成像传感器。
所述控制单元110分析散斑波前SW数据并产生散斑波前图像。所述散斑波前SW数据可以指示散斑强度、波前和相干性。该数据用于测量和表征样本100的各种性质。
所述控制单元110典型地包括处理实用程序111和存储实用程序113，以及能够实现输入、输出通信和可能的用户接口的通信实用程序，未具体示出。
所述控制系统110可以与收集单元104、波前成像传感器108、照明单元102或分离的单元集成。在一些实施例中，控制单元110可以是远离成像系统10的其它元件，或者是基于数据的远程或云处理。在这种配置中，成像系统10可以包括通信模块，该通信模块被配置用于向控制单元110发送数据以进行处理。
将参照图2a进一步讨论图1的系统100的操作。相同的附图标记用于表示与图1中相同的元件。系统10用于测量被轻微干扰(例如，经历小的旋转或变形)的样本101。样本101的旋转或变形在图2a中以虚线标记。由于机械或热应力、外部冲击、振动、穿过样本传播的声波、生物功能(诸如脉冲、呼吸、语音、肌肉运动等)，可以发生样本的干扰。
图2b放大了被干扰的样本的特定斑块(patch)，并且示出了系统10的很少元件-成像光学器件106和波前成像传感器108。样本101的干扰对应于参考表示未受干扰的样本101的实线和表示受干扰的样本101的虚线示出的斑块的局部刚性偏移和倾斜。
为了简化解释，我们将忽略可能的旋转θz，因为对于小贴斑块，θz旋转可以被视为在(x,y)中的刚性移位。
就样本中产生的散斑图案(有时称为“初级”或“目标”散斑)而言，干扰表现为散斑波前的刚性偏移(x,y,z)和倾斜(θx,θy)。
散斑波前SW通过收集单元的成像光学器件成像到波前成像传感器上。散斑波前SW0表示由未受干扰样本的照射产生的散斑波前，而散斑波前SWd表示由受干扰样本的照射产生的散斑波前。成像的散斑波前SW0和SWd中的相应变化是刚性偏移(x',y',z')和局部倾斜(θ′x,θ′y)，其中这些量通过光学系统的成像放大与原始斑块量相关。
由于成像系统的光学分辨率限制，在大多数实际的宏观场景中，已成像的散斑波前具有低得多的分辨率(有时称为“次级”或“主观”散斑)。在实践中，分辨率的这种降低消除了关于成像的散斑波前中的刚性偏移(x',y',z')的任何信息，而关于局部倾斜的信息通常被很好地保持(θ′x,θ′y)。
根据本发明的一个方面，捕获受干扰的散斑的波前图像。其也看起来具有随机的波前。然而，当与未受干扰的样本的原始散斑波前图像比较时，发现散斑波前在局部倾斜(θ′x,θ′y)方面不同。因此，通过将原始散斑波前图像与受干扰的散斑波前图像进行比较，可以推断和映射整个样本上的局部倾斜，给出样本变形的精确指示。
本发明人已经发现，局部倾斜映射具有能够在样本上的不同位置处区分局部倾斜(θ′x,θ′y)的不同值的空间分辨率。根据本发明的实施例，提供了连续的局部倾斜映射。连续的局部倾斜映射是空间相关的，并且可以提供样本的完全覆盖。这种新颖的能力改进了现有技术的基于散斑的测量，其中对于入射到样本上的每个不同的和空间分离的照明点获得均匀的倾斜值。
根据本发明的实施例，例如，在样本变形之前和之后，捕获一系列散斑波前图像。这在图3中作为流程图30示出。流程30开始于操作300，示出用相干照射照射样本。在操作302中，捕获第一散斑波前图像。在操作306中，存储第一散斑波前图像用于进一步处理。在操作304中，在与第一散斑波前图像不同的时间捕获第二散斑波前图像。在操作302中捕获第一散斑波前图像和在操作304中捕获第二散斑波前图像之间，样本可以经历样本变形。在操作308中，存储第二散斑波前图像以供进一步处理。第一和第二散斑波前图像可以因变形引起的局部波前倾斜而不同。在操作310中，例如，通过比较第一和第二散斑波前图像并通过生成在整个样本上计算的局部波前倾斜的映射来计算样本的变形。
图4示出了一系列几个散斑波前的流程40。在操作400中，使用相干照明照射样本。在操作402的循环中，捕获(操作404,406)和存储(操作408,410)散斑波前图像的时间序列。在操作412中，确定散斑波前图像对之间的局部倾斜的变化。例如，在相邻的散斑波前图像对之间确定局部倾斜的变化。基于局部倾斜的变化，可以推导出样本形变随时间变化的空间映射。在操作414中，计算时空变形映射序列。这是空间变形映射的时间序列。每个时间步长对应于在散斑波前图像404的捕获和下一个捕获的散斑波前图像406之间测量的空间变形映射。可以进一步分析空间-时间变形图序列，以提取样本中的特定感兴趣区域，或者区分样本和其周围环境，或者区分样本的整体移动与局部变形和振动，或者执行其它空间或时间分割。例如，根据应用，在操作416中，可以分析感兴趣区域的时间相关变形，以提取声信号，诸如语音。在操作418中，测量生物参数，诸如脉搏和呼吸，并跟踪肌肉运动。并且，在操作420中，映射机械振动模式。所述系统还可以用于使用非相干或环境光执行标准2D和/或3D成像。通过使用控制单元110来影响照明单元102并且对于波前成像传感器108所抓取的每个帧在相干和非相干照明之间同步交替，上述时间散斑图像序列404和406可以与非相干2D/3D成像序列交错，以提供指示样本的反射率和/或透射率、形状、深度、3D结构的附加数据。这些数据流是固有地融合的，因为它们是使用相同的收集单元利用相同的有利点、相同的成像光学器件和相同的波前成像传感器而获得的。下面可以找到更详细的描述。根据本发明的实施例，还可以将空间-时间变形映射与外部数据源(例如传统的2D相机以及其它类型的3D传感器)进行融合。在这些情况下，数据融合操作必须考虑外部数据源的不同优势点不同成像光学器件和不同成像传感器。
如图4所示，由本发明的实施例生成的信息对于各种实现是有用的。例如，在操作414,416,418或420中生成的空间信息可以用于区分由于其外部环境而引起的样本的振动，以及样本的固有振动。以这种方式，可以在噪声环境中拾取语音，监测移动车辆中的人的生物参数，以及监测振动环境中的特定机器部件。
将参照图5a进一步讨论图1的系统100的操作及其配置。相同的附图标记用于表示与图1中相同的元件。1.根据本发明的一实施例，照明单元102的光学特性相对于要测量的样本的光学特性被设置或选择。所述照明单元102的光学特性可以通过在控制单元110的控制下预先选择适当的相干照明源或选择性地设置而设置。
所述系统10被设计成测量样本的散斑波前变形。必须满足两个条件：1)在样本上或样本内产生“初级”散斑；2)收集单元104的成像光学器件106必须具有足够的光学成像分辨率(也称为“空间分辨率”)，以便在波前成像传感器108的图像平面上形成“次级”散斑SW。
根据本发明的实施例，预先选择光学特性，诸如时间相干长度、空间相干长度、照明孔径、照明单元的出射光瞳的尺寸、收集孔径、收集单元的入射光瞳的尺寸、波长、照明方向和相对于样本的收集。根据本发明的其它实施例，照明单元102和收集单元104的一些或全部光学特性可由控制单元110调节和控制。
当系统10测量样本100时，可以获得第一条件，所述样本100的特征在于一定的光学漫射长度或一定的样本表面粗糙度(图5a中未示出)。照明单元102的相干照明源被设置为具有纵向相干长度LL(也称为时间相干长度)，其处于或大于样本100的光学漫射长度或表面粗糙度LS的量级。
相干波在被表示为时间相干长度LL的传播距离上保持特定的相干水平。LL的值通常由下式给出：λ2/Δλ，其中λ表示照明源的中心波长，并且Δλ照明源的谱宽。例如，具有非常窄光谱的单模激光器可以具有大约几米到几千米的相干长度。具有较宽谱宽的多模激光器具有厘米到分米量级的相干长度，而简单的二极管激光器通常具有毫米或更小量级的相干长度。即使具有足够窄光谱(～10nm)的发光二极管(LED)也可以具有几十微米量级的显著相干长度。
样本的光学漫射长度对应于光在离开样本并随后被收集系统捕获之前通过样本传播时的平均光程差。传播通过由多个随机散射体组成的样本的光经历多个传播路径，每个路径具有不同的和随机的光程长度。不同传播路径长度的标准偏差表示样本的光漫射长度LS。当这种具有漫射长度LS的样本被具有相干长度LL>LS的相干光照射时，产生初级散斑图案。
对于具有表面粗糙度的样本，典型的长度LS对应于表面粗糙度统计，通常是表面粗糙度标准偏差。此外，当用具有相干长度LL>LS的相干光照射样本时，获得初级散斑。
最后，我们注意到，在大多数情况下，LL>LS>λ形成初级散斑。然而，如果光学系统被配置成使得收集单元不捕获“零级”明场镜面反射(或半透明样本的直接透射)，则该要求LS>λ可以放宽。在显微术中，这种构造通常被称为“暗场(darkfield)”照明条件。
通过选择符合指定相干长度要求的相干照明源，可以获得高对比度散斑图像。时间相干长度将处于样本的光学漫射长度或表面粗糙度的数量级的要求确保了强的散斑响应，同时相干照明入射在表面上或穿过其中。
根据本发明的实施例，照明单元102的光学特性被进一步设定为与收集单元104的光学特性有关。照明单元102的光学特性可以在控制单元110的控制下而通过预先选择适当的相干照明源或选择性地设置来设置。收集单元104的光学特性可以由控制单元110控制。需要这些设置，以便当在样本上产生初级散斑时，在系统的图像平面上获得次级散斑。
所述照明单元102的特征在于在样本上投射的照明源的空间相干长度LI(也称为横向相干长度，在图5a中由I-SCL表示)。空间相干长度描述空间中不同点处的照明波之间的关系，并且是在一定程度上仍然相互相干的样本上的点对之间的横向距离的量度。
所述收集单元104的特征在于当成像光学器件投影到样本上时，收集单元的成像光学器件的点扩展函数的空间相干长度，由值LC(图5a中的C-SCL)表示。
为了获得散斑波前成像，即在系统的图像平面上产生次级散斑，当投射到样本上时，照明单元102的照明源的空间相干长度LI可以大于当通过成像光学器件106投射到样本100上时，收集单元104的成像光学器件106的点扩展函数的空间相干长度LC。在数学上，该关系式由下式给出：LI>LC。这在图5a中示意性地示出。
所述照明单元102和所述收集单元104的光学特性之间的关系也可以表示为这样的条件：对于要在样本100上待成像的每个点，从样本100上的任意点看，收集单元104的光学孔径对向的角度Ac大于从样本100上的同一点看，照明单元102的光学孔径对向的角度AI。这在图5b中示出。该表述AI<AC是先前关系LI>LC的傅立叶光学等效。
所述照明单元102和所述收集单元104的光学特性之间的关系也可以表示为照明单元(图1所示的元件102.1)的出射光瞳小于收集单元(图1所示的元件106.1)的入射光瞳的要求。这在几何上等同于表述AI<AC，并且是所述关系LI>LC的傅立叶光学等效。
附图说明6a和6b是能够进行二维(2D)和三维(3D)成像的非相干波前成像的系统60,62的示意图。系统60,62和图1的系统10的相同元件用相同的附图标记表示。
如图6a所示，系统60的照明单元120包括相干照明器122和非相干照明器124。非相干照明器124可以实现为环境光源或非相干泛光照明器。
如图6b所示，系统62的照明单元130可以提供相干照明和非相干照明。相干照明(在图6b中以实线示出)被投射通过小孔径，而非相干照明(在图6b中以虚线示出)使用大孔径。由于使用了大孔径，所得到的照明的空间相干长度等于或短于收集单元的成像光学器件的空间相干长度。根据本发明的实施例，收集单元的成像光学器件的空间相干长度可以比照明的空间相干长度大1.0倍或更大。
非相干波前图像(有时称为“光场图像”)在非相干照明下被捕获，然后根据已知技术被分析以提取2D强度图像和深度数据。
因此，本发明的实施例有利于可以用于各种使用情况的通用、成本有效的成像系统和方法。例如，可以有效地执行高度安全的生物认证。非相干照明模式(如参考图6a-6b所解释的)可用于执行用于验证目的的人脸的2D和3D成像。基于相干散斑的成像序列(如参考图1至5b所述)可用于通过拾取人的生物标记来执行认证，其中生物标记诸如面部脉搏模式、呼吸、肌肉运动和语音。通过在照明方法之间进行切换，可以使用相同的系统来组合这两种认证方法。
图7a描述了用于执行2D/3D成像的流程70，例如用于面部生物认证。在操作700中，通过环境照明或非相干泛光照明来照亮人的面部。在操作702中，捕获人脸的非相干波前图像快照。在操作704中，分析波前图像，并计算2D强度图像和相应的3D深度映射。在操作706中，进一步分析2D强度图像和相应的3D深度映射以提取独特的3D面部识别数据，例如通过使用人工神经网络。在操作708中，检索(或从外部源接收)存储的3D面部识别数据，例如在登记到系统期间捕获。在操作710中，将所提取的独特的3D面部识别数据与所存储的3D面部识别数据进行比较。判断是否接受该人(在操作714中)或拒绝该人(在操作712中)。
图7b描述了用于散斑波前成像的流程72，例如，用于执行生物认证。在操作720中，使用相干照明来照明对象。在操作722中，捕获散斑波前图像的时间序列，并且计算局部的时空变形映射序列。在操作724中，分析变形映射以获得特定的生物参数(生物标记)，例如面部脉搏模式、呼吸、语音、协调的肌肉运动和颤抖等。在操作726中可以进一步分析生物参数数据，以提取独特的生物标记识别数据，例如通过使用人工神经网络。在操作728中，检索(或从外部源接收)存储的生物标记数据，例如在登记到系统期间获得。在操作730中，将所提取的独特的生物标记与所存储的生物标记进行比较，并做出是否接受该人(在操作734中)或拒绝该人(在操作732中)的决定。
图7c描述了组合的认证流程74，其使用了图7a和7b中描述的相干和非相干波前成像流程70和72。所述流程70和72可以通过在照明条件之间切换来顺序地执行。例如，首先在环境照明或非相干照明下执行图7a中描述的非相干波前成像认证序列，然后使用相干照明执行图7b中描述的基于散斑的波前成像认证，反之亦然。在操作740中，分析来自两种方法的组合认证数据，并将其用于执行接受该人(在操作744中)或拒绝该人的决定(在操作742中)。
为了便于解释，图7c示出了流程70和72作为单独流程整体的性能，直到多参数认证的操作740。显然，流程70和72的各种操作可以同时或顺序地执行。
例如，使用图6a的系统60或图6b的系统62,(流程70的)操作700和(流程72的)操作720可以顺序地执行。在系统60的情况下，相干照明器122和非相干照明器124的操作将被顺序地切换。在系统62的情况下，照明单元130可以被控制以在其相干照明模式和非相干照明模式之间改变。因此，(流程70的)操作702和(流程72的)操作722可以由相同的系统元件(例如，图1的收集单元104和控制单元110)顺序地执行。以相同的方式，(流程70的)操作704,706,708和(流程72的)操作724,726,728可以由控制单元同时或顺序地执行。(流程70的)操作710和(流程72的)操作730可以同时或顺序执行，并提供拒绝决定或接受决定作为流程74的操作740的输入。或者，(流程70的)操作710和(流程72的)操作730的执行可被集成并构成流程74的操作740。在不脱离各种实施例的范围或精神的情况下，可以对该流程进行其它修改和改变。
根据本发明实施例的成像系统的通用性还可以用于通过在相干和非相干成像之间交替来执行对人或无生命物体的组合监测。例如，可以例如对生命体征、脉搏、呼吸、凝视跟踪、面部表情识别来执行人的生物监测。另一种用途是进行机器振动的组合监测以及总体2D和3D图像监测。
在组合的相干和非相干监测中，在受控制单元影响的相干照明和环境光或非相干照明之间交替的照明条件下捕获波前图像序列。然后可以将图像分成两个序列，一个是非相干图像，另一个是相干图像。该组相干图像用于计算时空失真映射并提取特定的振动模式或生物参数，如前所述。2D和3D图像的组可以用于监测总体形状、形状、反射率的变化以及其它感兴趣的成像参数。
通常，波前图像序列不需要在相干和非相干照明之间以1:1的比率分割。根据应用，为每个非相干波前图像获得几个相干波前图像是有益的，反之亦然。
如前所述，在相干照明条件下，由于其随机相位波前，单个散斑波前图像几乎不提供关于样本的信息。随机性由照明和样本之间的相互作用引起，其光学漫射长度或表面粗糙度小于用于照明样本的光的时间相干长度。随机相位波前不适用于标准相位展开技术，例如在Rytov近似中使用的那些。然而，通过获得几个波长的散斑波前图像，可以进行多光谱相位展开并恢复不透明样本或半透明样本的内部结构上的样本表面轮廓。
在不失一般性的情况下，我们用正常的相干照射来处理大的表面轮廓阶跃。“大”阶跃轮廓的含义将很快变得清楚。而且，这里描述的原理对于随机粗糙以及通过或离开半透明样本的透射和/或反射是有效的。在从具有随机粗糙度的表面反射的情况下，随机表面轮廓引起入射到表面上的光的随机光程长度。在通过半透明样本透射或反射的情况下，由于样本内部结构的随机散射也引起与样本相互作用的光的随机光程长度。此外，具有表面粗糙度的半透明样本将由于这两种效应而引起随机光程长度。在所有情况下，下面给出的反射离开大表面轮廓阶跃的例子提供了用于解释如何测量样本上两个点之间的光程长度差的良好代表。
根据本发明的一个方面，图8a示出了相干照明800，其具有以垂直入射方式入射在高度h的阶跃轮廓810上的波长λ。光820从阶跃810的任一侧反射，如图8b所示。我们注意到，尽管入射光具有如图8a所示的均匀波前，但反射光的波前具有相位位错，在图8b中由虚线D表示。阶跃轮廓的左半部分和右半部分之间的相位差是在从阶跃轮廓810的任一侧反射时光在往返中累积的光程差ΔL＝2h的结果。这导致相位差2πΔL/λ为反射波前的任一侧之间的弧度。然而，成像波前传感器(例如，图1的元件108)可以仅测量该相位差的分数部分至2π，即对作为整数个波长的相位差不敏感。因此，所测量的相位差是仅对于服从ΔL<λ的“小”阶跃高度的阶跃高度的精确估计。对于较大的阶跃高度，相移的整数部分导致估计阶跃高度的模糊性。
可以通过测量几个波长处的相位差来解决高度模糊。例如，对于两个接近的波长λ,λ′＝λ+Δλ，我们将测量相位差φ＝2πΔL/λ和φ′＝2πΔL/(λ+Δλ)，其中假设Δλ"λ可以写成一阶如φ′＝φ-2πΔLΔλ/λ2。因此，两个波长之间的相位差的变化大约是Δφ＝-2πΔLΔλ/λ2。同样，该相位差仅被测量到整数个波长，即，存在2π相位模糊。然而，在实际差异明确处的有效性范围现在更大ΔL<λ·λ/Δλ，其中，比小阶跃高度大λ/Δλ倍。该量λ2/Δλ有时被称为“合成波长”，因为它定义了解决相位模糊的虚拟波长。
上述原理很容易扩展到多光谱相位展开技术，如图10a-10b所示。
图10a示意性地示出了在波长λ1,λ2,…,λn下测量的2D相位映射(相位图像)φ1(x,y),φ2(x,y),…,φn(x,y)的系列900。在这种情况下，附加波长有助于在更宽范围的光程长度差上更稳健地解决高度模糊。对于2D相位映射组中的每个点(x,y)(在图10a中的每个映射
Figure BDA0003781482440000201
上由“X”标签标记)，如下计算光程长度ΔL。我们从选择某一波长的相位开始。然后，对于每对相邻波长，我们计算在所考虑的点处的相位差Δφ。然后，我们可以累积作为波数的函数k＝2π/λ的相位差。这类似于对方程式1的积分执行离散近似。
方程式1
Figure BDA0003781482440000211
即，
Figure BDA0003781482440000212
Figure BDA0003781482440000213
作为波数的函数的结果的累积相位差产生线性曲线910，如图9b所示。曲线920的斜率通过关系φ＝2π/λ·ΔL直接与光程差ΔL相关。对相位映射组900中的每个点重复产生光程长度映射ΔL(x,y)。
上述多光谱相位展开技术可直接应用于根据本发明实施例的系统获得的散斑波前图像。在单个波长下获得的散斑波前的随机性质是由相干光与样本本身的相互作用引起的大光差ΔL的随机分布的结果。如上所述，在反射不透明样本的情况下，或者由于在半透明目标中的光学漫射，或者两者的组合，光程差可以是表面粗糙度的结果。典型的光程差远大于波长ΔL>λ，因此对于单个波长，存在相位模糊，当单独考虑时，不能使用该相位模糊来确定光程差。样本的结构与光程差直接相关，并且由于后者是模糊的，因此实际上不可能从单波长相位图像重建样本的结构。
然而，通过获得在一组波长λ1,λ2,…,λn下的一系列散斑波前图像(如图9a-9b所示)，可以执行如上所述的多光谱相位展开，并因此获得空间分布ΔL的操作和实际估计。对于反射样本，根据以下关系式ΔL＝2h，ΔL恰好是表面轮廓的两倍。对于透射样本，以ΔL＝t·Δn光程差与折射率分布的变化直接相关，其中，t是样本厚度，并且Δn是折射率与某一参考标称值的偏差。
图10是示出根据本发明实施例的测量流程12的流程图。在该实施例中，需要照明源以提供几个波长的相干照明。这可以例如通过使用具有波轮滤波器或具有可调谐滤波器(例如，具有可调谐声学滤波器的超连续谱激光器)的宽带源来实现。作为另一个例子，可以使用可调谐激光光源。通过另一个例子，照明模块可以包含几个光源，每个光源处于几个波长，其中每个光源依次单独使用。
流程12从操作1002开始，用第一波长的相干照明照射样本。在操作1004中捕获各个散斑波前图像并在操作1006中存储。在操作1008中，用第二波长相干地照射样本，并且再次捕获散斑波前图像(操作1010)和存储散斑波前图像(操作1012)。这对于所有剩余的波长重复进行(在图10中由三个点示出，接着是操作1014,1016和1018。在操作1020中，对于散斑波前图像序列中的每个空间点，根据刚描述的多光谱相位展开过程来确定相位模糊。这产生了光程差ΔL的空间分布。根据样本类型和应用，可以使用光程差ΔL的空间映射来估计表面轮廓(在操作1022中)、折射率分布、或两者的组合。例如，可以计算大范围表面轮廓(在操作1022中)，可以获得虚拟光学相干断层扫描(OCT)3D深度轮廓(在操作1024中计算)，并且可以生成大范围定量相位图像(在操作1026中计算)。
注意，在不丧失一般性的情况下，可以结合上述光谱图像采集序列来进行散斑波前图像的处理和相位展开。
根据本发明的实施例，可以执行多光谱衍射层析成像。这类似于对一组不同的照明角度执行多光谱散斑波前成像。
图11a描绘了由相干照明1100从上方照亮的L形半透明物体S。通过执行参照图10所述的多光谱散斑波前成像来获得阶梯式折射率轮廓Δn1130。然而，该轮廓Δn1130不足以推导出物体S的3D折射率分布。图11b和11c示出了物体S1和S2，它们将产生与折射率轮廓Δn1130类似的折射率轮廓Δn1140和折射率轮廓Δn1150。折射率轮廓是类似的，因为多光谱散斑波前成像给出了在整个样本厚度上的总累积折射率的估计，如方程式2所示。
方程式2ΔL＝t·Δn
如图12所示，可以通过从几个照明角度执行多光谱散斑波前成像来解决折射率轮廓的模糊性。每个照明角度θi 1200,1210,1220(i＝1,2,3)分别产生不同的折射率轮廓Δni1230,1240,1250。然后可以使用诸如逆拉冬变换(inverse Radon transform)的已知层析成像技术来估计物体的正确的3D折射率轮廓。
图13是示意性地示出根据本发明实施例的系统13的框图。相同的附图标记用于表示与图1,2a-2b,5a-5b,6a-6b中相同的元件。所述系统13包括多个多光谱照明单元103,105,107，其可用于执行多光谱衍射层析摄影。根据另一实施方式(图13中未示出)，使用可移动的照明单元从不同的角度照射样本100。在图14中示意性地示出了另一实施方式：照明单元102可以适于以可变照明角度来照明样本100，由虚线表示。根据另一实施例(图13和14中未示出)，单个照明单元与收集单元104一起移动。根据另一实施例，样本被移动，从而产生相对于照明单元、收集单元或两者的相对移动。本发明不受用于创建多角度光谱成像的方式的限制。
图15是示出用于执行多光谱衍射层析成像的流程51的流程图。以第一照明角度执行多光谱散斑波前成像(操作1500)，并且计算并存储相应的空间光程长度映射(操作1510)。对于所有其它照明角度重复相同的操作。这在图15中在操作1520,1530以及操作1540和1550之后的三个点中表示。从而，获得了一组空间光程长度映射。在操作1560中，空间光程长度映射的组使用层析成像技术(诸逆反拉冬变换)来估计样本的3D结构。注意，该技术在透射通过样本以及反射中都是适用的。
在本发明的各个实施例的所有上述讨论中，照明单元的光学器件区分于收集单元的光学器件。然而，在一些情况下，使用通过成像光学器件将光投射到样本上的照明单元可能是有利的。例如，如图16所示，可以实现这一点。为了便于解释，我们将对比图1的实施例讨论图16的实施例：图16的系统80与图1的系统10的不同之处在于具有分束器装置112。在照明路径中，分束器装置112位于照明单元102和成像光学器件106之间。照明IL(虚线)从照明单元102出来，通过分束器装置112和成像光学器件106，并照射到样本100上。在收集路径中，分束器装置112位于成像光学器件106和波前成像传感器108之间。从样本100反射或透射通过的光CL穿过成像光学器件106和分束器装置112，然后到达波前成像传感器108。不失一般性，在本发明的其它实施例中，分束器装置112可以放置在成像光学器件106(未示出)的前面。最后，在分束器的任何布置中，应当小心地确保维持用于形成初级和次级散斑的条件，如先前在关于纵向和空间相干的关系中所描述的。前面描述的照明路径和收集路径(在图1,5a和5b中描述)的空间相干之间的关系也应该保持在任何类型的分束器装置中。
分束器装置可以与本发明的其它实施例(例如，如图2a-2b,5a-5b,6a-6b,13和14所示)集成并适当的修改和变化，而不脱离本发明的范围或精神。
波前成像传感器可以是光谱敏感的。光谱灵敏度可以通过几种方式实现，例如：(1)通过在传感器像素上使用滤色器阵列，例如RGB(红绿蓝)拜耳滤光器或其它类型的图案；(2)使用光谱滤波器；或者(3)使用具有用于每个光谱通道的单独的传感器像素阵列的二向色棱镜。本发明不受用于实现光谱灵敏度的方式的限制。
波前成像传感器的光谱灵敏度可用于使用非相干照明条件下时获得彩色或高光谱2D图像。注意，这种光谱敏感波前成像传感器仍然可以用于在相干照明下捕获散斑波前，只要确保照明器的波长落在传感器的光谱灵敏度范围中的一个之内。
此外，传感器的上述光谱灵敏度可用于对几个波长范围同时捕获多光谱散斑波前图像。如上所述，这种同时捕获可以代替对具有不同照明波长的多光谱散斑波前图像的顺序捕获。这种类型的同时多光谱图像捕获可以缩短图像获取时间，这在增加系统吞吐量或者在多光谱波前图像捕获序列期间降低对样本移动的灵敏度方面是有益的。
不失一般性，使用光谱敏感波前成像传感器来同时捕获多光谱散斑波前图像也可以与光谱波前图像的顺序捕获结合使用。可以使用具有选择波长范围的照明源。例如，可以同时用几个波长照射样本-每个波长都由波前图像传感器进行光谱分离。可以用几个不同的波长照射样本，使得每个波长也在波前图像传感器处被光谱分离。
根据本发明的实施例，波前成像传感器108被构造为在PCT专利申请公开号WO2018/185740中描述的光学检测系统，其通过引用并入本文。
图17示意性地示出了根据本发明实施例的系统的一部分，其中波前成像传感器17包括编码器1700和检测器阵列1710，所述检测器阵列1710相对于辐射传播的一般方向位于编码器1700的下游的预定距离L处。为了便于解释，波前成像传感器17与收集单元104的其它部分一起示出成像光学器件106。示出了示例100及其在编码器1700上的图像Img。波前成像传感器17进一步耦合到控制单元110。
编码器1700可以被实现为(1)与检测器阵列1710分开的单元；(2)与所述检测器阵列1710单片集成；或者(3)是用于制造传感器阵列的进程栈的一部分，例如，使用金属化处理步骤，和/或类似于用于制造微透镜阵列的处理步骤，所述微透镜阵列通常用于改善传感器阵列中的像素填充因子。
波前成像传感器17可以包括编码器1700，其具有限定多个单元(图17中未示出)的周期性图案；传感器单元(图17中未示出)的阵列1710，其相对于输入光通过系统的传播方向的一般距离处于单元下游。波前成像传感器17耦合到控制单元110，所述控制单元110被配置成接收由传感器单元的阵列1710收集的输入数据，并根据关于编码器1700的调制功能的数据来处理输入数据，以确定表示由编码器1700收集的输入光的相互相干性的数据。
传感器单元的阵列1710可以限定多个子阵列单位单元(图17中未示出)，每个子阵列单位单元对应于编码器1700的多个单位单元中的一单位单元，并且每个子阵列单位单元包括预定数量M个传感器元件(图17中未示出)。
编码器1700可以限定检测平面，并且被配置为对由光学成像系统收集的输入光应用预定调制，其中预定调制规定编码器1700的每个单位单元将入射到其上的所收集的输入光的一部分引导到与其对应的阵列1710的子阵列单位单元上，并且引导到预定邻近区域内的一个或多个相邻子阵列单位单元上。
预定数量M可以根据预定邻近区域内的阵列1710的子阵列单位单元的预定数量来确定。
可以选择阵列1710的子阵列单位单元的预定数量M的传感器元件以满足条件M≥2nR+1，其中nR是预定邻近区域内的相邻子阵列单位单元的预定数量。
阵列1710的子阵列单位单元的传感器元件的预定数量M可以根据相干矩阵基函数的预定数量来选择，所述相干矩阵基函数被选择用于重构所收集的输入场的相互相干性信息。
编码器1700的单位单元的布置可以定义所收集的光的离散单元测量，使得编码器1700的每个单位单元与波前成像传感器17所生成的图像数据的像素相关。
编码器1700的单位单元的物理尺寸可以对应于入射到编码器上的收集光的衍射限制光点。例如，编码器1700的单位单元的物理尺寸可以在衍射限制光点的0.1-0.25的范围内。
编码器1700可以被配置用于收集和编码一个或多个选定波长范围的光。
编码器1700可以被配置为对预定波长范围内的输入光应用预定调制。
传感器单元的阵列1710可以包括被配置用于分别检测两个或多个波长范围的光强度的传感器单元。
图18示出了图17的波前成像传感器17的一个方面。图18描述了编码器1700和检测器阵列1710。图18还描述了以间距p透射通过编码器1700的单个单位单元1822并向检测器阵列1710传播距离L的输入光SI。
形成基本响应函数FR，其可以(在强度检测中)由检测器阵列1710检测。为了便于解释，示出了基本响应函数FR的二维配置。基本响应函数FR涉及在编码器1700的下游传播并由入射在编码器1700的单位单元上的脉冲光场所产生(例如，以成像系统106的衍射限制光点激励的形式，或高斯、矩形或德尔塔函数类似的形式)的复数数据(幅度和相位)。
通常，通过与单个单位单元1822相关联的编码器1700的区域的光通道及其基本响应可以用于处理由波前成像传感器18所收集的强度分布数据。如图所示，引导到编码器的单个单位单元1822上的输入光场SI经历预定的光调制，并通过子信道1830向检测器阵列1710传播。
通常，由单个单位单元1822所提供的调制是连续的，以提供了基本连续的基本响应函数FR。然而，为了完整性，示出了标记五个子信道(D-2到D+2)的箭头。如上所述，这些子信道可以被视为离散的衍射级，其通常由编码器1700的周期性产生。如前所述，某个编码器单位单元1822通过子信道1830将光传输到邻近区域PR内的多个检测器子阵列。这个关系等效于双重声明，如，与单个单位单元1822相关联的单个子阵列1842通过适当的子信道1830从也在类似的邻近区域中定义的相邻编码器单位单元接收照射到其上的光。
如上所述，与编码器1700的不同单位单元相关联的子阵列1842或检测器阵列1840中的传感器单元M的数量可以根据编码器的图案化以及在某个邻近区域PR内将光分量从单位单元1822传输到子阵列1842的子信道的数量来选择。
另外，传感器单元的数量M可以根据所选择的基本重构来选择，从而能够利用减少数量的传感器单元来有效地重构所收集的光的相位或相干映射。
通常，基本响应函数FR下降到邻近区域PR之外的可忽略的值。例如，编码器1700的图案可以被配置为提供所收集的光与一个，两个或更多个相邻单位单元相关联的光分量的相互作用，例如，定义最近的相邻相互作用，次最近的相邻等。此外，对于波前成像传感器17的不同横轴(x和y)，相邻相互作用的作用水平可以不同。
通常，与每个单位单元1822相关联的传感器单元的数目M被选择为不小于M≥2nR+1，其中，nR邻近区域PR中的相邻单位单元的总数。nR是与给定单位单元相关的所有相邻单位单元相互作用的数量，但是每个相互作用仅计数一次。然而，如上所述，在一些配置中，传感器单元的数量M可以根据用于重构收集场的多个基本函数来减少。例如，如果光编码器1700被配置为创建单位单元与其右边最相邻的及其上面最相邻的之间的相互作用，则nR＝2。这种特定的单位单元也会与其左边和下方的单位单元相互作用。然而，这些相互作用被计数为属于左边和下方的相应的相邻单位单元，以便不对相互作用计数两次。在邻近区被分为沿x和y轴的相互作用时，M≥(2nxR+1)(2nyR+1)，其中，nxR是沿x轴的相邻单位单元相互作用的数量，并且nyR是沿y轴的相邻单位单元相互作用的数量。如前所述，相互作用nxR和nyR的数量以单边方式计数，从而没有相互作用计数两次。
在此描述的本发明的实施例提供了用于确定表示所收集的光的强、相位和相干性的数据的基于散斑的光学成像系统和相应的方法。
因此，应当理解，上述实施例通过示例的方式被引用，并且本发明不限于以上具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合，以及本领域技术人员在阅读前述描述时会想到的并且在现有技术中没有公开的其变化和修改。
所属领域的技术人员将容易了解，在不脱离所附权利要求书所界定的范围的情况下，可对上文所述的本发明的实施例进行各种修改和改变。

Claims (24)

1.一种基于散斑的光学成像系统，包括：
照明单元，包括至少一个相干光源以照明样本；
收集单元，用于收集来自所述样本的输入光，所述收集单元包括成像光学器件和波前成像传感器；以及
控制单元，耦合到所述照明单元和所述收集单元，用于分析所述输入光并产生散斑波前图像；
其中，所述至少一个相干光源用于在所述样本中或所述样本上生成初级散斑，并且所述成像光学器件用于捕获由所述照明单元在所述样本中或所述样本上引起的次级散斑图案。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述照明单元的出射光瞳小于所述成像光学器件的入射光瞳。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述控制单元用于影响所述出射光瞳的尺寸、所述入射光瞳的尺寸、以及它们之间的关系中的至少一个。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个相干光源具有时间相干长度，所述时间相干长度大于(1)所述样本的光学漫射长度和(2)所述样本的表面粗糙度中的至少一个。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述相干光源具有空间相干长度；所述收集单元具有点扩展函数的空间相干长度；并且当投射到所述样本上时，所述相干光源的所述空间相干长度大于通过成像光学器件投射到所述样本上的收集单元的点扩展函数的所述空间相干长度。
6.如权利要求1所述的系统，其中，选择所述照明单元的光学特性和所述收集单元的光学特性，以对于在所述样本上待成像的每个点，从所述样本上的任意点看，由所述收集单元的光学孔径对向的角度大于从所述样本上的同一点看，由所述照明单元的光学孔径对向的角度。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述照明单元具有对向照明角度的照明孔径，并且所述收集单元具有对向收集角度的收集孔径，并且，其中，所述控制单元还耦合到所述照明单元以影响照明光学特性，且还影响收集光学特性，以对于在所述样本上待成像的每个点，从所述样本上的任意点看时的所述收集角度大于从所述样本上的同一点看时的所述照明角度。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述收集单元用于测量指示散斑强度、散斑波前和散斑相干性中的至少一个的数据。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述照明单元还包括非相干光源，并且所述控制单元响应于非相干照明而生成光场图像。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述控制单元操作所述照明单元以选择性地提供相干光和非相干光。
11.如权利要求1所述的系统，其中，所述照明单元还包括非相干光源，并且其中，所述控制单元用于操作所述照明单元的孔径，使得非相干光的空间相干长度比所述收集单元的所述成像光学器件的空间相干长度短。
12.如权利要求1所述的系统，其中，所述波前成像传感器是包括以下的组中的一个：
全光相机；
光场相机；
夏克-哈特曼波前传感器；以及
相干相机波前传感器，包括具有多个相似单位单元的编码器，以及传感器单元阵列，所述传感器单元阵列相对于输入光通过所述波前成像传感器的一般传播方向位于所述单位单元的下游一定距离处，其中，所述传感器单元阵列限定多个子阵列单位单元，每个子阵列对应所述编码器的所述多个单位单元中的一单位单元，并且每个子阵列包括预定数量M的传感器元件，并且其中所述编码器将对输入光应用预定调制，使得所述编码器的每个单位单元将入射到其上的输入光的一部分引导到与其对应的子阵列单位单元和预定邻近区域内的一个或多个相邻子阵列单位单元上，并且其中，所述预定数量M根据预定邻近区域内的子阵列单位单元的预定数量来确定。
13.如权利要求1所述的系统，其中：
所述照明单元提供由相干光、部分相干光和非相干光组成的组中的至少一个光；
所述照明单元还提供作为一组变化的光学特性的光，所述光学特性来自由选定的波长范围、选定的时间相干范围、选定的照明方向组成的组；以及
所述控制单元用于生成由强度映射、波前映射和相干映射组成的组中的一个或多个。
14.一种成像方法，包括：
用相干光照射样本；
通过由成像光学器件和波前成像传感器组成的收集单元捕获来自所述样本的输入光；以及
通过耦合到所述收集单元的控制单元，分析所述输入光并生成散斑波前图像；
其中，所述至少一个相干光源用于在所述样本中或所述样本上生成初级散斑，并且所述成像光学器件用于捕获由所述照明单元在所述样本中或所述样本上引起的次级散斑图案。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述照明单元的出射光瞳的尺寸小于所述成像光学器件的入射光瞳的尺寸。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述控制单元用于影响所述出射光瞳的尺寸、所述入射光瞳的尺寸、以及它们之间的关系中的至少一个。
17.如权利要求15所述的方法，其中，包括捕获和分析来自所述样本的至少一个附加输入光并生成至少一个附加散斑波前图像，以及基于所述散斑波前图像和所述至少一个附加散斑波前图像计算样本变形。
18.如权利要求17所述的方法，其中，通过确定一对或多对散斑波前图像之间的局部倾斜的变化来执行计算样本变形。
19.如权利要求18所述的方法，还包括计算时空变形映射的时间序列。
20.如权利要求19所述的方法，进一步包括由以下组成的组的至少一步：
分析时空形变映射的所述时间序列，并提取实所述样本中的特定的感兴趣区域；
分析时空形变映射的所述时间序列，并区分所述样本与样本环境；
分析时空形变映射的所述时间序列，并区分所述样本的整体运动与局部形变或振动；
分析时空形变映射的所述时间序列，并执行空间分割；
分析时空形变映射的所述时间序列，并执行时间分割；
分析时空形变映射的所述时间序列，并提取声信号；
分析时空形变映射的所述时间序列，并测量生物参数；以及
分析时空形变映射的所述时间序列，并映射机械振动模式。
21.如权利要求14所述的方法，还包括：
用空间非相干光和环境光中的至少一个照明面部或其部分；
捕获非相干波前图像；
计算二维(2D)强度图像和深度映射；
提取独特的三维(3D)人脸识别数据；
比较所述人脸识别数据与所存储的独特三维(3D)样本识别数据；以及
确定识别接受或拒绝决定。
22.如权利要求19所述的方法，还包括：
分析时空形变映射的所述时间序列，并提取时空生物参数；
提取独特的生物标记；
比较所述独特的生物标记与所存储的独特生物标记；以及
确定识别接受或拒绝决定。
23.如权利要求14所述的方法，还包括：
对波长的序列重复照明、捕获、分析、和生成的操作；
执行多光谱相位展开；以及
估计表面轮廓。
24.如权利要求14所述的方法，还包括：
对于多种角度，重复照射、捕获、分析、和生成波长序列的操作，并执行多光谱相位展开；以及
计算三维衍射层析成像折射率分布。
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