CN113189101A - 一种带有负反馈调节的无透镜成像方法 - Google Patents

一种带有负反馈调节的无透镜成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有负反馈调节的无透镜成像方法，该方法在目标域设置一个支持域，并每次迭代过程中支持域之外区域估计的复振幅与迭代输入的复振幅带权重叠加作为下一次迭代的输入；支持域之内待测波前使用非线性优化方法实现待测波前的更新。本发明实现了使用一张强度图实现目标物振幅和相位的精确重建，所需实验***简单，且无需移动图像传感器，适用于实时波前检测和动态目标物成像。

Description

一种带有负反馈调节的无透镜成像方法
技术领域
本发明涉及光学测量和成像技术领域，尤其涉及一种带有负反馈调节的无透镜成像方法。
背景技术
计算成像极大地改变了传统成像所见即所得的模式，通过计算机的后期处理，克服了传统成像***成像不完善的弊病，而且降低了成像***的尺寸和重量。无透镜成像是计算成像的一种实现方式。无透镜成像方法无需透镜可以直接对待测目标成像，因其高分辨率、大视场及无相差等特性成为计算成像领域的一个研究热点。传统的无透镜成像技术是通过不同衍射距离下的多幅强度图样迭代重建出样品的完整波前信息，即多距离相位恢复技术。多距离相位恢复成像***存在倾斜照明、收敛迟滞、初始距离无法直接测量、分辨率受限等问题。
鉴于传统多距离无透镜成像方法的弊端，本发明提出了一种带有负反馈调节的无透镜成像方法及***，使用一幅衍射光斑，无需移动图像采集装置，即可实现对待测目标的直接成像。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种带有负反馈调节的无透镜成像方法，使用一幅衍射光斑，无需移动图像采集装置，即可实现对待测目标的直接成像，整套装置的成本低，且可以用于实时动态成像。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种带有负反馈调节的无透镜成像方法，该方法在激光器的出射光路的光轴上依次布置有扩束器、待测平板、图像传感器，该方法包括如下步骤：
S1：使用所述图像传感器在某一位置上采集一幅含有所述的待测平板信息的衍射光斑；
S2：分别设置所述待测平板的支持域D、所述待测平板与所述图像传感器之间的距离d、负反馈权重系数β、相位优化步长stepphase、振幅优化步长stepamp、待测平板重建的迭代总数N、波前检测的初始迭代计数i＝1、待测平板重建复振幅初始估计值g1(x,y)，其中，(x,y)为所述待测平板的坐标；
S3：构建优化目标函数E
Figure BDA0003041789330000021
其中，I是在d位置处采集的衍射光斑，U是待测平板在位置d处的衍射积分；W(u,v)是权重分布，用来移除图像传感器上信噪比低的像素点和坏点；
S4：对所述待测平板的支持域D内的部分，首先采用公式(2)～(5)计算波前优化的相位梯度
Figure BDA0003041789330000022
和振幅梯度Δa，然后更新待测波前的振幅和相位，并通过公式(6)对估计的波前进行梯度优化，得到所述支持域D内的复振幅
Figure BDA0003041789330000023
Figure BDA0003041789330000024
Figure BDA0003041789330000025
Figure BDA0003041789330000026
Figure BDA0003041789330000027
Figure BDA0003041789330000028
其中，gi(x,y)表示第i次迭代的待测平板的复振幅输入估计值，Gi(x,y)代表从待测面衍射计算到图像采集面的复振幅，
Figure BDA0003041789330000029
代表从图像采集面逆衍射计算到待测面的复振幅，j是虚数，*代表取复共轭，Im()代表取虚部，Re()代表取实部，
Figure BDA00030417893300000210
和
Figure BDA00030417893300000211
分别代表衍射计算算子和逆衍射计算算子；
对所述待测平板的支持域D外的部分
Figure BDA00030417893300000212
通过公式(7)～(9)来计算复振幅估计值
Figure BDA00030417893300000213
Figure BDA00030417893300000214
Figure BDA00030417893300000215
Figure BDA00030417893300000216
其中，β是权重常数，一般取0.75；
S5：计算下一次迭代的输入复振幅
Figure BDA00030417893300000217
S6：如果i<N，i＝i+1，并返回S4，否则结束迭代，获得满足衍射光斑约束的复振幅估计值；
S7：对S6获得的复振幅估计值的振幅和相位分别使用去噪算法处理，移除噪声影响，并截取支持域之内的复振幅估计值得到真实的待测平板复振幅。
进一步地，所述S4中的衍射计算算子优先使用角谱衍射理论计算。
进一步地，所述S7中的去噪算法优先使用BM3D去噪算法。
进一步地，S4中的梯度优化的方法优选梯度下降法。
本发明的有益效果如下：
本发明的带有负反馈调节的无透镜成像方法利用一幅衍射光斑图实现无透镜待测平板的相位和振幅的重建，通过在支持域之外叠加负反馈实现了算法的快速收敛，并克服了传统相位恢复算法中孪生像的问题；支持域内使用梯度优化算法提高了算法灵活度。另外，本发明的方法使用单图成像，克服了传统无透镜成像方法中多图成像中轴向位置测不准以及横向位置不匹配造成的误差，且本发明的一幅衍射光斑图实现波前重建能够适用于实时动态成像。
附图说明
图1是本发明的带有负反馈调节的无透镜成像的装置示意图；
图2是本发明的带有负反馈调节的无透镜成像方法的流程图；
图3是本发明的带有负反馈调节的无透镜成像方法与传统方法的结果对比图，其中，图(a1)和(a2)分别为本发明所提方法的恢复的振幅和相位，图(b1)和(b2)分别为多图无透镜成像方法恢复的振幅和相位，图(c1)和(c2)分别为真实图的振幅和相位。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的带有负反馈调节的无透镜成像方法的装置，在激光器1的出射光路的光轴上依次布置有扩束器2、待测平板3、图像传感器4，该方法包括如下步骤：
S1：使用图像传感器4，在某一位置上采集一幅含有待测平板信息的衍射光斑；
S2：分别设置待测平板3的支持域D、待测平板3与图像传感器4之间的距离d、负反馈权重系数β、相位优化步长stepphase、振幅优化步长stepamp、待测平板重建的迭代总数N、波前检测的初始迭代计数i＝1、待测平板重建复振幅初始估计值g1(x,y)，其中，(x,y)为待测平板3的坐标；
S3：构建优化目标函数E
Figure BDA0003041789330000041
其中，I是在d位置处采集的衍射光斑，U是待测平板在位置d处的衍射积分；W(u,v)是权重分布，用来移除图像传感器4上信噪比低的像素点和坏点；
S4：对待测平板3的支持域D内的部分，首先采用公式(2)～(5)计算波前优化的相位梯度
Figure BDA0003041789330000042
和振幅梯度Δa，然后更新待测波前的振幅和相位，并通过公式(6)对估计的波前进行梯度优化，得到支持域D内的复振幅
Figure BDA0003041789330000043
Figure BDA0003041789330000044
Figure BDA0003041789330000045
Figure BDA0003041789330000046
Figure BDA0003041789330000047
Figure BDA0003041789330000048
其中，gi(x,y)表示第i次迭代的待测平板的复振幅输入估计值，Gi(x,y)代表从待测面衍射计算到图像采集面的复振幅，
Figure BDA0003041789330000049
代表从图像采集面逆衍射计算到待测面的复振幅，j是虚数，*代表取复共轭，Im()代表取虚部，Re()代表取实部，
Figure BDA00030417893300000410
和
Figure BDA00030417893300000411
分别代表衍射计算算子和逆衍射计算算子；
对所述待测平板的支持域D外的部分
Figure BDA00030417893300000412
通过公式(7)～(9)来计算复振幅估计值
Figure BDA00030417893300000413
Figure BDA00030417893300000414
Figure BDA00030417893300000415
Figure BDA00030417893300000416
其中，β是权重常数，一般取0.75；
S5：计算下一次迭代的输入复振幅
Figure BDA0003041789330000051
S6：如果i<N，i＝i+1，并返回S4，否则结束迭代，获得满足衍射光斑约束的复振幅估计值；
S7：对S6获得的复振幅估计值的振幅和相位分别使用去噪算法处理，移除噪声影响，并截取支持域之内的复振幅估计值得到真实的待测平板复振幅。
考虑到无透镜成像模型及角谱衍射理论计算精度最高，所述S4和S6中的衍射计算算子优先使用角谱衍射理论计算。
考虑到去噪效果好及精度高，所述S8中的去噪算法优先使用BM3D去噪算法。
为了保证梯度优化的效果最好，因此S4中的梯度优化优选梯度下降法。
下面给出本发明的方法的一个具体实施例，对该方法的技术效果进行说明
这里选择，d＝200mm，口径D＝5mm，相位优化步长stepphase＝-0.4、振幅优化步长stepamp＝0.01、相位成像的迭代总数N＝5000，β＝0.75。
在该实施例中，采集一幅图像进行波前的相位和振幅重建，所述的图像传感器与待测平板之间的距离为200mm，选用的衍射计算模型为角谱衍射模型，图3(a1)和(a2)分别为本发明所提方法的恢复的振幅和相位，图3(b1)和(b2)分别为多图无透镜成像方法恢复的振幅和相位。从图中可以看出，本发明提出的方法用一幅图即可精准恢复波前的振幅和相位，恢复结果与真实值形貌轮廓一致，传统的多图无透镜成像方法恢复的振幅和相位精度较差。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种带有负反馈调节的无透镜成像方法，该方法在激光器的出射光路的光轴上依次布置有扩束器、待测平板、图像传感器，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1：使用所述图像传感器在某一位置上采集一幅含有所述的待测平板信息的衍射光斑；
S2：分别设置所述待测平板的支持域D、所述待测平板与所述图像传感器之间的距离d、负反馈权重系数β、相位优化步长stepphase、振幅优化步长stepamp、待测平板重建的迭代总数N、波前检测的初始迭代计数i＝1、待测平板重建复振幅初始估计值g1(x,y)，其中，(x,y)为所述待测平板的坐标；
S3：构建优化目标函数E
Figure FDA0003041789320000011
其中，I是在d位置处采集的衍射光斑，U是待测平板在位置d处的衍射积分；W(u,v)是权重分布，用来移除图像传感器上信噪比低的像素点和坏点。
S4：对所述待测平板的支持域D内的部分，首先采用公式(2)～(5)计算波前优化的相位梯度
Figure FDA0003041789320000012
和振幅梯度Δa，然后更新待测波前的振幅和相位，并通过公式(6)对估计的波前进行梯度优化，得到所述支持域D内的复振幅
Figure FDA0003041789320000013
Figure FDA0003041789320000014
Figure FDA0003041789320000015
Figure FDA0003041789320000016
Figure FDA0003041789320000017
Figure FDA0003041789320000018
其中，gi(x,y)表示第i次迭代的待测平板的复振幅输入估计值，Gi(x,y)代表从待测面衍射计算到图像采集面的复振幅，
Figure FDA0003041789320000019
代表从图像采集面逆衍射计算到待测面的复振幅，j是虚数，*代表取复共轭，Im()代表取虚部，Re()代表取实部，
Figure FDA00030417893200000110
和
Figure FDA00030417893200000111
分别代表衍射计算算子和逆衍射计算算子；
对所述待测平板的支持域D外的部分
Figure FDA0003041789320000021
通过公式(7)～(9)来计算复振幅估计值
Figure FDA0003041789320000022
Figure FDA0003041789320000023
Figure FDA0003041789320000024
Figure FDA0003041789320000025
其中，β是权重常数，一般取0.75；
S5：计算下一次迭代的输入复振幅
Figure FDA0003041789320000026
S6：如果i<N，i＝i+1，并返回S4，否则结束迭代，获得满足衍射光斑约束的复振幅估计值；
S7：对S6获得的复振幅估计值的振幅和相位分别使用去噪算法处理，移除噪声影响，并截取支持域之内的复振幅估计值得到真实的待测平板复振幅。
2.根据权利要求1所述的带有负反馈调节的无透镜成像方法，其特征在于，所述S4中的衍射计算算子优先使用角谱衍射理论计算。
3.根据权利要求1所述的带有负反馈调节的无透镜成像方法，其特征在于，所述S7中的去噪算法优先使用BM3D去噪算法。
4.根据权利要求1所述的带有负反馈调节的无透镜成像方法，其特征在于，S4中的梯度优化的方法优选梯度下降法。
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