CN113834442A - 一种相干单像素成像***及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种相干单像素成像***及成像方法。本发明相干单像素成像***包括He‑Ne激光器、衰减片、半波片、空间滤波扩束准直***、分束器、纯相位空间光调制器、***、收集透镜、针孔滤波器、单像素探测器、数据采集卡和计算机。本发明利用一个单像素探测器不仅可以获取目标物体的振幅信息，还同时可以获取目标物体的相位信息，由于同时获取了目标物体的振幅分布和相位分布，因此可以清晰地确定目标物体的表面轮廓以及内部结构。本发明解决了传统单像素成像仅能获取振幅信息的问题，可在光学计量学和生物医学科学中得到广泛的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种结构照明的相干单像素成像***，具体地说是一种相干单像素成像***及成像方法。
背景技术
光场的光强信息和相位信息成像对生物医学、光学测量、三维成像等领域的发展具有重要意义。通过光场的相位信息，可以确定物体的表面轮廓以及内部结构，因此，光场相位信息的获取对于成像来说是至关重要的。然而，目前的单像素成像技术多是在非相干照明下对光场的强度进行调制，这样只可获取光场的强度信息，而重要的相位信息则会被自然丢失。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于结构照明的相干单像素成像***及成像方法，以解决传统单像素成像仅能获取振幅信息而不能获取相位信息的问题。
本发明的目的是这样实现的：一种相干单像素成像***，包括：
He-Ne激光器，用于发射波长为632.8nm的激光，以形成相干照明光场；
衰减片，设置在He-Ne激光器的激光光路上，用于将He-Ne激光器发射出的激光衰减到单像素探测器允许的工作范围之内；
半波片，设置在衰减片后方的激光光路上，用于将衰减后的激光由竖直偏振转变成水平偏振；
空间滤波扩束准直***，设置在半波片后方的激光光路上，用于对转变成水平偏振的激光进行扩束和准直；
分束器，设置在空间滤波扩束准直***后方的激光光路上，用于将纯相位空间光调制器调制后的结构光反射进4f***；
纯相位空间光调制器，设置在分束器后方的激光光路上，用于对扩束准直后的激光束进行纯相位调制；
4f***，包括两个焦距f均为300mm的透镜，两个透镜前后相对，设置在分束器的反射光路上，用于将相干照明总光场成像至目标物体的前表面，以形成相干结构照明；
收集透镜，其焦距f为300mm，设置在目标物体后方300mm处的分束器反射光路上，用于将物光收集至针孔滤波器处；
针孔滤波器，设置在收集透镜后方的分束器反射光路上，并置于收集透镜的后焦面处，用于透射焦点处物光的零频分量，并使之到达单像素探测器；
单像素探测器，设置在针孔滤波器后方的分束器反射光路上，用于探测透射物光的零频分量的强度；
数据采集卡，与单像素探测器电连接，用于将单像素探测器采集的透射物光零频分量的强度信息进行模数转换和数据采集；以及
计算机，分别与纯相位空间光调制器和数据采集卡电连接，用于控制纯相位空间光调制器加载的基底图案，并对数据采集卡采集的测量数据进行处理、存储和显示。
本发明的目的还可这样实现：一种相干单像素成像方法，利用本发明相干单像素成像***，进行相干Hadamard单像素成像，具体包括以下步骤：
a、利用Hadamard矩阵生成Hadamard基底矩阵序列，表示为：
其中，Puv是Hadamard基底矩阵，Hu是H的第u行的行向量，Hv是H的第v行的行向量，
代表转置共轭；
b、对每个基底矩阵，按下式进行四步相移，得到相应的相移基底矩阵：
其中，
代表0相移基底矩阵，
代表
相移基底矩阵，
代表π相移基底矩阵，
代表
相移基底矩阵；
c、通过纯相位空间光调制器的调制曲线将相移后的基底矩阵映射成基底图案，并依次加载到纯相位空间光调制器上，以对扩束准直后的激光束进行相位调制；
d、利用4f***将相移后的基底图案分别照明目标物体；
e、零频探测：将针孔滤波器置于收集透镜的后焦面，调整针孔滤波器的孔径尺寸，仅允许焦点处的物光的零频分量通过；透过目标物体的物光经过收集透镜到达针孔滤波器，并最终到达单像素探测器；
f、利用所述相干单像素成像***进行测量，获取目标物体的复值频谱，再通过逆变换，重构出目标物体的振幅与相位图像。
本发明的目的还可这样实现：一种相干单像素成像方法，利用本发明相干单像素成像***，进行相干Fourier单像素成像，具体包括以下步骤：
a、利用Fourier矩阵生成Fourier基底矩阵序列，表示为：
其中，
M为物体采样矩阵的行数，N为物体采样矩阵的列数，[·]F代表向下取整运算，[·]C代表向上取整运算；
b、对每个基底矩阵，按下式进行四步相移测量，得到四步相移基底矩阵：
其中，
代表0相移基底矩阵，
代表
相移基底矩阵，
代表π相移基底矩阵，
代表
相移基底矩阵；
c、通过纯相位空间光调制器的调制曲线将相移后的基底矩阵映射成基底图案，并依次加载到纯相位空间光调制器上，以对扩束准直后的激光束进行相位调制；
d、利用4f***将相移后的基底图案分别照明目标物体；
e、零频探测：将针孔滤波器置于收集透镜的后焦面，调整针孔滤波器的孔径尺寸，仅允许焦点处的物光的零频分量通过；透过目标物体的物光经过收集透镜到达针孔滤波器，并最终到达单像素探测器；
f、利用所述相干单像素成像***进行测量，获取目标物体的复值频谱，再通过逆变换，重构出目标物体的振幅与相位图像。
本发明利用一个单像素探测器不仅可以获取目标物体的振幅信息，还同时可以获取目标物体的相位信息，由于同时获取了目标物体的振幅分布和相位分布，因此可以清晰地确定目标物体的表面轮廓以及内部结构。本发明解决了传统单像素成像仅能获取振幅信息的问题，可在光学计量学和生物医学科学中得到广泛的应用。
附图说明
图1是本发明相干单像素成像***的***构成图。
图2是实验所用纯相位目标物体图像。
图3是实验所用自然目标物体图像。
图4是相干Hadamard单像素成像方法对纯相位目标物体的成像结果。
图5是相干Fourier单像素成像方法对纯相位目标物体的成像结果。
图6是相干Hadamard单像素成像方法对自然目标物体的成像结果。
图7是相干Fourier单像素成像方法对自然目标物体的成像结果。
具体实施方式
如图1所示，本发明相干单像素成像***包括：He-Ne激光器1、衰减片2、半波片3、空间滤波扩束准直***6、分束器7、纯相位空间光调制器8、4f***12、收集透镜13、针孔滤波器14、单像素探测器15、数据采集卡16和计算机17。本实施例采用的He-Ne激光器1为氦氖气体激光器(北大激光，HN-1700)；分束器7为大恒，GCC-403102；纯相位空间光调制器8为Holoeye Pluts VIS，像素1920×1080，像元大小8.0μm×8.0μm；4f***12中的透镜9、透镜10以及收集透镜13的焦距均为300mm，孔径大小均为50mm；针孔滤波器14针孔直径0.08mm；单像素探测器15为THORLABS PDAPC2，所选增益为70dB；数据采集卡16为MEASUREMENTCOMPUTING USB-205。
其中，He-Ne激光器1用于发射波长为632.8nm的激光，以形成相干照明光场。
衰减片2设置在He-Ne激光器1的激光光路上，用于将He-Ne激光器1发射的激光衰减到单像素探测器15允许的工作范围之内。
半波片3设置在衰减片2后方的激光光路上，用于将衰减后的激光由竖直偏振转变成水平偏振，以便于纯相位空间光调制器8的激光调制。
空间滤波扩束准直***6是由空间滤波器4(由40倍物镜和直径0.01mm的针孔所组成)和焦距f为180mm的准直透镜5构成。空间滤波扩束准直***6设置在半波片3后方的激光光路上，用于对转变成水平偏振的激光进行扩束和准直，从而提取高质量的基模高斯光束，并滤除杂散光。
分束器7设置在空间滤波扩束准直***6后方的激光光路上，用于将纯相位空间光调制器调制后的结构光反射进4f***。
纯相位空间光调制器8设置在分束器7后方的激光光路上，用于对扩束准直后的激光束进行纯相位调制，以得到相干结构的照明光场。
4f***12是由两个焦距f均为300mm的透镜9和透镜10所组成，透镜9和透镜10前后相对。4f***12设置在分束器7的反射光路上，用于将相干照明总光场成像至目标物体11的前表面，以形成相干结构照明。
收集透镜13的焦距为300mm，设置在目标物体11后方300mm处，并置于分束器7的反射光路上，用于将物光收集至针孔滤波器14处。
针孔滤波器14设置在收集透镜13后焦面上，并置于分束器反射光路上，选取合适的孔径尺寸，仅允许焦点处物光的零频分量通过，最终到达单像素探测器15。
单像素探测器15设置在针孔滤波器14后方的分束器反射光路上，用于探测透射物光的零频分量的强度。
数据采集卡16与单像素探测器15相连，用于将单像素探测器采集的透射物光零频分量的强度信息进行模数转换和数据采集。
计算机17分别与纯相位空间光调制器8和数据采集卡16电连接，用于控制纯相位空间光调制器8加载的基底图案，并处理数据采集卡16传送的测量数据。
He-Ne激光器1发出的632.8nm的激光经过衰减片2衰减后，由半波片3将激光竖直偏振转成水平偏振，之后，空间滤波扩束准直***6扩束准直激光，扩束准直后的激光由分束器7分束，其中反射光场是经由纯相位空间光调制器8调制后的相干结构照明光场，纯相位空间光调制器8加载的图案由计算机17控制，相干照明总光场利用4f***12成像至目标物体11的前表面，再通过针孔滤波器14获取物光的零频分量，最后由单像素探测器15探测。数据采集卡16与单像素探测器电连接，用于将单像素探测器采集的透射物光零频分量的强度信息进行模数转换和数据采集。计算机17分别与纯相位空间光调制器8和数据采集卡16电连接，用于控制纯相位空间光调制器8加载的基底图案，并对数据采集卡16采集的测量数据进行处理、存储和显示。
本发明基于相干照明光场相位调制的单像素成像方法包括相干Hadamard单像素成像方法和相干Fourier单像素成像方法。
本发明相干Hadamard单像素成像方法的具体操作步骤如下：
一、利用Hadamard矩阵生成Hadamard基底矩阵序列，表示为：
其中，Puv是Hadamard基底矩阵，Hu是H的第u行的行向量，Hv是H的第v行的行向量，
代表转置共轭。
二、对每个基底矩阵，按照公式(2)进行四步相移测量，得到四步相移基底矩阵：
其中，
代表0相移基底矩阵，
代表
相移基底矩阵，
代表π相移基底矩阵，
代表
相移基底矩阵。
三、通过纯相位空间光调制器的调制曲线将相移后的基底矩阵映射成基底图案，并依次加载到纯相位空间光调制器上，以对扩束准直后的激光束进行相位调制。
四、利用4f***将相移后的基底图案分别照明目标物体。
五、将针孔滤波器置于收集透镜的后焦面，调整针孔滤波器的孔径尺寸，仅允许焦点处的物光的零频分量通过；再选定测量矩阵，设置测量矩阵的参数：设定重构图像的大小为128×128，设定投影图像的大小为256×256，图像投影后的延迟时间为0.1s，采样速率(即每一通道每秒采样点数)为120000；每幅基底图案调制时，各通道采样点数为10000，用于计算平均强度。透过目标物体的物光经过收集透镜到达针孔滤波器，并最终到达单像素探测器。
六、利用本发明相干单像素成像***进行测量，获取目标物体的复值频谱，再通过逆变换，重构出目标物体的振幅与相位图像。
本发明相干Fourier单像素成像方法的具体操作步骤如下：
一、利用Fourier矩阵生成Fourier基底矩阵序列表示为：
其中，
M为物体采样矩阵的行数，N为物体采样矩阵的列数，[·]F代表向下取整运算，[·]C代表向上取整运算；
二、对每个基底矩阵，按照公式(4)进行四步相移测量，得到四步相移基底矩阵：
其中，
代表0相移基底矩阵，
代表
相移基底矩阵，
代表π相移基底矩阵，
代表
相移基底矩阵。
三、通过纯相位空间光调制器的调制曲线将相移后的基底矩阵映射成基底图案，并依次加载到纯相位空间光调制器上，以对扩束准直后的激光束进行相位调制。
四、利用4f***将相移后的基底图案分别照明目标物体。
五、将针孔滤波器置于收集透镜的后焦面，调整针孔滤波器的孔径尺寸，仅允许焦点处的物光的零频分量通过；再选定测量矩阵，设置测量矩阵的参数：设定重构图像的大小为128×128，设定投影图像的大小为256×256，图像投影后的延迟时间为0.1s，采样速率(即每一通道每秒采样点数)为120000；每幅基底图案调制时，各通道采样点数为10000，用于计算平均强度。透过目标物体的物光经过收集透镜到达针孔滤波器，并最终到达单像素探测器。
六、利用本发明相干单像素成像***进行测量，获取目标物体的复值频谱，再通过逆变换，重构出目标物体的振幅与相位图像。
本发明以图2所示的长为3mm，宽为1mm，刻蚀深度为730nm“CHN”的光学玻璃作为纯相位目标物体图像，按照上述操作步骤进行成像，并最终得到了图4所示的相干Hadamard单像素成像以及图5所示的相干Fourier单像素成像结果。
另外，本发明还以图3所示的边长为2mm的蜻蜓翅膀作为自然目标物体图像，按照上述操作步骤进行成像，并最终得到了图6所示的相干Hadamard单像素成像以及图7所示的相干Fourier单像素成像结果。
由图2和图3所示普通相机成像结果可以看出，普通相机只可获取目标物体的振幅信息，而通过利用本发明所述成像***和成像方法所得到的图4～图7所示的成像结果可以看出，本发明成像方法可以同时很好的获取目标物体的振幅信息和相位信息。其中，图4(c)和图5(c)分别是本发明相干Hadamard单像素成像方法和相干Fourier单像素成像方法对纯相位目标物体的振幅信息的成像结果。可以看出，本发明成像方法可以很好地获取目标物体的振幅信息；图4(d)和图5(d)分别是本发明相干Hadamard单像素成像方法和相干Fourier单像素成像方法对纯相位目标物体的相位信息的成像结果。可以看出，本发明成像方法可以同时很好地获取目标物体的相位信息；图6(c)和图7(c)分别是本发明相干Hadamard单像素成像方法和相干Fourier单像素成像方法对自然目标物体的振幅信息的成像结果。可以看出，本发明成像方法也可以很好地获取自然物体的振幅信息。图6(d)和图7(d)分别是本发明相干Hadamard单像素成像方法和相干Fourier单像素成像方法对自然目标物体的相位信息的成像结果，可以看出，本发明成像方法可以很好地获取自然物体的相位信息。
Claims (4)
1.一种相干单像素成像***，其特征是，包括：
He-Ne激光器，用于发射波长为632.8nm的激光，以形成相干照明光场；
衰减片，设置在He-Ne激光器的激光光路上，用于将He-Ne激光器发射出的激光衰减到单像素探测器允许的工作范围之内；
半波片，设置在衰减片后方的激光光路上，用于将衰减后的激光由竖直偏振转变成水平偏振；
空间滤波扩束准直***，设置在半波片后方的激光光路上，用于对转变成水平偏振的激光进行扩束和准直；
分束器，设置在空间滤波扩束准直***后方的激光光路上，用于将纯相位空间光调制器调制后的结构光反射进4f***；
纯相位空间光调制器，设置在分束器后方的激光光路上，用于对扩束准直后的激光束进行纯相位调制；
4f***，包括两个焦距f均为300mm的透镜，两个透镜前后相对，设置在分束器的反射光路上，用于将相干照明总光场成像至目标物体的前表面，以形成相干结构照明；
收集透镜，其焦距f为300mm，设置在目标物体后方300mm处的分束器反射光路上，用于将物光收集至针孔滤波器处；
针孔滤波器，设置在收集透镜后方的分束器反射光路上，并置于收集透镜的后焦面处，用于透射焦点处物光的零频分量，并使之到达单像素探测器；
单像素探测器，设置在针孔滤波器后方的分束器反射光路上，用于探测透射物光的零频分量的强度；数据采集卡，与单像素探测器电连接，用于将单像素探测器采集的透射物光零频分量的强度信息进行模数转换和数据采集；以及
计算机，分别与纯相位空间光调制器和数据采集卡电连接，用于控制纯相位空间光调制器加载的基底图案，并对数据采集卡采集的测量数据进行处理、存储和显示。
2.根据权利要求1所述的相干单像素成像***，其特征是，所述空间滤波扩束准直***包括空间滤波器和准直透镜；所述空间滤波器包括40倍物镜以及直径为0.01mm的针孔；所述准直透镜的焦距f为180mm。
3.一种相干单像素成像方法，其特征是，利用权利要求1～2任一权利要求所述相干单像素成像***，进行相干Hadamard单像素成像，具体包括以下步骤：
a、利用Hadamard矩阵生成Hadamard基底矩阵序列，表示为：
其中，Puv是Hadamard基底矩阵，Hu是H的第u行的行向量，Hv是H的第v行的行向量，
代表转置共轭；
b、对每个基底矩阵，按下式进行四步相移，得到相应的相移基底矩阵：
其中，
代表0相移基底矩阵，
代表
相移基底矩阵，
代表π相移基底矩阵，
代表
相移基底矩阵；
c、通过纯相位空间光调制器的调制曲线将相移后的基底矩阵映射成基底图案，并依次加载到纯相位空间光调制器上，以对扩束准直后的激光束进行相位调制；
d、利用4f***将相移后的基底图案分别照明目标物体；
e、零频探测：将针孔滤波器置于收集透镜的后焦面，调整针孔滤波器的孔径尺寸，仅允许焦点处的物光的零频分量通过；透过目标物体的物光经过收集透镜到达针孔滤波器，并最终到达单像素探测器；
f、利用所述相干单像素成像***进行测量，获取目标物体的复值频谱，再通过逆变换，重构出目标物体的振幅与相位图像。
4.一种相干单像素成像方法，其特征是，利用权利要求1～2任一权利要求所述相干单像素成像***，进行相干Fourier单像素成像，具体包括以下步骤：
a、利用Fourier矩阵生成Fourier基底矩阵序列，表示为：
其中，
M为物体采样矩阵的行数，N为物体采样矩阵的列数，[·]F代表向下取整运算，[·]C代表向上取整运算；
b、对每个基底矩阵，按下式进行四步相移测量，得到四步相移基底矩阵：
其中，
代表0相移基底矩阵，
代表
相移基底矩阵，
代表π相移基底矩阵，
代表
相移基底矩阵；
c、通过纯相位空间光调制器的调制曲线将相移后的基底矩阵映射成基底图案，并依次加载到纯相位空间光调制器上，以对扩束准直后的激光束进行相位调制；
d、利用4f***将相移后的基底图案分别照明目标物体；
e、零频探测：将针孔滤波器置于收集透镜的后焦面，调整针孔滤波器的孔径尺寸，仅允许焦点处的物光的零频分量通过；透过目标物体的物光经过收集透镜到达针孔滤波器，并最终到达单像素探测器；
f、利用所述相干单像素成像***进行测量，获取目标物体的复值频谱，再通过逆变换，重构出目标物体的振幅与相位图像。
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|---|---|---|---|
| CN202111114473.0A CN113834442A (zh) | 2021-09-23 | 2021-09-23 | 一种相干单像素成像***及成像方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111114473.0A CN113834442A (zh) | 2021-09-23 | 2021-09-23 | 一种相干单像素成像***及成像方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN113834442A true CN113834442A (zh) | 2021-12-24 |
Family
ID=78969262
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111114473.0A Pending CN113834442A (zh) | 2021-09-23 | 2021-09-23 | 一种相干单像素成像***及成像方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113834442A (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110864817A (zh) * | 2019-11-22 | 2020-03-06 | 山东大学 | 基于单像素探测器的非干涉定量相位成像方法 |
| CN111474145A (zh) * | 2020-03-19 | 2020-07-31 | 清华大学 | 单像素荧光和相位成像***及方法 |
| CN112804513A (zh) * | 2021-01-05 | 2021-05-14 | 暨南大学 | 一种光场相机及成像方法 |
-
2021
- 2021-09-23 CN CN202111114473.0A patent/CN113834442A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110864817A (zh) * | 2019-11-22 | 2020-03-06 | 山东大学 | 基于单像素探测器的非干涉定量相位成像方法 |
| CN111474145A (zh) * | 2020-03-19 | 2020-07-31 | 清华大学 | 单像素荧光和相位成像***及方法 |
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