一种自然光照明的高速大场景相位恢复数据采集装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种自然光照明的高速大场景相位恢复数据采集装置，包括带通滤波器、偏振片、空间光调制器、LCD显示屏和CCD阵列；所述偏振片设置在带通滤波器的出射光路上，所述空间光调制器设置在偏振片的出射光路上，所述LCD显示屏设置在空间光调制器的出射光路上，所述CCD阵列设置在LCD显示屏的出射光路上。本发明专利技术可以避免传统相位恢复中采集强度图像所引入的机械移动，提高了数据采集速度；同时，可压缩传感思想的引入，使得本发明专利技术可以在少量数据采集的情况下，获得与传统相机同样的采集效果，整个装置能够满足高速大场景中相位恢复对数据采集的需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学测量、成像
，具体是一种自然光照明的高速大场景相位恢复数据采集装置。
技术介绍
完整的光场包含了强度、波长和相位等信息。相位信息比强度信息更加重要，其重要性在光学测量、自适应光学、显微学、生物医学、X射线光学等领域显得特别突出。可惜的是，光场的振荡频率太高，人眼与现有的光学探测仪器都只能记录光场的强度信息，而不能直接记录光场的相位信息。最经典的相位测量方法是干涉测量法。然而干涉测量法至少存在以下缺点：(1)波场沿着不同的独立路径进入传感器区域，测量结果会受到振动的严重损坏(环境干扰造成的)；(2)光源的时间相干要求很高，从而需要较为复杂的干涉装置等。另一类非常重要的非干涉相位测量技术称为相位恢复技术。强度传输方程法是相位恢复方法中的一种典型方法，该方程将光场的强度、相位与强度的纵向变化联系在一起，方程形式如下：其中光波沿着z方向传播，λ代表光波长，I和分别表示z0位置的强度和相位。该方程中，强度的偏导数很难计算，通常需要采集多幅强度图像近似获得。例如，可以使用z0+Δz和z0-Δz位置的强度信息按照如下差分计算公式得到：∂I(x,y,z0)∂z=I(x,y,z0+Δz)-I(x,y,z0-Δz)2Δz---(2)]]>为了采集这些强度图像以及获取图像间距离参数Δz，可以采用一些特殊的装置。例如，使用图1所示的透镜系统进行成像，该平台系统构造简单，使用方便，可以在捕捉图像的同时利用高精度平移台测得参数Δz的数值，但是，该平台系统每次只能捕捉一幅图像，也就是说需要通过移动待测物体或者相机实现多幅强度图像的采集要求，这不可避免地降低了数据采集的速度，同时，强度图像采集中所引入的机械移动也降低了参数测量的精度。再例如中国专利CN102281394B提供的便携式采集读数摄像机，该摄像机的原理和图1系统类似，仍然需要通过机械移动获得不同距离的图像。针对此问题，近年来也出现了一些改进的方法，例如用体全息分束的方法形成多幅强度图像，再例如通过微流体设备使样品自动离焦等。虽然这些方法避免了机械移动，但是都需要特殊的成像元件，前者需要体全息装置，后者需要流式细胞仪，这些降低了系统的实用性。另一方面，传统的照相机的基本原理是小孔成像理论，其分辨率受到焦平面阵列尺寸和精度的限制，为了获得更高像素的图像，只能设法降低焦平面阵列的最小尺寸。这种方式目前已经达到一种瓶颈状态，造成更大规模、更广动态范围的数据获取、处理、存储与传输面临着巨大的挑战，已有的采集装置不能满足强度传输方程法在高速大场景中进行物体相位恢复时对数据采集的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于基于强度传输方程和可压缩传感理论，提供一种自然光照明的高速大场景相位恢复数据采集装置，在降低数据采集量的前提下实时采集强度图像，并且整个装置中无需使用镜头。本专利技术的技术方案为：一种自然光照明的高速大场景相位恢复数据采集装置，包括带通滤波器、偏振片、空间光调制器、LCD显示屏和CCD阵列；所述偏振片设置在带通滤波器的出射光路上，所述空间光调制器设置在偏振片的出射光路上，所述LCD显示屏设置在空间光调制器的出射光路上，所述CCD阵列设置在LCD显示屏的出射光路上；所述空间光调制器为相位型；所述LCD显示屏包括若干个拼接成阵列且能够随机打开的显示子屏；所述CCD阵列包括分光镜和若干个CCD图像传感器，其中一部分CCD图像传感器设置在分光镜的反射光路上，其余的设置在分光镜的透射光路上，且设置在分光镜反射光路和透射光路上的CCD图像传感器数量相等；所述带通滤波器和偏振片，用于将自然光转变成部分相干光；所述空间光调制器，用于根据实际要求加载不同的相位调制图对入射的部分相干光进行调制以模拟实现不同焦距的透镜；所述LCD显示屏，用于让经过调制的部分相干光通过随机打开的显示子屏，入射到CCD阵列中的分光镜上；所述CCD阵列中的若干个CCD图像传感器，用于记录待重建强度图像的各个像素点。所述的自然光照明的高速大场景相位恢复数据采集装置，所述LCD显示屏的出射光经过分光镜后到达各个CCD图像传感器的光程相等。本专利技术的有益效果为：由上述技术方案可知，本专利技术利用带通滤波器和偏振光将自然光转换成部分相干光，并利用空间光调制器对光场的调制作用，通过加载相位调制图实现不同焦距透镜的模拟，从而实现在不进行机械移动的情况下获得不同位置的强度图像，并且使用可以电动控制的LCD显示屏让光线随机进入CCD阵列中，结合可压缩传感理论实现大场景数据的压缩采样。本专利技术可以避免传统相位恢复中采集强度图像所引入的机械移动，提高了数据采集速度；同时，可压缩传感思想的引入，使得本专利技术可以在少量数据采集的情况下，获得与传统相机同样的采集效果，整个装置能够满足高速大场景中相位恢复对数据采集的需求。附图说明图1是现有的单CCD图像数据采集光学平台系统；图2是本专利技术的结构示意图；图3是本专利技术CCD阵列的内部示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例进一步说明本专利技术。如图2所示，一种自然光照明的高速大场景相位恢复数据采集装置，包括带通滤波器1、偏振片2、空间光调制器3、LCD显示屏4和CCD阵列5。偏振片2设置在带通滤波器1出射光路上，空间光调制器3设置在偏振片2的出射光路上，LCD显示屏4设置在空间光调制器3的透射光路上，CCD阵列5设置在LCD显示屏4的透射光路上。空间光调制器3为相位型。CCD阵列5内部包含了分光镜51以及多个三色CCD图像传感器52、53、54、55、56和57，其中，CCD图像传感器52、53和54设置在分光镜51的反射光路上，CCD图像传感器55、56和57设置在分光镜51的透射光路上，LCD显示屏4的出射光经过分光镜51后到达各个CCD图像传感器52、53、54、55、56和57的光程相等。本专利技术的工作原理：当对自然光下大场景物体进行相位恢复时，首先让自然光通过带通滤波器1和偏振片2转变成部分相干光；空间光调制器3对入射光波进行调制后出射至LCD显示屏4上，LCD显示屏4将入射光波随机通过后出射至CCD阵列5上。空间光调制器3可以根据实际要求加载不同的相位调制图对光场进行调制以模拟实现不同焦距的透镜，进而对应不同位置的强度图像。本专利技术中在空间光调制器3上加载的相位调制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自然光照明的高速大场景相位恢复数据采集装置，其特征在于：包括带通滤波器、偏振片、空间光调制器、LCD显示屏和CCD阵列；所述偏振片设置在带通滤波器的出射光路上，所述空间光调制器设置在偏振片的出射光路上，所述LCD显示屏设置在空间光调制器的出射光路上，所述CCD阵列设置在LCD显示屏的出射光路上；所述空间光调制器为相位型；所述LCD显示屏包括若干个拼接成阵列且能够随机打开的显示子屏；所述CCD阵列包括分光镜和若干个CCD图像传感器，其中一部分CCD图像传感器设置在分光镜的反射光路上，其余的设置在分光镜的透射光路上，且设置在分光镜反射光路和透射光路上的CCD图像传感器数量相等；所述带通滤波器和偏振片，用于将自然光转变成部分相干光；所述空间光调制器，用于根据实际要求加载不同的相位调制图对入射的部分相干光进行调制以模拟实现不同焦距的透镜；所述LCD显示屏，用于让经过调制的部分相干光通过随机打开的显示子屏，入射到CCD阵列中的分光镜上；所述CCD阵列中的若干个CCD图像传感器，用于记录待重建强度图像的各个像素点。

【技术特征摘要】
1.一种自然光照明的高速大场景相位恢复数据采集装置，其特征在于：包括带通滤波器、偏振片、空间光调制器、LCD显示屏和CCD阵列；所述偏振片设置在带通滤波器的出射光路上，所述空间光调制器设置在偏振片的出射光路上，所述LCD显示屏设置在空间光调制器的出射光路上，所述CCD阵列设置在LCD显示屏的出射光路上；
所述空间光调制器为相位型；所述LCD显示屏包括若干个拼接成阵列且能够随机打开的显示子屏；所述CCD阵列包括分光镜和若干个CCD图像传感器，其中一部分CCD图像传感器设置在分光镜的反射光路上，其余的设置在分光镜的透射光路上，且设置在分光镜反射光路和...

【专利技术属性】
技术研发人员：程鸿，沈川，张成，吕倩倩，陈娅萍，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34