基于幅度调制的单像素相位成像方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种基于幅度调制的单像素相位成像方法和装置，其中，方法包括：获取多个幅度调制图案，并依次将多个幅度调制图案加载至空间光调制器；将空间光调制器依次根据多个幅度调制图案对预设光源调制后的光源投射至目标物体；通过单像素探测器依次获取多个幅度调制图案分别投射至目标物体后对应的光学傅里叶平面的多个中心光强；根据交替投影的相位恢复优化算法对多个幅度调制图案和对应的多个中心光强计算，获取目标物体的幅度相位信息，并根据幅度相位信息确定目标物体的图像。本发明专利技术单像素相位成像方法具有光路简单，光效率强，鲁棒性强、高信噪比、宽光谱范围、低成本、系统配置灵活等显著的优点。

Single Pixel Phase Imaging Method and Device Based on Amplitude Modulation

【技术实现步骤摘要】
基于幅度调制的单像素相位成像方法和装置
本专利技术涉及计算摄像学
，尤其涉及一种基于幅度调制的单像素相位成像方法和装置。
技术介绍
光波相位信息的获取是光学测量中的一个重要课题，在生物医学、材料科学等领域有着无可替代的应用价值。当一束光透过物体后，其强度和相位会同时被物体调制，但只有强度信息可以直接通过探测器记录，相位信息则通常受限于探测器的有限响应速度而丢失。然而，光波的相位是物体表面形状、厚度以及细节信息的体现，往往比强度包含了更多的信息。相位成像是一种观测光场的强度和相位的技术，其采取特定的方法通过接收光强反演重建得到光波相位，目前在光学、波前检测、医学成像、数字全息等领域已经得到了广泛的应用。传统的定量相位成像方法可根据定量相位的获取是否使用干涉技术分为干涉法和非干涉法。大部分定量相位成像技术都是基于干涉法，通过透过光和参考光发生干涉产生干涉条纹，从干涉条纹中获取相位信息。例如，傅里叶相位显微技术(FPM)、希尔伯特相位显微技术(HPM)、双干涉通道定量相位显微技术(DQPM)等。虽然干涉测量精度较高，但是复杂的光路以及对外界环境的敏感性使得其应用受到限制。非干涉法主要包括基于强度传递方程(TIE)的方法和相干衍射成像(CDI)方法，其核心为相位恢复，即通过已测量的光场的强度分布对丢失的相位信息进行计算重构。这类方法由于不需要严格相干的光源而具有更加广泛的应用范围。上述相位成像方法均采用二维阵列探测器，光路校准较为复杂，并且成像波段受限，信噪比较低。基于单像素探测器的计算成像是一种新型成像方法。不同于传统相位成像方法，单像素成像采用只具有的单个传感单元的探测器来探测物体透射或反射的光强，具有高信噪比、宽光谱范围、低成本、系统配置灵活等特性。近年来，已有研究将单像素成像方法应用于物体相位的获取中，包括基于鬼影成像和基于相移全息术的方法。鬼影全息技术利用随机散射斑图案对目标进行采样，并基于与单像素强度测量的相关性来重建相位。在相移全息术中，全息图可以由一组干涉图得到，每个干涉图在信号和参考光束之间具有恒定的相移。现有的单像素相位成像方法存在问题：(1)需要较多的相位调制结构光照，光路复杂，光效率差；(2)直接求逆重建，鲁棒性差。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的第一个目的在于提出一种基于幅度调制的单像素相位成像方法，解决了现有技术中单像素相位成像方法存在需要较多的相位调制结构光照，光路复杂，光效率差，直接求逆重建，鲁棒性差的技术问题，具有高信噪比、宽光谱范围、低成本、系统配置灵活等特性。本专利技术的第二个目的在于提出一种基于幅度调制的单像素相位成像装置。本专利技术的第三个目的在于提出一种计算机设备。本专利技术的第四个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。为达上述目的，本专利技术第一方面实施例提出了一种基于幅度调制的单像素相位成像方法，所述方法应用在单像素相位成像光路中，所述单像素相位成像光路从左到右依次包括：光源、空间光调制器、目标物体和单像素探测器，所述方法包括以下步骤：获取多个幅度调制图案，并依次将所述多个幅度调制图案加载至所述空间光调制器；控制所述空间光调制器依次根据所述多个幅度调制图案对预设光源调制后的光源投射至目标物体；通过所述单像素探测器依次获取所述多个幅度调制图案分别投射至所述目标物体后对应的光学傅里叶平面的多个中心光强；根据交替投影的相位恢复优化算法对所述多个幅度调制图案和对应的所述多个中心光强计算，获取所述目标物体的幅度相位信息，并根据所述幅度相位信息确定所述目标物体的图像。本专利技术实施例的基于幅度调制的单像素相位成像方法，解决了现有技术中单像素相位成像方法存在需要较多的相位调制结构光照，光路复杂，光效率差，直接求逆重建，鲁棒性差的技术问题，具有高信噪比、宽光谱范围、低成本、系统配置灵活等特性。本专利技术的实施例中，所述光源为相干光源，所述空间光调制器包括但不限于数字微镜器件、LCD、LCOS。本专利技术的实施例中，所述多个幅度调制图案中的每个幅度调制图案，包括：随机灰度图案、随机0-1图案、正弦图案、哈达玛图案中的任意一种。本专利技术的实施例中，所述通过所述单像素探测器依次获取所述多个幅度调制图案分别投射至所述目标物体后对应的光学傅里叶平面的多个中心光强，包括：将所述多个幅度调制图案分别投射至所述目标物体后的多个图案输入预设的成像数学模型，获取所述多个中心光强，其中，所述成像数学模型的公式如下：其中，为第m个幅度调制图案，为所述目标物体的复图像，i和j是离散坐标(i＝1，2，…n，j＝1，2，…n，)，⊙表示点积运算，表示对二维矩阵进行求和运算，对应于第m个幅度调制图案的中心光强。本专利技术的实施例中，所述相位恢复优化算法，包括：基于交替投影算法、基于WirtingerFlow算法、基于半定规划算法中的任意一种。为达上述目的，本专利技术第二方面实施例提出了一种基于幅度调制的单像素相位成像装置，所述装置应用在单像素相位成像光路中，所述单像素相位成像光路从左到右依次包括：光源、空间光调制器、目标物体和单像素探测器，所述装置包括：加载模块，用于获取多个幅度调制图案，并依次将所述多个幅度调制图案加载至所述空间光调制器；投射模块，用于控制所述空间光调制器依次根据所述多个幅度调制图案对预设光源调制后的光源投射至目标物体；第一获取模块，用于通过所述单像素探测器依次获取所述多个幅度调制图案分别投射至所述目标物体后对应的光学傅里叶平面的多个中心光强；第二获取模块，用于根据交替投影的相位恢复优化算法对所述多个幅度调制图案和对应的所述多个中心光强计算，获取所述目标物体的幅度相位信息；确定模块，用于根据所述幅度相位信息确定所述目标物体的图像。本专利技术的实施例中，所述光源为相干光源，所述空间光调制器包括但不限于数字微镜器件、LCD、LCOS。本专利技术的实施例中，所述多个幅度调制图案中的每个幅度调制图案，包括：随机灰度图案、随机0-1图案、正弦图案、哈达玛图案中的任意一种。本专利技术实施例的基于幅度调制的单像素相位成像装置，通过加载模块、投射模块、第一获取模块、第二获取模块和确定模块，解决了现有技术中单像素相位成像方法存在需要较多的相位调制结构光照，光路复杂，光效率差，直接求逆重建，鲁棒性差的技术问题，具有高信噪比、宽光谱范围、低成本、系统配置灵活等特性。为达上述目的，本专利技术第三方面实施例提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-5任一所述的基于幅度调制的单像素相位成像方法。为了实现上述目的，本专利技术第四方面实施例提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任一所述的基于幅度调制的单像素相位成像方法。本专利技术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，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为本专利技术实施例的基于幅度调制的单像素相位成像方法的光路示意图；图2为本专利技术实施例的基于幅度调制的单像素相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于幅度调制的单像素相位成像方法，其特征在于，所述方法应用在单像素相位成像光路中，所述单像素相位成像光路从左到右依次包括：光源、空间光调制器、目标物体和单像素探测器，所述方法包括以下步骤：获取多个幅度调制图案，并依次将所述多个幅度调制图案加载至所述空间光调制器；控制所述空间光调制器依次根据所述多个幅度调制图案对预设光源调制后的光源投射至目标物体；通过所述单像素探测器依次获取所述多个幅度调制图案分别投射至所述目标物体后对应的光学傅里叶平面的多个中心光强；根据交替投影的相位恢复优化算法对所述多个幅度调制图案和对应的所述多个中心光强计算，获取所述目标物体的幅度相位信息，并根据所述幅度相位信息确定所述目标物体的图像。

【技术特征摘要】
1.一种基于幅度调制的单像素相位成像方法，其特征在于，所述方法应用在单像素相位成像光路中，所述单像素相位成像光路从左到右依次包括：光源、空间光调制器、目标物体和单像素探测器，所述方法包括以下步骤：获取多个幅度调制图案，并依次将所述多个幅度调制图案加载至所述空间光调制器；控制所述空间光调制器依次根据所述多个幅度调制图案对预设光源调制后的光源投射至目标物体；通过所述单像素探测器依次获取所述多个幅度调制图案分别投射至所述目标物体后对应的光学傅里叶平面的多个中心光强；根据交替投影的相位恢复优化算法对所述多个幅度调制图案和对应的所述多个中心光强计算，获取所述目标物体的幅度相位信息，并根据所述幅度相位信息确定所述目标物体的图像。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光源为相干光源，所述空间光调制器包括但不限于数字微镜器件、LCD、LCOS。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个幅度调制图案中的每个幅度调制图案，包括：随机灰度图案、随机0-1图案、正弦图案、哈达玛图案中的任意一种。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述单像素探测器依次获取所述多个幅度调制图案分别投射至所述目标物体后对应的光学傅里叶平面的多个中心光强，包括：将所述多个幅度调制图案分别投射至所述目标物体后的多个图案输入预设的成像数学模型，获取所述多个中心光强，其中，所述成像数学模型的公式如下：其中，为第m个幅度调制图案，为所述目标物体的复图像，i和j是离散坐标(i＝1，2，…n，j＝1，2，…n，)，⊙表示点积运算，表示对二维矩阵进行求和运算，对应于第m个幅度调制图案的中心光强。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相位恢...

【专利技术属性】
技术研发人员：边丽蘅，李萌，张军，曹先彬，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11