基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备及方法技术

本申请提供了一种基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备，包括光源装置、扩束准直元件、空间光调制器、透镜元件、阵列探测器以及图像生成装置，所述图像生成装置根据空间光调制器加载的多个相位掩膜和待测物体的相对相位取值构建参考库矩阵，根据阵列探测器记录的对应于每个相位掩膜下的待测物体的二维强度图像矩阵判别出每一幅二维强度图像矩阵中相邻像素点之间的暗条纹，再结合参考库矩阵获得相邻像素点之间的相位比率，根据预设的基准像素点和规划路径生成每一个像素点和基准像素点之间累乘比率，构建出待测物体的相位成像。本发明专利技术还提供了基于暗条纹逻辑判断的相位成像方法。该设备和方法计算复杂度低、相位重建精度高、具有全局最优性等优点。

Phase imaging device and method based on dark fringe logic judgment

The invention provides a phase imaging device of dark stripes based on logic judgement, including the light source device, collimating element, spatial light modulator, lens element, array detector and image generating device, the image generating device according to the construction of the relative phase value multiple phase spatial light modulator loading mask and the object to be tested the reference base matrix, according to the corresponding detector array recorded in each phase mask for 2-D intensity image of the measured object matrix under film distinguish between adjacent pixels of each 2D intensity image matrix in dark stripes, combined with the reference library matrix to obtain phase ratio between adjacent pixels, according to the reference pixel point and path planning the default generated between each pixel and the reference pixel multiplicative ratio, construct phase imaging of the object to be tested. The invention also provides a phase imaging method based on the logical judgment of the dark fringe. The device and method have the advantages of low computational complexity, high phase reconstruction accuracy, and global optimization.

【技术实现步骤摘要】
基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备及方法
本专利技术涉及相位成像领域，特别涉及一种基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备及方法。
技术介绍
在现有的许多光学成像系统中，光学探测装置通常是将光子转为电子，从而只能测量到光场的强度，即信号傅里叶变换幅值的平方，而无法直接测量到光场的相位信息。这主要是因为可见光的电磁场的振动频率约为1015Hz，目前没有电子测量设备能够捕捉到该振动频率下的相位信号。微波频谱的振动频率相对较低，其频率覆盖范围在百兆到数十千兆Hz，目前有成熟的相位测量器件，该相位测量器件的角分辨率约为0.1度。为了测量光学范围内的相位信息，通常采用傅里叶强度测量和相位恢复算法相结合的方法，间接地根据一个图像的傅里叶变换幅值恢复出其原始图像。其中，傅里叶相位往往比傅里叶变换幅值更为重要，因为它包含着物体的许多结构信息。丢失了傅里叶相位，重建会变得极其困难。通常，我们把从傅里叶变换幅值的测量中确定出复函数的相位称为相位恢复(phaseretrieval，PR)。目前，相位恢复已经广泛应用于诸多领域，比如X射线晶体学、光学成像、衍射成像、生物成像、全息、量子成像、天文观测、傅里叶分析成像(Fourierptychography)等等。正是由于相位恢复(PR)具有非常好的应用前景，科学家们为解决相位恢复问题提出了各种各样的技术和方法。这些技术和方法可以按照每次迭代更新的是单幅图像还是所有图像，分为“顺序”和“全局”的技术和方法。其中，应用最广泛的方法是基于在不同限制中交替投影的思想，这种想法起源于盖师贝格-撒克斯通(Gerchberg-Saxton，GS)算法。该方法先是设定一个随机初始猜测值，然后交替强加时域/实域限制(凸集)和傅里叶赋值限制(非凸集)，也即估算丢失相位信息值，得到候选解。该方法实属误差约化方法，虽然应用广泛，但太依赖于初始猜测值，也即信号的先验知识，而且往往无法获得最优的全局收敛，计算复杂度高。最近，科学家们提出了一种新的基于凸优化的测量重建方法，利用矩阵移位将相位恢复(RP)问题转为半正定规划(semi-definiteprogramming，SDP)问题，实际是将问题移到更高的维度空间，典型的方法如PhaseLift、沃廷格流(Wirtingerflow，WF)、截断沃廷格流(truncatedWirtingerflow，TWF)、压缩感知(compressedsensing，CS)等。这些方法往往要求在光学测量系统中加入空间光调制器，即需要施加一组编码衍射掩模(codeddiffractionpatterns，CDP)进行相位调制，其掩模的数量为O((logn)4)，其中n为信号的长度，O表示复杂度符号。因而，这类方法优点在于能获得全局最优解，但对噪声缺乏鲁棒性，而且需要很多次的相位调制，测量次数较多。以上是现有光学相位测量与重建方法的概况，综上所述，光学波段因其自身的振动频率极高，常规测量设备难以捕捉光场中的相位信息，往往需要依赖间接的测量方法，而传统的方法大致分为局部最优和全局最优方法，都具有先天的不足，也即计算复杂度高、对噪声敏感、测量次数多、相位分辨率差等，不适合实际应用。此外，目前的用于测量傅里叶变换幅值的方法也存在着许多不足之处：光学傅里叶变换幅值系数在焦平面的中心集中了大部分的大值系数，而在焦平面周围的系数值较为分散且低，也即傅里叶平面上中心的系数值(低频)比周围的系数值(高频)高出几个量级，因而常规的阵列探测器很难同时准确记录下高频和低频信息。这些常规的阵列探测器不是为了记录高频信息而让低频信息过饱和，就是为了记录低频信息而让高频信息丢失，这导致传统方法在测量上存在不准确性。因此，在光学相位成像领域亟待一种采用新原理、新方法的相位成像系统以解决现有技术中存在的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服现有技术中的计算复杂度高、对噪声敏感、测量次数多、相位分辨率差等缺陷。鉴于此，本专利技术提供了一种基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备，包括：光源装置，配置为向待测物体发射偏振激光；扩束准直元件，配置为对所述偏振激光扩束，使得束斑大小与待测物体的大小以及空间光调制器的调制区域的大小适配；空间光调制器，配置为通过加载预设的多个相位掩膜对穿透待测物体的偏振激光进行相位调制以形成出射光；布置在所述出射光方向上的透镜元件；阵列探测器，布置在所述透镜元件像平面上，用于记录对应于每个相位掩膜的待测物体的二维强度图像矩阵；图像生成装置，配置为根据所述空间光调制器加载的多个相位掩膜和待测物体的相位取值构建参考库矩阵，根据所述阵列探测器记录的对应于每个相位掩膜下的待测物体的二维强度图像矩阵，判别出每一幅二维强度图像矩阵中相邻像素点之间的暗条纹，再结合所述参考库矩阵获得相邻像素点之间的相位比率，根据预设的基准像素点和规划路径生成每一个像素点和所述基准像素点之间累乘比率，进而构建出整个待测物体的相位成像；所述相位掩膜符合条件其中，等比为物体相邻像素点间的相位比率，M表示掩模，上标j表示第j个掩模，j＝1,2,3,...,m，m表示掩模总个数，下标c和d表示第j个掩模M中某一个像素点的横坐标和纵坐标。在本专利技术的一些实施方式中，所述空间空间光调制器选用透射式，所述透镜元件和所述阵列探测器布置在所述透射光线的路径上；所述光源装置、扩束准直元件、所述空间光调制器、所述透镜元件以及所述阵列探测器在同一主光轴上。在本专利技术的一些实施方式中，所述光源装置选用随机激光器和偏振元件，所述基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备还包括：用于布置在所述待测物体和所述透镜元件之间的非偏振分束器，所述空间光调制器、所述非偏振分束器、所述透镜元件、所述阵列探测器同轴地布置在第一轴向上，所述光源装置和所述扩束准直元件同轴地布置第二轴向上，所述第一轴向和所述第二轴向相互垂直；所述光源发射偏振激光能够经由所述扩束准直元件扩束后直接照射在所述非偏振分束器上，再经由所述非偏振分束器反射向所述空间光调制器。在本专利技术的一些实施方式中，所述光源装置只选用随机激光器，所述的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备还包括：用于布置在所述待测物体和所述透镜元件之间的偏振分束器；用于布置在所述待测物体和所述偏振分束器之间的半波片；所述空间光调制器、所述半波片、所述偏振分束器、所述透镜元件、所述阵列探测器同轴地布置在第一轴向上，所述光源装置和所述扩束准直元件同轴地布置第二轴向上，所述第一轴向和所述第二轴向相互垂直；所述光源发射的激光能够经由所述扩束准直元件扩束后直接照射在所述偏振分束器上，再经由所述偏振分束器反射向所述半波片。在本专利技术的一些实施方式中，所述光源装置包括随机激光器和偏振元件或直接选用偏振激光器。在本专利技术的一些实施方式中，所述偏振激光为伽马射线、X射线、紫外光、可见光、红外光。在本专利技术的一些实施方式中，所述空间光调制器选自基于液晶的空间光调制器、液晶光阀、掩模切换板中的任一种。在本专利技术的一些实施方式中，所述阵列探测器选用弱光阵列探测器时，所述的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备还包括布置于所述空间光调制器和所述阵列探测器之间的光衰减元件。在本专利技术的一些实施方式中，所述空间光调制器配置为通过加载预设的多个相位掩膜对穿透待测物体的偏振激光进行相位调制以形成出射光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备，其特征在于，包括：光源装置，配置为向待测物体发射偏振激光；扩束准直元件，配置为对所述偏振激光扩束，使得束斑大小与待测物体的大小以及空间光调制器的调制区域的大小适配；空间光调制器，配置为通过加载预设的多个相位掩膜对穿透待测物体的偏振激光进行相位调制以形成出射光；布置在所述出射光方向上的透镜元件；阵列探测器，布置在所述透镜元件像平面上，用于记录对应于每个相位掩膜的待测物体的二维强度图像矩阵；图像生成装置，配置为根据所述空间光调制器加载的多个相位掩膜和待测物体的相位取值构建参考库矩阵，根据所述阵列探测器记录的对应于每个相位掩膜下的待测物体的二维强度图像矩阵，判别出每一幅二维强度图像矩阵中相邻像素点之间的暗条纹，再结合所述参考库矩阵获得相邻像素点之间的相位比率，根据预设的基准像素点和规划路径生成每一个像素点和所述基准像素点之间累乘比率，进而构建出整个待测物体的相位成像；所述相位掩膜符合条件

【技术特征摘要】
1.一种基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备，其特征在于，包括：光源装置，配置为向待测物体发射偏振激光；扩束准直元件，配置为对所述偏振激光扩束，使得束斑大小与待测物体的大小以及空间光调制器的调制区域的大小适配；空间光调制器，配置为通过加载预设的多个相位掩膜对穿透待测物体的偏振激光进行相位调制以形成出射光；布置在所述出射光方向上的透镜元件；阵列探测器，布置在所述透镜元件像平面上，用于记录对应于每个相位掩膜的待测物体的二维强度图像矩阵；图像生成装置，配置为根据所述空间光调制器加载的多个相位掩膜和待测物体的相位取值构建参考库矩阵，根据所述阵列探测器记录的对应于每个相位掩膜下的待测物体的二维强度图像矩阵，判别出每一幅二维强度图像矩阵中相邻像素点之间的暗条纹，再结合所述参考库矩阵获得相邻像素点之间的相位比率，根据预设的基准像素点和规划路径生成每一个像素点和所述基准像素点之间累乘比率，进而构建出整个待测物体的相位成像；所述相位掩膜符合条件其中，等比为物体相邻像素点间的相位比率，M表示掩模，上标j表示第j个掩模，j＝1,2,3,...,m，m表示掩模总个数，下标c和d表示第j个掩模M中某一个像素点的横坐标和纵坐标。2.根据权利要求1所述的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备，其特征在于：所述空间空间光调制器选用透射式，所述透镜元件和所述阵列探测器布置在所述透射光线的路径上；所述光源装置、扩束准直元件、所述空间光调制器、所述透镜元件以及所述阵列探测器在同一主光轴上。3.根据权利要求1所述的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备，其特征在于，所述光源装置选用随机激光器和偏振元件，还包括：用于布置在所述待测物体和所述透镜元件之间的非偏振分束器，所述空间光调制器、所述非偏振分束器、所述透镜元件、所述阵列探测器同轴地布置在第一轴向上，所述光源装置和所述扩束准直元件同轴地布置第二轴向上，所述第一轴向和所述第二轴向相互垂直；所述光源发射偏振激光能够经由所述扩束准直元件扩束后直接照射在所述非偏振分束器上，再经由所述非偏振分束器反射向所述空间光调制器。4.根据权利要求1所述的基于暗条纹逻辑判断的相位成像设备，其特征在于，所述光源装置选用随机激光器，还包括：用于布置在所述待测物体和所述透镜元件之间的偏振分束器；用于布置在所述待测物体和所述偏振分束器之间的半波片；所述空间光调制器、所述半波片、所述偏振分束器、所述透镜元件、所述阵列探测器同轴地布置在第一轴向上，所述光源装置和所述扩束准直元件同轴地布置第二轴向上，所述第一轴向和所述第二轴向相互垂直；所述光源发射的激光能够经由所述扩束准直元件扩束后直接照射在所述偏振分束器上，再经由所述偏振分束器反射向所述半波片...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞文凯，熊安东，赵清，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11