一种相干单像素成像系统及成像方法技术方案

本发明专利技术涉及一种相干单像素成像系统及成像方法。本发明专利技术相干单像素成像系统包括He

【技术实现步骤摘要】
一种相干单像素成像系统及成像方法


[0001]本专利技术涉及一种结构照明的相干单像素成像系统，具体地说是一种相干单像素成像系统及成像方法。

技术介绍

[0002]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。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的就是提供一种基于结构照明的相干单像素成像系统及成像方法，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。
[0004]本专利技术的目的是这样实现的：一种相干单像素成像系统，包括：
[0005]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；
[0006]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；
[0007]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；
[0008]空间滤波扩束准直系统，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；
[0009]分束器，设置在空间滤波扩束准直系统后方的激光光路上，用于将纯相位空间光调制器调制后的结构光反射进4f系统；
[0010]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；
[0011]4f系统，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；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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
[0016]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。
[0017]本专利技术的目的还可这样实现：一种相干单像素成像方法，利用本专利技术相干单像素成像系统，进行相干Hadamard单像素成像，具体包括以下步骤：
[0018]a、利用Hadamard矩阵生成Hadamard基底矩阵序列，表示为：
[0019][0020]其中，P
uv
是Hadamard基底矩阵，H
u
是H的第u行的行向量，H
v
是H的第v行的行向量，代表转置共轭；
[0021]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：
[0022][0023]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；
[0024]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；
[0025]d、利用4f系统将相移后的基底图案分别照明目标物体；
[0026]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；
[0027]f、利用所述相干单像素成像系统进行测量，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。
[0028]本专利技术的目的还可这样实现：一种相干单像素成像方法，利用本专利技术相干单像素成像系统，进行相干Fourier单像素成像，具体包括以下步骤：
[0029]a、利用Fourier矩阵生成Fourier基底矩阵序列，表示为：
[0030][0031]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；
[0032]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：
[0033][0034]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；
[0035]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；
[0036]d、利用4f系统将相移后的基底图案分别照明目标物体；
[0037]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；
[0038]f、利用所述相干单像素成像系统进行测量，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。
[0039]本专利技术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。本专利技术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
[0040]图1是本专利技术相干单像素成像系统的系统构成图。
[0041]图2是实验所用纯相位目标物体图像。
[0042]图3是实验所用自然目标物体图像。
[0043]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。
[0044]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。
[0045]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。
[0046]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
[0047]如图1所示，本专利技术相干单像素成像系统包括：He
‑
Ne激光器1、衰减片2、半波片3、空间滤波扩束准直系统6、分束器7、纯相位空间光调制器8、4f系统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
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种相干单像素成像系统，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；空间滤波扩束准直系统，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系统后方的激光光路上，用于将纯相位空间光调制器调制后的结构光反射进4f系统；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系统，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系统，其特征是，所述空间滤波扩束准直系统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系统，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，P
uv<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张素恒，侯红云，韩佳成，赵亚楠，梁宝来，王颖，
申请(专利权)人：河北大学，
类型：发明
国别省市：