一种复振幅成像方法及系统技术方案

本发明专利技术属于光学相位恢复及相位测量技术领域，具体而言，涉及一种复振幅成像方法及系统。包括：使用单色光或准单色光照明待测样品，产生含有待测物体信息的复振幅波前；利用分光棱镜将复振幅波前均分为两路，一路直接由相机记录强度，另一路由调制相位板调制、衍射一段距离后由相机记录强度；将两幅强度图作为强度约束、调制相位板的相位值作为相位约束输入重建算法；迭代重建含有样品信息的复振幅波前。本发明专利技术实现了简便紧凑的光路中对复振幅场的充分记录，利用紧凑鲁棒的光路模组，从振幅重建光的复振幅。其最大优点是成像光路紧凑，利用强度响应器件记录重构光的复振幅，可重构缓变的复振幅场。变的复振幅场。变的复振幅场。

【技术实现步骤摘要】
一种复振幅成像方法及系统


[0001]本专利技术属于光学相位恢复及相位测量
，具体而言，涉及一种复振幅成像方法及系统。

技术介绍

[0002]工作在可见光波段的成像系统直接扩展人眼的视觉能力。可见光具有10
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Hz量级的超高频率，而当前单像素光电探测器件的响应速度为109Hz量级，因此难以使用当前的光电探测器件直接记录可见单色光的相位信息。当前广泛使用的像感器仅能直接记录光的强度信息，光的相位信息完全丢失。在生物研究、工业检测、消费电子等领域，光的相位具有重要应用。目前，虽然通过光的干涉可以定量记录光的相位信息，但需要引入参考光与待测光进行干涉，同时需要搭建复杂的干涉光路，难以兼容现有的成像系统，如光学显微镜等。
[0003]除了利用干涉光路求解相位，也可以通过紧凑简单的衍射光路对复振幅进行记录求解。衍射光路无需参考光，可以单独制成相机模组以兼容现有的成像系统。从衍射强度恢复相位的是一个病态问题，需要使用先验信息作为约束，在迭代求解中消除噪声项。在相关技术中，来自德国斯图加特大学的F.Zhang,G.Pedrini和W.Osten提出以随机相位调制待测复振幅，将调制相位作为调制约束，将调制后的复振幅场的衍射强度作为强度约束迭代重构。在该方法中，利用多组相位调制时收敛性较好，但难以记录动态过程。利用单组相位调制时的收敛速度一般，且需要对待测复振幅场另外施加支撑约束，只有相机视场内的部分信息可以被重建，参见F.Zhang,et.al,“Phase retrieval of arbitrary complex
‑
valued fields through aperture
‑
plane modulation,”Physical Review A 75(4),043805(2007)和F.Zhang,et.al,“Phase retrieval by coherent modulation imaging,”Nature communications 7(1),13367(2016).
[0004]除了通过改变调制相位的图样对待测复振幅场进行调制约束，还可以通过改变系统的衍射距离、照明波长、成像视场大小等方式，引入其他约束重构复振幅场。
[0005]已有技术中，申请号为202110689020.4的中国专利申请公开了一种基于轴向平移二元振幅掩膜的相干调制成像方法。该方法通过激光源照明二元随机振幅掩膜，生成的的衍射光场照明待测复振幅样品，产生含有待测样品信息的复振幅光场，通过探测器记录复振幅场的光强。通过两次轴向移动二元掩膜，生成三组不同衍射照明光场，记录三组不同的复振幅光强。将三组衍射光强结合特定的相位恢复算法，重构待测样品的复振幅分布。该方法需要多次调制、记录以重构复振幅场，难以被用于测量动态复振幅场。
[0006]申请号为202011472190.9的中国专利申请公开了一种考虑折射率差异的三波长相干衍射成像方法。该方法通过三种不同波长的激光照明待测样品。使用成像探测器记录不同波长下的待测样品复振幅的衍射场强度。将三个衍射场强度作为约束信息输入相位恢复算法，重构待测样品的复振幅分布。该方法需要三色激光作为照明器件，成本较高。
[0007]专利号为US2012/0179425A1的美国专利公开了一种恢复复振幅相位信息的方法和系统。该方法利用相干光照明衍射受限的已知孔径，利用被已知孔径限制区域后的相干
光照明待测样品、产生待测的复振幅场。利用已知的随机相位板对待测复振幅场进行相位调制，产生调制复振幅场。通过探测器记录调制复振幅场的强度信息。结合相位恢复算法，重构待测样品的复振幅分布。该方法只能重建受限孔径中的复振幅场，且所需的迭代计算次数较多。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的旨在解决已有技术中的问题，基于本专利技术人对以上问题的理解和认识，如何在一个简便紧凑的衍射光路中高效、充分的记录、求解复振幅场，并制成兼容现有的成像系统的模组，本专利技术提出了一种复振幅成像方法及系统，基于三约束迭代，重建复振幅场。
[0009]为实现上述目的，本专利技术实施例提出了一种复振幅成像系统，包括：相干光源、扩束镜、空间滤波器、准直透镜、分光棱镜、相位调制板、第一像感器、第二像感器和计算机，待测物体置于所述准直透镜与分光棱镜之间；所述相干光源发出的相干光依次通过扩束镜、空间滤波器和准直透镜后照射到待测物体上，构成照明系统；所述的分光棱镜、相位调制板、第一像感器和计算机依次相连，构成第一数据采集系统；所述的分光棱镜、第二像感器和计算机依次相连，构成第二数据采集系统；所述的计算机通过数据线分别与第一像感器和第二像感器连接，构成数据处理系统。
[0010]本专利技术实施例提出了一种复振幅成像系统，利用一个相机采集衍射强度，利用一个带有调制相位板的辅助相机采集调制后的衍射强度，利用两个调制强度和一个调制相位分布作为约束，对复振幅场进行迭代重建。利用调制相位实现对缓变复振幅场的高效重建。同步两个相机后，可以对待测复振幅信息进行动态采集重构。本专利技术实施例的复振幅成像系统，光路紧凑，无需机械移动，可制成兼容现有成像设备的全息成像模组。
[0011]为实现上述目的，本专利技术实施例还相应地提出了一种复振幅成像方法，包括：
[0012](1)搭建一个如上所述的复振幅全息成像系统；
[0013](2)获取待重构复振幅场数据；
[0014](3)根据所述待重构复振幅场数据，得到待重构复振幅场。
[0015]可选地，所述获取待重构复振幅场数据，包括：
[0016](1)将波长为λ的平面波照射待测物体o，得到第一待重构复振幅场
[0017]其中，A
o
为待重构复振幅场的振幅值，为待求量；为待重构复振幅场的相位值，亦为待求量；exp为以自然常数e为底的指数函数；i为虚数的单位；待测物体o所在的平面为待求解平面；
[0018](2)对上述待重构复振幅场u
o
经分光镜分束后分别衍射传播至第二像感器和相位调制板的平面上，在该平面上得到第二待重构复振幅场u1，
[0019]其中，第二像感器和相位调制板相对于待测物体o的光学距离相同；将第二像感器和相位调制板所在的平面记为第一约束平面；A1为第二待重构复振幅场的振幅值，为待求量；为第二待重构复振幅场的相位值，亦为待求量；
[0020](3)根据所述第二待重构复振幅场的振幅值A1，计算所述第二待重构复振幅场的强度分布I1，I1＝|A1|2，将I1记为第一强度约束；
[0021](4)由相位板调制板对所述待测复振幅场u1进行二元随机调制，得到调制复振幅
场u2，
[0022]其中，为相位调制板的相位分布，该相位分布为已知的0
‑
π随机分布，为透过率函数，将记为调制约束，将调制复振幅场u2所在平面记为第二约束平面；
[0023](5)所述调制复振幅场u2经衍射距离为z的衍射传播后到达第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复振幅成像系统，其特征在于，包括：相干光源、扩束镜、空间滤波器、准直透镜、分光棱镜、相位调制板、第一像感器、第二像感器和计算机，待测物体置于所述准直透镜与分光棱镜之间；所述相干光源发出的相干光依次通过扩束镜、空间滤波器和准直透镜后照射到待测物体上，构成照明系统；所述的分光棱镜、相位调制板、第一像感器和计算机依次相连，构成第一数据采集系统；所述的分光棱镜、第二像感器和计算机依次相连，构成第二数据采集系统；所述的计算机通过数据线分别与第一像感器和第二像感器连接，构成数据处理系统。2.一种复振幅成像方法，其特征在于，包括：(1)搭建一个如权利要求1所述的复振幅全息成像系统；(2)获取待重构复振幅场数据；(3)根据所述待重构复振幅场数据，得到待重构复振幅场。3.如权利要求2所述的复振幅成像方法，其特征在于，所述获取待重构复振幅场数据，包括：(1)将波长为λ的平面波照射待测物体o，得到第一待重构复振幅场其中，A
o
为待重构复振幅场的振幅值，为待求量；为待重构复振幅场的相位值，亦为待求量；exp为以自然常数e为底的指数函数；i为虚数的单位；待测物体o所在的平面为待求解平面；(2)对上述待重构复振幅场u
o
经分光镜分束后分别衍射传播至第二像感器和相位调制板的平面上，在该平面上得到第二待重构复振幅场u1，其中，第二像感器和相位调制板相对于待测物体o的光学距离相同；将第二像感器和相位调制板所在的平面记为第一约束平面；A1为第二待重构复振幅场的振幅值，为待求量；为第二待重构复振幅场的相位值，亦为待求量；(3)根据所述第二待重构复振幅场的振幅值A1，计算所述第二待重构复振幅场的强度分布I1，I1＝|A1|2，将I1记为第一强度约束；(4)由相位板调制板对所述待测复振幅场u1进行二元随机调制，...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹良才，李儒佳，高云晖，黄郑重，杨峰，张航瑛，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：