一种集成化定量相位成像相机、方法及图像处理方法技术

本发明专利技术属于光学仪器技术领域，具体为一种集成化定量相位成像相机、方法及图像处理方法，克服现有相机无法同时对强度与相位成像的问题。相机包括壳体及位于壳体内的集成图像传感器与图像处理电路板；壳体上开设驳接光学镜头的通光接口；集成图像传感器包括依次叠层设置的线偏振片层、偏振二维衍射分光层和二维像素化数字图像感光芯片；图像处理电路板接收集成图像传感器输出的电信号并将其转化为干涉点阵图像。基于图像处理方法对干涉点阵图像进行处理获得目标强度图像和定量相位图像。本发明专利技术相机只需将相机对准经过目标的透射光或被目标反射的反射光，记录下对应的干涉点阵图像，就可以从记录的单幅干涉点阵图像中再现目标的强度和定量相位分布。标的强度和定量相位分布。标的强度和定量相位分布。

【技术实现步骤摘要】
一种集成化定量相位成像相机、方法及图像处理方法


[0001]本专利技术属于光学仪器
，具体为一种集成化定量相位成像相机、方法及图像处理方法，可以实现对目标的强度成像和定量相位成像。

技术介绍

[0002]随着光电成像技术的不断发展，各式各样的相机相继诞生，给日常拍摄记录、科学研究和工业检测等带来了巨大的便利。然而，现有的相机只能响应目标的强度信号，不能直接实现相位成像。
[0003]而相位是光波除强度之外的另一个重要属性。通过对目标的相位成像，不仅可以观测到透明物体的三维轮廓，而且可以得到其内部的结构组成等信息。因此定量相位成像对工业检测、生物医学研究、自适应光学成像等具有十分重要的意义和应用价值。
[0004]为了实现相位成像，已有的方法是通过一定的方式将目标的相位分布转换为强度分布以使得相位信息可以被相机所记录，然后再从记录的单幅或多幅强度图中计算出目标的相位分布。根据转换方式的不同，目前的定量相位成像可分为干涉成像法和非干涉成像法两大类。干涉成像法是通过干涉的方式将目标的相位信息转为干涉图强度分布，然后对记录的干涉图解调来定量再现被测目标的相位。常见的干涉成像设备有迈克尔逊干涉仪、马赫泽德干涉仪、Linik干涉仪和剪切干涉仪等。这类设备可以实现纳米精度的定量相位成像，但迈克尔逊干涉仪、马赫泽德干涉仪和Linik干涉仪等物光和参考光沿着不同路径传播的物参分离式干涉成像设备在成像时容易受到外界扰动的影响，导致这类设备对使用环境要求苛刻，大多只能在实验室中使用，适用范围有限。剪切干涉仪等物光和参考光沿着几乎相同路径传播的物参共光路式干涉成像设备虽然抗环境扰动能力强，但大多需要使用额外的分光调控组件，结构复杂、体积大。非干涉的定量相位成像方法首先利用相机依次记录下多幅目标在不同位置处的衍射强度图像，然后再使用遗传迭代算法或光强传输方程等数学计算方法从记录的多幅强度图像中计算出目标的相位分布。与干涉成像法相比，这类装置结构简单，但相位成像时需要沿着光线传播方向在不同位置处依次记录下目标的衍射强度图像，无法做到实时相位成像，且相位成像精度仅在亚微米级别。此外，以哈特曼波前探测器为例的相位探测器虽然也可以测量目标的相位分布，但是成像分辨率低，且相位探测精度受限于探测器前端微透镜阵列中单个透镜的尺寸。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是克服现有相机无法同时对强度与相位成像的问题，提供一种可以对目标强度和相位同时成像的集成化定量相位成像相机、方法及图像处理方法，该相机集成了偏振调控技术、衍射分光技术和干涉成像技术，只需将相机对准经过目标的透射光或被目标反射的反射光，记录下对应的干涉点阵图像，就可以从记录的单幅干涉点阵图像中再现目标的强度和定量相位分布，获得目标的二维和三维图像。相较于现有物参分离式干涉成像设备，具有抗环境扰动能力强的优势；相较于现有物参共光路式干涉成像设备，具有
结构简单、体积小、使用方便、适用范围广的优势；相较于现有非干涉的定量相位成像装置，具有相位成像精度高、可实时相位成像的优势；相较于现有相位探测器，具有成像精度高的优势。
[0006]本专利技术的技术方案是：一种集成化定量相位成像相机，包括壳体，其特殊之处在于：还包括位于壳体内的集成图像传感器与图像处理电路板；上述壳体上开设通光接口；所述光学镜头指的是外部元器件，非相机本身结构；上述集成图像传感器包括依次叠层设置的线偏振片层、偏振二维衍射分光层和二维像素化数字图像感光芯片；上述线偏振片层用于接收通过通光接口的目标光并使其成为水平线偏振光；上述偏振二维衍射分光层用于将经过线偏振片层的一束水平线偏振光衍射为四束包含相同信息的衍射光，其中两束衍射光沿水平方向传播，其偏振方向与线偏振片层的透振方向相同，另外两束衍射光沿竖直方向传播，其偏振方向与线偏振片层的透振方向垂直；所述二维像素化数字图像感光芯片与图像处理电路板电连接，用于接收偏振二维衍射分光层输出的四束包含相同信息的衍射光的光强并进行光电转换，将光强分布转换为相应的电信号传输至图像处理电路板；上述图像处理电路板用于将接收的电信号转化为能够获得目标强度图像和定量相位图像的干涉点阵图像。
[0007]进一步地，为了简化结构同时能够获得较大的有效靶面，上述偏振二维衍射分光层为透射式液晶聚合物偏振二维光栅或超构元器件。
[0008]进一步地，上述透射式液晶聚合物偏振二维光栅水平和垂直方向的周期均为Λ，Λ的大小是二维像素化数字图像感光芯片像素边长尺寸p的4～8倍。
[0009]进一步地，上述偏振二维衍射分光层的衬底厚度为d，0＜d≤4mm；透过偏振二维衍射分光层的衍射光束的衍射角范围为[λ/8p, λ/4p]，其中λ为目标光的中心波长。
[0010]进一步地，Λ的大小是二维像素化数字图像感光芯片像素边长尺寸p的6倍；上述偏振二维衍射分光层的衬底厚度d=1.8mm；透过偏振二维衍射分光层的衍射光束的衍射角为λ/6p。可以保证相机的空间带宽积可以被充分利用，即获得最高的成像分辨率和最佳成像效果。
[0011]进一步地，上述二维像素化数字图像感光芯片为二维CCD或CMOS图像传感芯片；上述线偏振片层为宽波带线偏振片。
[0012]进一步地，上述的集成化定量相位成像相机，还包括图像处理单元，上述图像处理单元用于采集干涉点阵图像，并基于图像处理算法处理干涉点阵图像，获得强度图像和定量相位图像。
[0013]进一步地，上述图像处理单元基于下述图像处理算法处理干涉点阵图像，获得强度图像和目标相位分布图像：和目标相位分布图像：式中，为干涉点阵图像的强度分布，为傅里叶变换函数，W0为初始滤波窗口， 为傅里叶逆变换函数，为目标相位分布图像；和 为
两个正交方向的相位梯度信息，x0为路径积分起始点的横坐标，y0为路径积分起始点的纵坐标。
[0014]进一步地，基于下式获得和：：式中，W1和W2分别为第一滤波窗口和第二滤波窗口。
[0015]进一步地，上述壳体包括相机前壳和相机后壳；上述通光接口开设在相机前壳的正中心；上述集成图像传感器固定在相机前壳上，上述图像处理电路板固定在相机后壳上；上述相机后壳上开设相机数据输出接口。
[0016]进一步地，上述二维衍射分光层基于以下步骤制备：步骤a、在一定厚度的石英/玻璃衬底上旋涂一层取向层；步骤b、用两束光强大小相同、偏振态正交的线偏振光对取向层曝光，取向层记录两束线偏振光的偏振态；步骤c、在曝光过的取向层上旋涂液晶层，取向层通过自身的锚定对液晶层中液晶聚合物分子的取向排列产生影响，形成周期为Λ的透射式液晶聚合物偏振二维光栅。
[0017]本专利技术还提供一种集成化定量相位成像方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：步骤1、将目标光转化为水平线偏振光；步骤2、将一束水平线偏振光衍射为四束包含相同信息的衍射光，其中两束衍射光沿水平方向传播，另外两束衍射光沿竖直方向传播；步骤3、对四束包含相同信息的衍射光的光强进行光电转换，将光强分布转换为相应的电信号；步骤4、将接收的电信号转化为能够获得目标强度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成化定量相位成像相机，包括壳体，其特征在于：还包括位于壳体内的集成图像传感器(2)与图像处理电路板(3)；所述壳体上开设通光接口；所述集成图像传感器(2)包括依次叠层设置的线偏振片层(2
‑
1)、偏振二维衍射分光层(2
‑
2)和二维像素化数字图像感光芯片(2
‑
3)；所述线偏振片层(2
‑
1)用于接收通过通光接口的目标光并使其成为水平线偏振光；所述偏振二维衍射分光层(2
‑
2)用于将经过线偏振片层(2
‑
1)的一束水平线偏振光衍射为四束包含相同信息的衍射光，其中两束衍射光沿水平方向传播，其偏振方向与线偏振片层(2
‑
1)的透振方向相同，另外两束衍射光沿竖直方向传播，其偏振方向与线偏振片层(2
‑
1)的透振方向垂直；所述二维像素化数字图像感光芯片(2
‑
3) 与图像处理电路板(3)电连接，用于接收偏振二维衍射分光层(2
‑
2)输出的四束包含相同信息的衍射光的光强并进行光电转换，将光强分布转换为相应的电信号传输至图像处理电路板(3)；所述图像处理电路板(3)用于将接收的电信号转化为能够获得目标强度图像和定量相位图像的干涉点阵图像。2.根据权利要求1所述的集成化定量相位成像相机，其特征在于：所述偏振二维衍射分光层(2
‑
2)为透射式液晶聚合物偏振二维光栅或超构元器件。3.根据权利要求2所述的集成化定量相位成像相机，其特征在于：所述透射式液晶聚合物偏振二维光栅水平和垂直方向的周期均为Λ，Λ的大小是二维像素化数字图像感光芯片(2
‑
3)像素边长尺寸p的4～8倍。4.根据权利要求3所述的集成化定量相位成像相机，其特征在于：所述偏振二维衍射分光层(2
‑
2)的衬底厚度为d，0＜d≤4mm；透过偏振二维衍射分光层(2
‑
2)的衍射光束的衍射角范围为[λ/8p, λ/4p]，其中λ为目标光的中心波长。5.根据权利要求4所述的集成化定量相位成像相机，其特征在于：Λ的大小是二维像素化数字图像感光芯片(2
‑
3)像素边长尺寸p的6倍；所述偏振二维衍射分光层(2
‑
2)的衬底厚度d=1.8mm；透过偏振二维衍射分光层(2
‑
2)的衍射光束的衍射角为λ/6p。6.根据权利要求5所述的集成化定量相位成像相机，其特征在于：所述二维像素化数字图像感光芯片(2
‑
3)为二维CCD或CMOS图像传感芯片；所述线偏振片层(2
‑
1)为宽波带线偏振片。7.根据权利要求1
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：闵俊伟，姚保利，但旦，于湘华，薛雨阁，袁勋，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：