基于全光链路逆衍射计算的高性能光学成像系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于全光链路逆衍射计算的高性能光学成像系统及方法，属于计算成像领域。该系统包含主动照明模块、透镜和相机，其中主动照明模块用于对待成像的物体进行照明，透镜用于收集来自物体的信息并实现透镜输入端和输出端频率的合理变换，相机用于记录目标面及目标面后多个平面处的光场强度信息。该成像方法利用多个位置处相机所记录的强度信息反演出目标位置处的光场复振幅分布，之后再通过逆向传播该光场复振幅实现对物体的重构。本发明专利技术不需要满足传统光学中冗余的点对点的成像约束条件，通过更简单的系统实现与传统成像系统相同的信息量收集，并对物体进行重构，这大大缩小了光学成像系统的体积和重量，降低了光学成像系统的成本。光学成像系统的成本。光学成像系统的成本。

【技术实现步骤摘要】
基于全光链路逆衍射计算的高性能光学成像系统及方法


[0001]本专利技术涉及光学计算成像领域，具体涉及一种基于全光链路逆衍射计算的高性能光学成像系统及方法。

技术介绍

[0002]传统光学成像系统具有“所见即所得”的特点。为了从探测器上直接获取物体，传统光学成像系统更多的关注于物体信息的准确传播。因此，像差矫正在传统光学系统中扮演着很重要的角色。然而，像差矫正在数学本质上是一个过约束的问题，在矫正像差的过程中会增加光学系统的体积，重量和复杂度，最终也无法实现完美成像。
[0003]计算成像技术(Computational Imaging Technology，以下简称CIT)，是一种有别于传统成像“所见即所得”的新型成像模式。不同于传统成像关注于物体信息的准确传播，计算成像更加关注于物体信息的获取过程，从成像全链路的信息获取与丢失的过程出发，对光场的信息获取和解译进行分析。为了使系统更加轻便，透镜仅作为物体信息收集，调制和传输的媒介，不同于传统成像中点对点的光线约束准则，本系统以空间带宽积守恒为原则来设计透镜，确定透镜面型参数。此外，利用光束传输的本质即光通过光学元件的衍射传输，提出一种基于全光链路衍射计算的成像方法，这种方法将光通过透镜的衍射传输转变为曲面和曲面之间的衍射传输计算，可以大大减小测量透镜的透射函数带来的复杂度。结合以上两点，基于全光链路逆衍射计算的高性能光学成像系统及方法可以在使用较少的光学元件的前提下实现较好的成像效果。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在提供一种基于全光链路逆衍射计算的高性能光学成像系统及方法，其可以用一个更简单的系统收集和传统成像系统相同的信息量，并通过全光链路逆衍射计算的方式对物体进行重构，这大大缩小了光学成像系统的体积和重量，降低了光学成像系统的成本。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0006]第一个方面，本专利技术提供了一种基于全光链路逆衍射计算的高性能光学成像系统，所述系统包括沿光轴方向上依次排列的主动照明模块、单透镜和相机：
[0007]所述主动照明模块，用于对待成像物体进行照明；
[0008]所述单透镜，为基于空间带宽积守恒原则设计得到，根据所需数值孔径和视场大小，选择相机幅面大小和像素尺寸，根据像素尺寸所需出射光线的角度范围，确定单透镜面型参数，用于收集、转换并传输待成像物体的信息；
[0009]所述相机，用于记录目标面及目标面后多个平面处的光场强度信息；
[0010]结合单透镜面型参数和光场强度信息，通过全光链路逆衍射计算方法完成对待成像物体的重构。
[0011]进一步地，所述主动照明模块包括相干光源和准直扩束系统；
[0012]所述相干光源为激光光源或窄带单色光源，用于对待成像物体进行照射；
[0013]所述准直扩束系统，用于对相干光源的出射光束进行准直和扩束，经准直扩束后的光束再照射到待成像物体上。
[0014]进一步地，所述的单透镜为球面、非球面或者自由曲面透镜。
[0015]第二个方面，本专利技术提供了一种基于全光链路逆衍射计算的成像方法，包括：
[0016]通过相干光源对待成像物体进行照射，由透镜对待成像物体的信息进行收集、转换并传输至相机，利用相机采集待成像物体的目标面及目标面后多个平面处的光场强度信息，采用相位恢复算法获得目标面复振幅信息；
[0017]将透镜的面型划分为多个分段曲面元，每个曲面元采用位于透镜内部和外部的两个虚拟平面元等效替代，两个虚拟平面元和曲面元之间满足薄透镜近似条件，透镜的局部曲率通过相位补偿表征；
[0018]根据获取到的目标面复振幅信息，从目标面逆衍射传播，经由透镜的虚拟平面元传输计算至物平面，实现物体重构。
[0019]进一步地，所述采用相位恢复算法获得目标面复振幅信息，具体为：
[0020]给目标面赋值一个任意初始相位得到目标面的初始复振幅其中，(x,y)表示目标面上的像素点坐标，I0(x,y)表示测得的目标面上的像素点(x,y)处的光场振幅信息，i表示虚数；
[0021]根据目标面复振幅，通过角谱衍射传输算法计算距离目标面后d、2d、3d三个平面处的复振幅信息U1(x,y)、U2(x,y)、U3(x,y)，采用测量得到的光场振幅信息替代计算得到的复振幅信息|U1(x,y)|、|U2(x,y)|、|U3(x,,y)|，获取新的复振幅信息U
update1
(x,y)、U
update2
(x,y)、U
update3
(x,y)，将更新后的复振幅信息逆衍射传输至目标面并取均值得到新的目标面复振幅U
update0
(x,y)；其中，分别表示距离目标面后d、2d、3d三个平面上的像素点(x,y)处的光场振幅信息；
[0022]重复以上过程，直至更新后的目标面振幅|U
update0
(x,y)|和测量得到的目标面光场振幅信息的均方根误差小于设定的阈值ε，此时的目标面复振幅U
update0
(x,y)即为所求。
[0023]进一步地，所述将透镜的面型划分为多个分段曲面元，每个曲面元采用位于透镜内部和外部的两个虚拟平面元等效替代，两个虚拟平面元和曲面元之间满足薄透镜近似条件，具体为：
[0024]将透镜入射面和出射面划分为N
entrance
、N
exit
个曲面元，划分的曲面元数由透镜的曲率决定，取每一个曲面元轴向距离最大处z＝d
max
和最小处z＝d
min
所在点延展构建一对等效外平面元P
outer
和等效内平面元P
inner
，作为曲面元的等效平面组，所述的等效内平面元位于透镜内部，所述的等效外平面元位于透镜外部，两者满足薄透镜近似条件；通过加载两个虚拟平面元之间平行于光轴的光程作为补偿相位来补偿曲面元的局部曲率。
[0025]进一步地，所述的根据获取到的目标面复振幅信息，从目标面逆衍射传播，经由透镜的传输计算至物平面，实现物体重构，具体为：
[0026]在获取目标面复振幅U
update0
(x,y)后，采用角谱逆衍射算法计算目标面复振幅传输到透镜出射面各曲面元的等效外平面元上的复振幅分布U
exit,outer
(x,y)，透镜出射面各
曲面元的等效内平面元上的复振幅分布U
exit,inner
(x,y)通过相位补偿计算得到，计算公式为：
[0027][0028]式中，z2(x,y)表示透镜出射面曲面元上的点(x,y)的轴向坐标，d
min,exit
表示出射面曲面元的等效内平面元P
inner
的轴向坐标，d
max,exit
表示出射面曲面元的等效外平面元P
outer
的轴向坐标，n表示透镜的折射本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于全光链路逆衍射计算的高性能光学成像系统，所述系统包括沿光轴方向上依次排列的主动照明模块、单透镜和相机，其特征在于：所述主动照明模块，用于对待成像物体进行照明；所述单透镜，为基于空间带宽积守恒原则设计得到，根据所需数值孔径和视场大小，选择相机幅面大小和像素尺寸，根据像素尺寸所需出射光线的角度范围，确定单透镜面型参数，用于收集、转换并传输待成像物体的信息；所述相机，用于记录目标面及目标面后多个平面处的光场强度信息；结合单透镜面型参数和光场强度信息，通过全光链路逆衍射计算方法完成对待成像物体的重构。2.根据权利要求1所述的基于全光链路逆衍射计算的高性能光学成像系统，其特征在于，所述主动照明模块包括相干光源和准直扩束系统；所述相干光源为激光光源或窄带单色光源，用于对待成像物体进行照射；所述准直扩束系统，用于对相干光源的出射光束进行准直和扩束，经准直扩束后的光束再照射到待成像物体上。3.根据权利要求1所述的基于全光链路逆衍射计算的高性能光学成像系统，其特征在于，所述的单透镜为球面、非球面或者自由曲面透镜。4.一种基于全光链路逆衍射计算的成像方法，其特征在于，包括：通过相干光源对待成像物体进行照射，由透镜对待成像物体的信息进行收集、转换并传输至相机，利用相机采集待成像物体的目标面及目标面后多个平面处的光场强度信息，采用相位恢复算法获得目标面复振幅信息；将透镜的面型划分为多个分段曲面元，每个曲面元采用位于透镜内部和外部的两个虚拟平面元等效替代，两个虚拟平面元和曲面元之间满足薄透镜近似条件，透镜的局部曲率通过相位补偿表征；根据获取到的目标面复振幅信息，从目标面逆衍射传播，经由透镜的虚拟平面元传输计算至物平面，实现物体重构。5.根据权利要求4所述的基于全光链路逆衍射计算的成像方法，其特征在于，所述采用相位恢复算法获得目标面复振幅信息，具体为：给目标面赋值一个任意初始相位得到目标面的初始复振幅其中，(x,y)表示目标面上的像素点坐标，I0(x,y)表示测得的目标面上的像素点(x,y)处的光场振幅信息，i表示虚数；根据目标面复振幅，通过角谱衍射传输算法计算距离目标面后d、2d、3d三个平面处的复振幅信息U1(x,y)、U2(x,y)、U3(x,y)，采用测量得到的光场振幅信息替代计算得到的复振幅信息|U1(x,y)|、|U2(x,y)|、|U3(x,,y)|，获取新的复振幅信息U
update1
(x,y)、U
update2
(x,y)、U
update3
(x,y)，将更新后的复振幅信息逆衍射传输至目标面并取均值得到新的目标面复振幅U
update0
(x,y)；其中，分别表示距离目标面后d、2d、3d三个平面上的像素点(x,y)处的光场振幅信息；重复以上过程，直至更新后的目标面振幅|U
update0
(x,y)|和测量得到的目标面光场振幅
信息的均方根误差小于设定的阈值ε，此时的目标面复振幅U
update0
(x,y)即为所求...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴仍茂，刘映利，沈凡琪，裴春洋，胡广银，刘旭，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：