一種實(shí)時(shí)定量相位恢復(fù)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及的是一種實(shí)時(shí)定量相位恢復(fù)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 完整的光場(chǎng)信息包含光強(qiáng)信息和相位信息。目前的光感器件（如CCD等）只能探 測(cè)光場(chǎng)的強(qiáng)度信息。因此，如何通過(guò)強(qiáng)度信息來(lái)推算光場(chǎng)的相位分布，是現(xiàn)代光學(xué)發(fā)展的一 個(gè)重要課題?，F(xiàn)有技術(shù)中，從光場(chǎng)強(qiáng)度信息提取相位分布的方法大體分為兩類，迭代法和直 接提取法，例如基于光強(qiáng)傳輸方程（TIE :Transport of Intensity Equation)的相位恢復(fù) 算法就是直接提取中的一種。
[0003] TIE算法的基本原理是利用沿光傳播方向的光強(qiáng)變化測(cè)量推算出垂直方向分布的 相位分布，其實(shí)現(xiàn)一般需要兩次或兩次以上的光強(qiáng)測(cè)量，包括測(cè)量不同焦面、離焦面上的光 強(qiáng)信息。而為了采集這些離焦光強(qiáng)圖像，一般需要以機(jī)械方式多次移動(dòng)物平面或者移動(dòng)像 平面來(lái)獲取物體離焦面上的光強(qiáng)信息。這種做法不可避免地降低了數(shù)據(jù)采集的速度，使該 方法難以應(yīng)用于需要實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)測(cè)量的場(chǎng)合。近年來(lái)，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，改進(jìn)光強(qiáng)傳輸方程法 強(qiáng)度記錄方式的研究也層出不窮。它們的共同目標(biāo)是避免強(qiáng)度圖像采集中所引入的機(jī)械移 動(dòng)，例如通過(guò)色差與顏色通道復(fù)用實(shí)現(xiàn)單次彩色圖像曝光獲取等效離焦光強(qiáng)圖像，以及利 用空間光調(diào)制器進(jìn)行電光離焦，通過(guò)單相機(jī)分區(qū)域采集不同離焦量的圖樣。盡管這些方法 可以避免采取強(qiáng)度圖像所引入的機(jī)械移動(dòng)，但相位重建的準(zhǔn)確度上仍然較低，且犧牲了相 機(jī)的分辨率，降低了實(shí)用性及實(shí)效性。
[0004] 因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進(jìn)和發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種實(shí)時(shí)定量相位恢復(fù)裝置，快速高效的獲取光強(qiáng)圖像并 根據(jù)光強(qiáng)圖像計(jì)算光場(chǎng)相位，有效地將光強(qiáng)傳輸方程法的應(yīng)用范圍從靜止緩變物體拓展到 快速動(dòng)態(tài)物體。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種實(shí)時(shí)定量相位恢復(fù)裝置，與成像裝置配合使用，其 中，包括光心處于同一直線上的第一透鏡組和第二透鏡組，所述第一透鏡組和第二透鏡組 前后排列設(shè)置；所述成像裝置在第一透鏡組的前焦點(diǎn)處成像；
[0007] 還包括至少一個(gè)分束器和至少兩個(gè)用于捕捉分束器分束后的光線的CXD圖像傳 感器，其中一個(gè)CCD圖像傳感器位于第二透鏡組的后焦點(diǎn)處，捕捉得到正焦圖像，其他CCD 圖像傳感器捕捉欠焦或過(guò)焦圖像，所述正焦圖像與欠焦或過(guò)焦圖像幾何對(duì)稱且尺寸相同。
[0008] 所述的實(shí)時(shí)定量相位恢復(fù)裝置，其中，所述第一透鏡組與第二透鏡組的距離大于 第二透鏡組的焦距，使光闌處于第二透鏡組的前焦面處。
[0009] 所述的實(shí)時(shí)定量相位恢復(fù)裝置，其中，所述分束器設(shè)置一個(gè)，置于第二透鏡組后 側(cè)，對(duì)透過(guò)第二透鏡組的光進(jìn)行分束；
[0010] 所述C⑶圖像傳感器設(shè)置兩個(gè)，一個(gè)置于第二透鏡組的后焦點(diǎn)位置，用于捕捉透 過(guò)分束器的光，得到正焦圖像，另一個(gè)用于捕捉分束器反射的光，得到欠焦或過(guò)焦圖像。 [0011] 所述的實(shí)時(shí)定量相位恢復(fù)裝置，其中，所述分束器設(shè)置一個(gè)，置于第一透鏡組和第 二透鏡組之間，對(duì)透過(guò)第一透鏡組的光進(jìn)行分束；
[0012] 還包括反射鏡和第三透鏡，所述第三透鏡與第二透鏡組平行設(shè)置，第三透鏡的焦 距和第二透鏡組的焦距相同，經(jīng)過(guò)分束器反射后的光再經(jīng)過(guò)反射鏡反射后，經(jīng)過(guò)第三透鏡 射出；
[0013] 所述C⑶圖像傳感器設(shè)置兩個(gè)，一個(gè)置于第二透鏡組的后焦點(diǎn)位置，用于捕捉透 過(guò)分束器的光，得到正焦圖像；另一個(gè)置于第三透鏡后面，用于捕捉經(jīng)過(guò)第三透鏡射出的 光，得到欠焦或過(guò)焦圖像。
[0014] 所述的實(shí)時(shí)定量相位恢復(fù)裝置，其中，所述分束器設(shè)置兩個(gè)，分別為第一分束器和 第二分束器，兩個(gè)分束器均置于第一透鏡組和第二透鏡組之間，第二分束器對(duì)透過(guò)第一透 鏡組的光進(jìn)行分束，第一分束器對(duì)透過(guò)第二分束器的光進(jìn)行分束；
[0015] 還包括第一反射鏡、第二反射鏡、第三透鏡和第四透鏡，所述第三透鏡和第四透鏡 與第二透鏡組平行設(shè)置，第三透鏡和第四透鏡的焦距與第二透鏡組的焦距相同，經(jīng)過(guò)第一 分束器反射后的光再經(jīng)過(guò)第一反射鏡反射后，經(jīng)過(guò)第三透鏡射出，經(jīng)過(guò)第二分束器反射后 的光再經(jīng)過(guò)第二反射鏡反射后，經(jīng)過(guò)第四透鏡射出；
[0016] 所述CXD圖像傳感器設(shè)置三個(gè)，分別為第一 C⑶圖像傳感器、第二C⑶圖像傳感器 和第三C⑶圖像傳感器，第一 CXD圖像傳感器置于第二透鏡組的后焦點(diǎn)位置，用于捕捉透過(guò) 分束器的光，得到正焦圖像；第二CCD圖像傳感器置于第三透鏡后面，用于捕捉經(jīng)過(guò)第三透 鏡射出的光，得到欠焦圖像；第三CCD圖像傳感器置于第四透鏡后面，用于捕捉經(jīng)過(guò)第四透 鏡射出的光，得到過(guò)焦圖像。
[0017] 所述的實(shí)時(shí)定量相位恢復(fù)裝置，其中，所述實(shí)時(shí)定量相位恢復(fù)裝置中，各CCD圖像 傳感器的靶面位置與其捕捉的光所經(jīng)過(guò)的最后一個(gè)透鏡的焦點(diǎn)位置的差小于100 y m。
[0018] 所述的實(shí)時(shí)定量相位恢復(fù)裝置，其中，所述實(shí)時(shí)定量相位恢復(fù)裝置中，各CCD圖像 傳感器均為彩色圖像傳感器。
[0019] 所述的實(shí)時(shí)定量相位恢復(fù)裝置，其中，所述實(shí)時(shí)定量相位恢復(fù)裝置中，各分束器均 為非偏振分束器。
[0020] 所述的實(shí)時(shí)定量相位恢復(fù)裝置，其中，其相位恢復(fù)方法包括以下步驟：
[0021] A、利用兩個(gè)C⑶圖像傳感器捕捉得到兩幅強(qiáng)度圖，分別為正焦圖像IO (X，y)和離 焦圖像Id(X，y)，所述離焦圖像為欠焦或過(guò)焦圖像；
[0022] B、對(duì)正焦圖像和離焦圖像進(jìn)行數(shù)值查分，得到軸向微分：
[0023]
[0024] 其中dz為捕捉離焦圖像Id的CCD圖像傳感器的靶面位置與其捕捉的光所經(jīng)過(guò)的 最后一個(gè)透鏡的焦點(diǎn)位置的差；
[0025] C、利用軸向微分和正焦圖像10,通過(guò)以下公式求解相位分布，公式為：
[0026]
[0027] 其中，IFT是傅立葉逆變換，F(xiàn)T為傅立葉變換，k是波數(shù)。
[0028] 所述的實(shí)時(shí)定量相位恢復(fù)裝置，其中，其相位恢復(fù)方法包括以下步驟：
[0029] a、利用三個(gè)C⑶圖像傳感器捕捉得到三幅強(qiáng)度圖，分別為正焦圖像I0(x，y)、欠焦 圖像Il (X，y)和過(guò)焦圖像I2(x，y);
[0030] b、求軸向微分，公式如下：
[0031]
[0032] 其中dzl為捕捉欠焦圖像Il的CCD圖像傳感器的靶面位置與其捕捉的光所經(jīng)過(guò) 的最后一個(gè)透鏡的焦點(diǎn)位置的差；dz2為捕捉過(guò)焦圖像12的CCD圖像傳感器的靶面位置與 其捕捉的光所經(jīng)過(guò)的最后一個(gè)透鏡的焦點(diǎn)位置的差；
[0033] c、求解相位分布，公式如下：
[0034]
[0035] 其中，IFT是傅立葉逆變換，F(xiàn)T為傅立葉變換，k是波數(shù)。
[0036] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明在采集光強(qiáng)圖像時(shí)無(wú)需進(jìn)行機(jī)械移動(dòng)或調(diào)整，穩(wěn)定性 好，能高速恢復(fù)定量相位信息，同時(shí)本發(fā)明適用于任何成像系統(tǒng)，應(yīng)用范圍廣，采用多個(gè)CCD 圖像傳感器捕捉圖像，分辨率高，適合推廣應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0037] 圖1是本發(fā)明中實(shí)時(shí)定量相位恢復(fù)裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
[0038] 圖2是實(shí)時(shí)定量相位恢復(fù)裝置配合顯微鏡系統(tǒng)使用的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
[0039] 圖3是兩個(gè)CCD圖像傳感器捕捉圖像的橫向?qū)ΨQ原理說(shuō)明圖。
[0040] 圖4是本發(fā)明另一實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
[0041] 圖5是本發(fā)明另一實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實(shí)施例對(duì) 本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0043] 實(shí)施例1
[0044] 本實(shí)施例公開了一種實(shí)時(shí)定量相位恢復(fù)裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括光 心處于同一直線上的第一透鏡110和第二透鏡120,第一透鏡110和第二透鏡120前后排列 設(shè)置，第一透鏡110與第二透鏡120的距離要大于第二透鏡120的焦距，并且保證系統(tǒng)的光 闌處于第二透鏡120的前焦面處。在第二透鏡120后側(cè)設(shè)置有第一分束器210,該第一分 束器210用于對(duì)從第二透鏡120射出的光進(jìn)行分束。在第二透鏡120后焦點(diǎn)處設(shè)置有第一 C⑶圖像傳感器310,用于捕捉透過(guò)第一分束器210的光；在第一分束器210的下端設(shè)置有 第二C⑶圖像傳感器320,用于捕捉經(jīng)過(guò)第一分束器210反射后的光。實(shí)際應(yīng)用中，可以用 透鏡組替代第一透鏡110 (或第一透鏡120)使用。
[0045] 傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)僅僅采用一個(gè)透鏡進(jìn)行成像，在成像面會(huì)產(chǎn)生額外的球面像差， 這將會(huì)導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的放大率隨著離焦距離的變化而改變，從而使問(wèn)題復(fù)雜化。而本發(fā)明 采用無(wú)限遠(yuǎn)成像系統(tǒng)，兩個(gè)透鏡之間為平行光線，這種設(shè)置方式，即使改變成像面距離，倍 率也不會(huì)改變，非常適用于非迭代相位恢復(fù)算法。
[0046] 參見圖2,本實(shí)施例的實(shí)時(shí)定量相位恢復(fù)裝置10結(jié)合顯微鏡系統(tǒng)20使用，其中，顯 微鏡系統(tǒng)20包括集光鏡21、孔徑光闌22、聚光鏡23、待測(cè)樣品24、顯微物鏡25、顯微反射鏡 26和鏡筒透鏡27。使用時(shí)，顯微鏡系統(tǒng)20在實(shí)時(shí)定量相位恢復(fù)裝置10的第一透鏡的前焦 點(diǎn)處成像（參見圖2中標(biāo)號(hào)28)，第一 C⑶圖像傳感器310捕捉得到正焦圖像，第二C⑶圖 像傳感器320捕捉得到欠焦圖像。
[0047] 由于使用了兩個(gè)CCD圖像傳感器進(jìn)行成像，所以需要對(duì)兩個(gè)CCD圖像傳感器進(jìn)行 匹配。參見圖3,光通過(guò)第一分束器210分別到達(dá)兩個(gè)C⑶圖像傳感器，第一 C⑶圖像傳感 器310采集到透射的光信號(hào)，第二CCD圖像傳感器320采集到反射的光信號(hào)。為了形象的 說(shuō)明問(wèn)題，假設(shè)這光信號(hào)是"直角三角形"與"圓形"（如圖3所示），可以看出，沿著水平像 素陣列方向看，第一 CCD圖像傳感器310捕捉得到的圖像上右邊是直角三角形，左邊是圓； 第二C⑶圖像傳感器320則為右邊是圓，左邊是直角三角形。不難發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)C⑶圖像傳感 器采集到的圖像在采集面水平方向上是相反的，在豎直方向上是相同的，即在CCD像素的 水平方向上具有幾何對(duì)稱關(guān)系，但在豎直方向上沒有幾何對(duì)稱關(guān)系，所以在實(shí)際應(yīng)用中需 要對(duì)圖像進(jìn)行水平翻轉(zhuǎn)操作。在理想情況下，第一