基于光強傳輸方程的實時定量相位檢測裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于光強傳輸方程的實時定量相位檢測裝置，屬于光學測量和三 維成像技術領域。 技術背景
[0002] 相位的定量檢測是光學測量與三維成像技術領域的一個重要研究課題，無論是在 生物醫(yī)學、波陣面重構還是表面形貌檢測等領域中都發(fā)揮著非常重要的作用。眾所周知，光 波是由振幅和相位組成。統(tǒng)計表明大約有四分之一的信息被編碼在振幅中，而有四分之三 的信息被編碼在相位中。然而，由于光波場的振蕩頻率非常高（IO15Hz),以致目前沒有一個 光學傳感器能直接記錄下光波場的振幅和相位信息。目前，干涉測量法作為最常用的相位 檢測技術，可以同時獲取光波的振幅和相位信息。但是該技術一般需要高度空間相干和時 間相干的光源，從而需要較為復雜的干涉裝置和頗為嚴格的測量環(huán)境。
[0003] 基于光強傳輸方程（TransportofIntensityEquation,TIE)的相位檢測技術 是一種非干涉測量技術。光強傳輸方程實際上是一個二階橢圓偏微分方程，其描述了沿光 軸方向上光強的變化量與光波的相位之間的定量關系。這避免了直接測量光波場的相位 信息，而是通過測量與光軸垂直的兩個或多個平面上的光場強度，就可以通過求解光強傳 輸方程來直接獲取光波的相位信息。與干涉法相比，其主要優(yōu)點有：非干涉、無需相位解包 裹、對光源要求低（白光照明）、光學結構簡單、對實驗環(huán)境要求低等。目前，基于光強傳輸 方程的相位檢測技術的相關專利和產品有：Phaseview公司推出的產品ZeeScan需要通過 單一精密位移臺控制一臺相機先后采集兩個或者多個與光軸垂直的平面的光強分布，這無 可避免地減低了數(shù)據(jù)采集的速度，使得該技術難以應用于實時測量場合。國際發(fā)明專利 TO2015002614Al和中國專利CN104345438A公開了一種電控流變透鏡以及4f成像系統(tǒng)實 現(xiàn)了恒定放大率的快速軸向掃描。這種技術的優(yōu)點是無需采用機械位移裝置即可實現(xiàn)離聚 焦操作、操作簡便快捷。但其也存在一些的缺點：首先，需要精確標定電控變焦透鏡的輸出 電流和系統(tǒng)離焦量之間的關系，標定結果將直接決定檢測結果的準確性和精度；其次，目前 電控變焦透鏡在工作過程中，其溫度變化很大，這使得系統(tǒng)輸出電流不穩(wěn)定，進而導致系統(tǒng) 的穩(wěn)定性變差；另外，輸出電流和電控變焦透鏡的焦距是非線性的，這也給實際應用帶來不 少問題。中國專利CNl04344793A提出采用空間光調制器實現(xiàn)了單幀圖像的相位檢測，從而 可實現(xiàn)高速動態(tài)物體的測量。但是該技術存在觀測視場小、空間分辨率低、空間光調制器價 格高等缺點，同時由于該技術只采用兩幅光強圖像參與光強傳輸方程的求解，其精度和穩(wěn) 定性相對較差。中國專利CN104125382A公開了一種集成多CCD采集讀數(shù)攝像機采集裝置， 由于該技術中采用了4臺位移裝置、4臺CCD相機以及3個分光棱鏡，硬件結構過于復雜；其 次，由于開環(huán)精密位移臺或多或少都存在回程誤差的問題以及各CCD相機采用獨立式結構 (每個CCD相機都固定在相互獨立的精密位移臺上），這都容易導致散焦步長（或離焦量） 的一致性難以保證；另外，其采用一個標準的攝像機鏡頭來收集自然光照攜帶的物體信息， 其實質是一個非遠心光路，這會導致光學系統(tǒng)的放大率隨著離焦量的變化而改變，從而使 后期算法變得更加復雜。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于光強傳輸方程的實時定量相位檢測裝置，以解決 現(xiàn)有技術存在的實時性差、結構復雜、離焦量的一致性差、觀測視場小以及算法求解穩(wěn)定性 差等問題，有效地將光強傳輸方程法應用到實時觀測領域，實現(xiàn)高速高分辨率的三維定量 相位檢測。
[0005] 為達到上述目的，本發(fā)明通過如下技術方案實現(xiàn)：
[0006] 基于光強傳輸方程的實時定量相位檢測裝置，包括4f成像系統(tǒng)2、固定支架5、正 交分光棱鏡6、第一精密位移臺8、第二精密位移臺10,相機7、相機9和相機11 ;
[0007] 所述4f成像系統(tǒng)2由第一透鏡3和第二透鏡4組成，第一透鏡3和第二透鏡4的 焦距f=f3=f4;4f成像系統(tǒng)的光軸和相機7、相機9、相機11以及正交分光棱鏡6的中心 在同一水平高度且重合；所述相機7和相機11固定在第一精密位移臺8的兩端，通過第一 精密位移臺8可一次同時調節(jié)相機7、相機11做一維直線運動；
[0008] 所述相機9固定在第二精密位移臺10上，通過第二精密位移臺10可調節(jié)相機9 做一維直線運動；
[0009] 所述正交分光棱鏡6安裝在固定支架5上，固定支架5和第一精密位移臺8安裝 好后不發(fā)生機械干涉；
[0010] 本發(fā)明的一種基于光強傳輸方程的實時定量相位檢測裝置，其特征在于被測物體 放置在第一透鏡3的前焦面，攜帶有物體信息的平行光在通過4f成像系統(tǒng)2后，被正交分 光棱鏡6分成三束光并分別成像在相機7、相機9、相機11上；通過第二精密位移臺10調節(jié) 相機9的位置，使其位于第二透鏡4的后焦面上，從而獲得一副聚焦光強圖像；隨后根據(jù)被 測物體特性，利用第一精密位移臺10同時調節(jié)相機7、相機11的位置，使其分別獲得一副欠 焦和過焦光強圖像；在完成上述準備工作之后，即可通過計算機控制并同時采集欠焦、聚焦 和過焦三幅光強圖像；另外采用圖像配準方法對三幅圖像進行圖像配準，同時確保圖像尺 寸完全一致；最后通過求解光強傳輸方程，即可實現(xiàn)物體相位信息的定量獲取。
[0011] 有益效果：
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有顯著優(yōu)點：（1)實際測量中，根據(jù)被測物體的特性， 需要對兩幅非聚焦（欠焦和過焦）圖像的離焦量進行相應的調節(jié)，以確保測量精度。由 于本發(fā)明中的用于記錄欠焦和過焦圖像的兩臺相機7和相機11都固定在第一精密位移臺 8上，因此可以通過一次性調節(jié)第一精密位移臺8即可巧妙地實現(xiàn)兩幅非聚焦圖像的獲取， 這種結構不僅確保了兩幅非聚焦圖像的離焦量絕對一致，且結構簡單、操作便捷。（2)本發(fā) 明僅需要一個正交分光棱鏡6即可實現(xiàn)光束的一分為三，而傳統(tǒng)方法需要三個分光棱鏡才 能實現(xiàn)，因此，使得本發(fā)明的系統(tǒng)更加緊湊。（3)本發(fā)明采用三臺相機分別同時記錄欠焦、聚 焦和過焦三幅光強圖像，具有實時性好、算法精度高的特點。（4)在測量參數(shù)確定之后，測量 過程中無需進行任何機械移動與調整，受溫度和外界環(huán)境影響小，因此，可以得到非常穩(wěn)定 和高精度的相位檢測結果。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明基于光強傳輸方程的實時定量相位檢測裝置結構示意圖；
[0014] 圖2為本發(fā)明裝置的第一精密位移臺8、相機7和相機11和固定支架5以及正交 分光棱鏡6的安裝不意圖；
[0015] 圖3為本發(fā)明裝置的正交分光棱鏡6的分光特性不意圖；
[0016] 圖4為本發(fā)明裝置測量透射物體的實施例示意圖；
[0017] 圖5為本發(fā)明裝置測量反射型物體的實施例示意圖；
[0018] 圖6為本發(fā)明裝置用于顯微鏡中的實施例示意圖；
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖及【具體實施方式】詳細介紹本發(fā)明。
[0020] 如圖1所示是基于光強傳輸方程的實時定量相位檢測裝置1，包括4f?成像系統(tǒng)2、 固定支