一种基于低动态范围频谱图的相干衍射成像装置及方法

摘要

本发明提供了一种基于低动态范围频谱图的相干衍射成像装置及方法，该装置包括：光源模块，用于产生一束单色平行光为待测样本提供光源；调制模块，用于加载n个编码图案对待测样本进行调制，以获取对应其不同部分的n张低动态范围频谱图，n为2以上的整数；图像采集模块，包括沿光轴方向依次布置的采集透镜及相机，所述采集透镜摆放的位置应使待测样本的样本平面严格位于采集透镜成像前焦面上，通过所述相机采集所述n张低动态范围频谱图；数据处理模块，用于通过自适应迭代相位恢复算法对采集到的n张低动态范围频谱图进行计算，得到待测样本复振幅。解决常规相干衍射成像技术需要采集高动态范围低动态范围频谱图以确保恢复精度的问题。

说明书

技术领域

本发明属于光学领域，尤其涉及一种基于低动态范围频谱图的相干衍射成像装置及方法。

背景技术

相位恢复是一种通过测量光场的强度分布而后数值计算出光场相位分布的技术，因测量装置搭建成本低、操作简单及抗干扰能力强等优点得以广泛应用，相干衍射成像技术是其中较为常用的一种。然而，一般的相干衍射成像技术对低动态范围频谱图的动态范围要求较高，才能保证较高成像精度，这就对采集相机的位深提出了较高要求(通常在13位以上)，否则就要使用多张图片合成为高动态范围频谱图，这就使得恢复过程变得繁琐；此外，还要求相机采集频谱图时要严格位于采集透镜傅里叶频谱的焦面处，使得搭建装置时相机位置受限，带来不便。因此，常规相干衍射成像技术还有很大的改进空间。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种基于低动态范围频谱图的相干衍射成像装置及方法，以解决常规相干衍射成像技术需要采集高动态范围低动态范围频谱图以确保恢复精度，而导致采集图样操作复杂费时或对相机位深要求较高的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于低动态范围频谱图的相干衍射成像装置，该装置包括：光源模块，用于产生一束单色平行光为待测样本提供光源；调制模块，用于加载n个编码图案对待测样本进行调制，以获取对应其不同部分的n张低动态范围频谱图，n为2以上的整数；图像采集模块，包括沿光轴方向依次布置的采集透镜及相机，所述采集透镜摆放的位置应使待测样本的样本平面严格位于采集透镜成像前焦面上，通过所述相机采集所述n张低动态范围频谱图；数据处理模块，用于通过自适应迭代相位恢复算法对采集到的n张低动态范围频谱图进行计算，得到待测样本复振幅，以实现成像。

进一步地，所述光源模块包括沿光轴方向依次布置的激光器、扩束镜组及中性滤波器。

进一步地，所述激光器L中心波长在可见光范围内。

进一步地，所述扩束镜组输出的光束口径大于所述数字微镜器件对角线尺寸，输出光束均匀。

进一步地，所述调制模块包括沿光轴方向依次布置的数字微镜器件和4f系统，所述数字微镜器件平面及待测样本平面应分别位于所述4f系统的两个焦平面上。

进一步地，所述数字微镜器件可加载编码图案数量为3张以上。

进一步地，所述4f系统由第一透镜、第二透镜构成。

进一步地，所述相机位深在8位以上。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种基于低动态范围频谱图的相干衍射成像方法，该方法基于第一方面所述的装置中实现，该方法包括：

加载n个编码图案对待测样本进行调制，以获取对应其不同部分的n张低动态范围频谱图，n为2以上的整数；

采集所述n张低动态范围频谱图；

通过自适应迭代相位恢复算法对采集到的n张低动态范围频谱图进行计算，得到待测样本复振幅，以实现成像。

根据以上技术方案，本发明实施例只需一部相机以优选的摆放位置采集单张低动态范围频谱图即可保证较高成像精度，避免了多张图片合成导致的恢复过程繁琐或需要高位数相机带来的高成本，解决了常规相干衍射成像技术需要采集高动态范围低动态范围频谱图以确保恢复精度，而导致采集图样操作复杂费时或对相机位深要求较高的问题。

在保证一定成像精度的前提下，采集频谱图时相机位置不再局限于采集透镜的傅里叶频谱的焦面处，而是可以在焦面一定范围内前后移动，装置搭建更为灵活；

相机在最佳离焦位置处采集图像比在焦面处得到的成像精度更高，且对于同样的误差容限及迭代次数，离焦位置处的曝光调整范围往往更大，图像采集更为方便。

通过仿真及实验验证了此技术的有效性，即相机C摆放位置在采集透镜L3的傅里叶频谱焦面附近一定范围内调整的确可以保证一定成像精度，并且在最佳离焦位置处比焦面处成像精度更高，而对于同样的误差容限及迭代次数，离焦位置处的曝光调整范围更大，图像采集更为方便。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一较佳实施例提供的基于低动态范围频谱图的相干衍射成像装置的结构示意图；

图2为本发明一较佳实施例提供的基于低动态范围频谱图的相干衍射成像装置的针对某图案仿真在不同离焦位置处采集频谱进行成像的误差曲线；

图3为本发明一较佳实施例提供的基于低动态范围频谱图的相干衍射成像装置的针对某图案仿真在不同离焦位置处采集频谱进行成像的曝光调整范围曲线对比。

图4为本发明一较佳实施例的基于低动态范围频谱图的相干衍射成像装置的针对某图案仿真的结果对比，(a)为原图，由显微镜下直接用相机采集获得；(b)为仿真在傅里叶焦面处采集频谱进行成像的结果；(c)为仿真在z＝-2离焦位置处采集频谱进行成像的结果；(d)为仿真在z＝-7离焦位置处采集频谱进行成像的结果。

图5为本发明一较佳实施例的基于低动态范围频谱图的相干衍射成像装置的针对某图案仿真的对应于图4中各结果的局部放大图，具体位置为图4(a)中黑方框框出部分。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种基于低动态范围频谱图的相干衍射成像装置，该装置包括：光源模块，用于产生一束单色平行光为待测样本提供光源；调制模块，用于加载n个编码图案对待测样本进行调制，以获取对应其不同部分的n张低动态范围频谱图，n为2以上的整数；图像采集模块，包括沿光轴方向依次布置的采集透镜及相机，所述采集透镜摆放的位置应使待测样本的样本平面严格位于采集透镜成像前焦面上，通过所述相机采集所述n张低动态范围频谱图；数据处理模块，用于通过自适应迭代相位恢复算法对采集到的n张低动态范围频谱图进行计算，得到待测样本复振幅，以实现成像。

根据以上技术方案，本发明实施例只需一部相机以优选的摆放位置采集单张低动态范围频谱图即可保证较高成像精度，避免了多张图片合成导致的恢复过程繁琐或需要高位数相机带来的高成本，解决了常规相干衍射成像技术需要采集高动态范围低动态范围频谱图以确保恢复精度，而导致采集图样操作复杂费时或对相机位深要求较高的问题。在保证一定成像精度的前提下，采集频谱图时相机位置不再局限于采集透镜的傅里叶频谱的焦面处，而是可以在焦面一定范围内前后移动，装置搭建更为灵活；相机在最佳离焦位置处采集图像比在焦面处得到的成像精度更高，且对于同样的误差容限及迭代次数，离焦位置处的曝光调整范围往往更大，图像采集更为方便。

本实施例以其中一个例子来进行说明，以使得本发明实施例提供的技术方案更加清楚。

本发明实施例中，所述光源模块可包括沿光轴方向依次布置的激光器L、扩束镜组BE及中性滤波器ND，激光器L中心波长在可见光范围内，扩束镜组BE输出的光束口径大于数字微镜器件DMD对角线尺寸，输出光束均匀。

具体地，本实例中，所述激光器L中心波长为532.8nm，因人眼对绿光较为敏感，方便光路搭建校准，扩束镜组BE输出的光束口径约10mm，足以覆盖整个DMD面，输出光束均匀，中性滤波器ND对不同波长光的削弱效果相同，优选单片削弱效率约50％，可根据使用情况调整片数，目的是使激光器能够稳定工作的同时后续光路中的光强不至过强。

本发明实施例中，所述调制模块可包括沿光轴方向依次布置的数字微镜器件DMD、4f系统，所述数字微镜器件DMD平面及待测样本S平面应分别位于4f系统的两个焦平面上，以确保编码图案对待测样本进行正确的相位调制。所述数字微镜器件DMD可加载编码图案数量为3张以上(其中一张作为标志图案方便后续图像采集)，所述4f系统中透镜的焦距无严格限制，能够搭建光路即可，待测样本S优选不宜过厚，否则光线难以穿透。进一步地，所述4f系统由透镜L1、L2构成。

具体地，本实例中，所述DMD加载6张编码图案，其中4张为占空比0.25的二维码图案，作为掩模对待测样本进行调制，另外2张分别为全黑和全白图案，方便确定图像采集顺序及采集物镜L3的傅里叶频谱焦面位置，4f系统在将DMD面加载到样本S上的同时，不引入垂轴像差，可减少测量误差，透镜L1、L2的焦距均为180mm，选用较大焦距能够使搭建光路时各器件之间不易发生干涉，待测样本S厚度约为0.1mm，确保光线能够穿透。

本发明实施例中，所述图像采集模块包括沿光轴方向依次布置的采集透镜L3及相机C，所述采集透镜L3的焦距无严格限制，能够搭建光路即可，所述相机C位深优选在8位以上，最佳摆放位置与采集透镜L3的焦距相关。所述采集透镜L3摆放的位置应使样本平面严格位于其成像前焦面上，以保证相机C在傅里叶频谱面的离焦位置处采集到的数据能够正确计算出待测样本复振幅分布。

具体地，本实例中，所述采集透镜L3的焦距为80mm，满足搭建光路和采集图像的需求，相机C位深为8位，满足使用要求的前提下降低了装置成本，根据仿真结果，其摆放位置可在采集透镜L3的傅里叶频谱焦面前后3mm范围内调整，超出此范围则测量结果会出现较大误差。

本发明实施例中，所述数据处理模块包括能够运行相机驱动软件和MATLAB的电脑及相应配件。所用相机驱动软件为Network Configuration Tool和Sapera CamExpert，MATLAB版本为R2016a，所用电脑型号为MECHREVO KSeries，操作系统为Microsoft Windows7旗舰版(64位/Service Pack 1)，CPU为(英特尔)Intel(R)Core(TM)i7-4710MQ CPU@2.50GHz(2501MHz)，主板为MECHREVO K Series，内存为8.00GB(1600MHz)，主硬盘为130GB(002613102JU5)，显卡为NVIDIA GeForce GTX 960M，显示器为AUO AUO 32位真彩色60Hz；相应配件是指相机电源线、数据线以及电脑电源线等。

基于以上技术方案，所述激光器L发出激光，经扩束镜组BE后扩展成一定口径的均匀光束(以便能够将DMD面完全照射)，再经中性滤波器ND入射到DMD表面，DMD循环变换2张以上的已知编码图案及1张以上的标志图案(如全黑或全白图)，而后DMD将光束以这些图案的形式反射并通过4f系统(由透镜L1、L2构成)加载到待测样本S上，光束穿过待测样本S后经采集透镜L3被相机C接收，如此便获得了包含待测样本复振幅分布的低动态范围频谱图，再通过自适应迭代相位恢复算法即可计算出待测样本复振幅实现成像。只需一部位深8位以上相机采集单张低动态范围频谱图，以优选的离焦(针对傅里叶频谱面而言)位置和曝光时间进行采集即可保证一定的成像精度。

根据本发明实施例还提供一种基于低动态范围频谱图的相干衍射成像方法，该方法基于上述的装置中实现，该方法包括：

(1)调整光源模块至产生最佳使用状态光源；

具体的，调整激光器功率及中性滤波器片数，使得激光器输出光强稳定的同时，相机接收到的光强不至于过曝或过弱，确保采集频谱图时图像保持稳定且曝光调整有效。

(2)加载n个编码图案对待测样本进行调制，以获取对应其不同部分的n张低动态范围频谱图，n为2以上的整数；

具体地，在DMD上加载6张编码图案，其中4张为占空比0.25的二维码图案，作为掩模对待测样本进行调制，另外2张分别为全黑和全白图案，方便确定图像采集顺序及采集物镜L3的傅里叶频谱焦面位置。

(3)采集所述n张低动态范围频谱图；

具体地，将相机放置到合适的位置并将曝光值调至最佳，采集获取待测样本的4张低动态范围频谱图。

(4)通过自适应迭代相位恢复算法对采集到的n张低动态范围频谱图进行计算，得到待测样本复振幅，以实现成像。

具体地，在MATLAB中运行所用自适应迭代相位恢复算法相应程序，输入采集到的4张低动态范围频谱图及相应的已知编码图案(即加载到DMD上作为掩模对待测样本进行调制的4张编码图案)，计算出待测样本复振幅分布；由恢复结果对激光器L功率、中性滤波器ND片数、相机C曝光时间及自适应迭代相位恢复算法迭代次数做适当调整，达到最佳使用效果。

本实例中作为光源的激光器L具有较好的单色性，光谱范围可以为532.8±5nm。

在此结构基础上，通过改变激光器L中心波长、调整中性滤波器ND片数、改变透镜L1、L2、L3焦距及相机C位数等方式，即可实现不同场景下对待测样本复振幅分布的测量。

针对某图案仿真在不同离焦位置处采集频谱进行成像的误差曲线如图2所示，纵坐标为均方根误差，横坐标z代表离焦量，可以看出z＝0时均方根误差为0.17707％，已经较小，且最佳离焦位置处z＝-2时均方根误差进一步减小，只有0.16526％，充分证明了此技术的有效性；同时，针对某图案仿真在不同离焦位置处采集频谱进行成像的曝光调整范围曲线对比如图3所示，可以看出当误差容限设为0.2％(迭代次数为35)时，最佳离焦位置处(z＝-2)的曝光调整范围比焦面处更大，且随着离焦量变大，曝光调整范围进一步变大(如z＝-7)，说明在允许一定误差的情况下，离焦位置处更容易调整到合适的曝光采集图像；图4中的(a)、(b)、(c)、(d)分别为仿真所用原图、仿真在傅里叶焦面处采集频谱进行成像的结果、仿真在z＝-2离焦位置处采集频谱进行成像的结果和仿真在z＝-7离焦位置处采集频谱进行成像的结果，可以看出(c)与原图(a)最为接近，其次是(b)，然后是(d)，与仿真误差曲线相符；图5为对应图4中各结果的局部放大图，具体位置为图4中的(a)中黑方框框出部分，进一步展现图像细节。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。