基于白光照明的计算光学成像装置及方法

1.本发明涉及计算光学成像技术，特别是一种基于白光照明的计算光学成像装置及成像方法。


背景技术：

2.计算光学成像是光学成像、计算机技术和图像处理算法等相结合的综合性技术，该技术在超分辨光学、目标识别和光场相机等领域均有着广泛的应用前景。在超分辨光学领域，计算光学成像技术可获取高于传统成像系统空间分辨的图像信息，包括对多帧序列图像和单帧图像的超分辨率重建；在目标识别领域，计算光学成像技术可对数字图像中的目标物体进行准确地特征描述，从而保证目标检测和识别的准确性；在光场相机领域，计算光学成像技术可实现场景多层次图像拼接，以实现四维光场的精确重构。随着计算光学成像在各个领域的应用日益增加，对计算光学成像技术的研究也日趋重要。
3.传统光学成像方法依赖光学系统的成像性能，图像质量越高往往相应的光学系统结构越复杂、体积越大、重量越重、成本越高，因此传统光学成像方法已很难满足日益提高的成像需求。随着光电仪器、光学成像技术、图像处理记录和计算机信息处理技术高速发展的形势下，传统光学成像技术逐渐发展为计算光学成像技术。计算光学成像技术是传统光学成像技术的一次新变革，具有广阔的应用前景，在此基础上涌现出许多不同类型的计算光学成像方法。本发明专利提出了一种新型的计算光学成像方法——基于白光照明的计算光学成像成像装置及方法，通过旋转导模共振滤波片以获得不同波长的入射光束，再利用图像探测器记录多幅衍射强度图，从而结合多波长计算光学成像算法实现被测物体的复振幅图像再现。该装置结构简单、对环境要求低、操作方便，可避免多次机械移动图像探测器带来的系统振动、空气湍流等误差，可提高成像装置的鲁棒性；该装置成本低、精度高，可避免使用价格昂贵的激光光源，为计算光学成像技术的民用化、商业化之路提供了新技术方案。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于白光照明的计算光学成像装置及方法，以实现快速地重构被测物体的复振幅图像。通过旋转导模共振滤波片以得到多幅衍射强度图，再结合多波长计算光学成像算法快速重构被测物体的复振幅信息；该装置成本低、操作简单，可避免使用价格昂贵的激光光源，可避免多次移动图像探测器带来的机械误差，可提高成像装置的鲁棒性，可扩展成像装置的应用范围，可为计算光学成像技术的民用化、商业化之路提供新技术方案。
5.本发明的技术解决方案
6.一种基于白光照明的计算光学成像装置，其特点在于，包括白光光源、供导模共振滤波片放置的旋转镜架、供被测物体放置的三维平移台、图像探测器和计算机；
7.所述的白光光源发出的光脉冲入射到所述的导模共振滤波片，透过该模共振滤波
片的光束作为入射光束；
8.所述的入射光束透过所述的被测物体后，到达所述的图像探测器；
9.所述的图像探测器的输出端与所述的计算机的输入端连接；
10.移动所述的三维平移台，使所述的图像探测器上出现所述的被测物体的衍射强度图；
11.通过旋转所述的旋转镜架，使所述的导模共振滤波片出射得到不同波长的入射光束；
12.利用所述的基于白光照明的计算光学成像装置进行成像的方法，其特点在于，该方法包括下列步骤：
13.1)开启所述的白光光源，该白光光源发出的光脉冲入射到所述的导模共振滤波片；
14.旋转所述的旋转镜架，旋转角度分别为θ1、θ2、θ3…
θ
n
，使所述的导模共振滤波片出射得到波长分别为λ1、λ2、λ3…
λ
n
的入射光束，并由所述的图像探测器分别记录所述的被测物体的衍射强度图i1(x,y,λ1)、i2(x,y，λ2)、i3(x,y，λ3)
…
i
n
(x,y,λ
n
)，其中，n为正整数，(x,y)为记录面的空间坐标分布；
15.2)所述的图像探测器将探测的n幅衍射强度图i1(x,y,λ1)、i2(x,y,λ2)、i3(x，y,λ3)
…
i
n
(x,y,λ
n
)输送至所述的计算机存储，该计算机利用编写的程序进行迭代运算，一次完整的迭代过程包括以下步骤：
16.①
当入射光束的波长为λ1时，设记录面上所述的被测物体的衍射光波复振幅为其中，相位分布为任意常数；
17.利用角谱衍射传播理论将u1(x,y,λ1)逆向传输d至物平面，得到该被测物体(4)的复振幅其中，d为所述的被测物体和图像探测器的间距，(x0,y0)为物平面的空间坐标分布；
18.②
当入射光束的波长为λ2时，所述的被测物体的复振幅分布为
19.将u1(x0,y0，λ2)正向传输d至记录面，得到该被测物体的衍射光波复振幅
20.利用记录的强度值i2(x,y，λ2)对复振幅u1(x，y,λ2)的振幅分布进行替换、更新，其相位分布保持不变，得到：
21.将u1(x，y,λ2)逆向传输d至物平面，得到该被测物体的复振幅分布
22.③
当入射光束的波长为λ3…
λ
n
，依次重复步骤
②
的操作，得到所述的被测物体(4)的复振幅分布
23.④
当入射光束的波长为λ1时，所述的被测物体的复振幅分布为
24.以上步骤
①‑④
为一次完整的迭代过程。
25.3)经过m(m为整数，且m>＝1)次迭代后，得到入射光束的波长为λ1时，所述的被测物体的复振幅分布为其中，u
m+1
(x0,y0,λ1)的振幅分布与u
′
m
(x0，y0，λ
n
)的振幅分布相同，u
m+1
(x0，y0，λ1)的相位分布为u
′
m
(x0,y0,λ
n
)的相位分布的λ
n
/λ1倍；
26.4)将u
m+1
(x0,y0,λ1)正向传输d至记录面，得到所述的被测物体的衍射光波复振幅
27.计算复振幅分布u
m+1
(x，y，λ1)的归一化均方误差e:
[0028][0029]
其中，σ
k
表示对矩阵的行列求和；
[0030]
5)设定常数值ε；当e大于或等于ε时，重复
①‑④
的迭代过程，往复迭代，以达到e小于ε的效果；当e小于ε时，结束迭代过程，得到该被测物体的复振幅分布u
m+1
(x0，y0，λ1)，即成像，公式如下：
[0031][0032]
与现有技术相比，本发明的技术效果：
[0033]
1)本发明成本低，结构简单，操作方便，对环境要求低。
[0034]
2)本发明通过旋转所述的导模共振滤波片以得到不同波长的入射光束，再利用图像探测器记录多幅衍射强度图，从而可结合多波长计算光学成像算法实现被测物体的复振幅图像再现。
[0035]
3)本发明可避免使用价格昂贵的激光光源，可避免多次移动图像探测器带来的机械误差，可提高成像装置的鲁棒性，可扩展成像装置的应用范围，可为计算光学成像技术的民用化、商业化之路提供新技术方案。
附图说明
[0036]
图1为本发明基于白光照明的计算光学成像装置的结构示意图。
具体实施方式
[0037]
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0038]
先请参阅图1，图1为本发明基于白光照明的计算光学成像装置，包括白光光源1、导模共振滤波片2、供导模共振滤波片2放置的旋转镜架3、供被测物体4放置的三维平移台5、图像探测器6和计算机7；
[0039]
所述的白光光源1发出的光脉冲入射到所述的导模共振滤波片2，透过该模共振滤波片2的光束作为入射光束；
[0040]
所述的入射光束透过所述的被测物体4后，到达所述的图像探测器6；
[0041]
所述的图像探测器6的输出端与所述的计算机7的输入端连接；
[0042]
移动所述的三维平移台5，使所述的图像探测器6上出现所述的被测物体4的衍射强度图；
[0043]
通过旋转所述的旋转镜架3，使所述的导模共振滤波片2出射得到不同波长的入射光束。
[0044]
利用所述的基于白光照明的计算光学成像装置进行成像的方法，该方法包括下列步骤：
[0045]
1)开启所述的白光光源1，该白光光源1发出的光脉冲入射到所述的导模共振滤波片2；
[0046]
旋转所述的旋转镜架3，旋转角度分别为θ1、θ2、θ3…
θ
n
，使所述的导模共振滤波片2出射得到波长分别为λ1、λ2、λ3…
λ
n
的入射光束，并由所述的图像探测器6分别记录所述的被测物体4的衍射强度图i1(x,y,λ1)、i2(x,y，λ2)、i3(x,y，λ3)
…
i
n
(x,y,λ
n
)，其中，n为正整数，(x,y)为记录面的空间坐标分布；
[0047]
2)所述的图像探测器6将探测的n幅衍射强度图i1(x，y，λ1)、i2(x，y，λ2)、i3(x，y，λ3)
…
i
n
(x，y，λ
n
)输送至所述的计算机7存储，该计算机7利用编写的程序进行迭代运算，一次完整的迭代过程包括以下步骤：
[0048]
①
当入射光束的波长为λ1时，设记录面上所述的被测物体4的衍射光波复振幅为其中，相位分布为任意常数；
[0049]
利用角谱衍射传播理论将u1(x，y，λ1)逆向传输d至物平面，得到该被测物体4的复振幅其中，d为所述的被测物体4和图像探测器6的间距，(x0，y0)为物平面的空间坐标分布；
[0050]
②
当入射光束的波长为λ2时，所述的被测物体4的复振幅分布为
[0051]
将u1(x0，y0，λ2)正向传输d至记录面，得到该被测物体4的衍射光波复振幅
[0052]
利用记录的强度值i2(x,y，λ2)对复振幅u1(x，y,λ2)的振幅分布进行替换、更新，其相位分布保持不变，得到：
[0053]
将u1(x，y，λ2)逆向传输d至物平面，得到该被测物体4的复振幅分布
[0054]
③
当入射光束的波长为λ3…
λ
n
，依次重复步骤
②
的操作，得到所述的被测物体(4)的复振幅分布
[0055]
④
当入射光束的波长为λ1时，所述的被测物体4的复振幅分布为
[0056]
以上步骤
①‑④
为一次完整的迭代过程。
[0057]
3)经过m(m为整数，且m>＝1)次迭代后，得到入射光束的波长为λ1时，所述的被测
物体4的复振幅分布为其中，u
m+1
(x0,y0，λ1)的振幅分布与u
′
m
(x0,y0,λ
n
)的振幅分布相同，u
m+1
(x0,y0,λ1)的相位分布为u
′
m
(x0,y0,λ
n
)的相位分布的λ
n
/λ1倍；
[0058]
4)将u
m+1
(x0,y0,λ1)正向传输d至记录面，得到所述的被测物体4的衍射光波复振幅
[0059]
计算复振幅u
m+1
(x,y,λ1)的归一化均方误差e:
[0060][0061]
其中，σ
k
表示对矩阵的行列求和；
[0062]
5)设定常数值ε；当e大于或等于ε时，重复
①‑④
的迭代过程，往复迭代，以达到e小于ε的效果；当e小于ε时，结束迭代过程，得到该被测物体4的复振幅分布u
m+1
(x0,y0,λ1)，即成像，公式如下：
[0063][0064]
实验表明，本发明成本低、结构简单、操作简单、对环境要求低，可通过旋转所述的导模共振滤波片以得到不同波长的入射光束，可快速准确地利用记录的衍射强度图恢复得到被测物体的复振幅图像，可避免使用价格昂贵的激光光源，可避免多次移动图像探测器带来的机械误差，可提高成像装置的鲁棒性，可扩展成像装置的应用范围，可为计算光学成像技术的民用化、商业化之路提供新技术方案。
[0065]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施案例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。