C⑶图像传感器310和第二CXD图像传 感器320捕捉得到的图像应该是完全对应的，即完美对齐且尺寸相同，但实际中可能存在 一定的系统误差，所以采用图像配准方法（如互相关、傅里叶相位相关法等现有技术）对两 图进行图像配准，选择适当的区域来保证尺寸完全一致，处理后最终得到聚焦、离焦两幅光 强图像。
[0048] 本实施例还提出了一种基于该实时定量相位恢复装置的相位恢复方法，包括以下 步骤：
[0049] A、利用第一 C⑶图像传感器310和第二C⑶图像传感器320捕捉得到两幅强度图， 分别为正焦图像IO (X，y)和欠焦图像Id(X，y)。
[0050] B、对正焦图像和欠焦图像进行数值查分，得到轴向微分：
[0051] _ 5：
[0052] 其中dz为第二C⑶图像传感器320的靶面位置与第二透镜120的后焦面的距离 (参见图1)，实际应用中，该dz不超过100 μ m，否则会对计算精度造成极大影响。
[0053] C、利用轴向微分和正焦图像10,通过以下公式求解相位分布，公式为：
[0054]
[0055] 其中，IFT是傅立叶逆变换，FT为傅立叶变换，k是波数。
[0056] 通过上述步骤可以看到，在某一时刻，本发明可以采集两个具有不同离焦量的光 强图像。两幅图像之间的相对离焦量由建立系统时确定，并且使用过程中不会改变。由于采 集过程中不需要任何机械移动与调整，所以系统可以非常稳定、高速地恢复定量相位图像， 且成像速度仅仅由成像设备的采集速度决定，对环境要求小，实用性强。同时，本发明的装 置可以配合不同的成像系统使用，应用范围广。最后，本发明的测量时间短，并由于双CCD 图像传感器的使用，解决了分辨率低的问题。
[0057] 实施例2
[0058] 为了缩小装置的体积，本实施例在实施例1的基础上进行改进，提出了如图4所示 的方案。具体的，将第一分速器210移至第一透镜110和第二透镜120之间，同时增加与第 二C⑶图像传感器320配合的第一反射镜410和第三透镜130。第一分速器210对透过第 一透镜110的光进行分束（透射光和反射光），透射光进入第二透镜120后，进入第一 (XD 图像传感器310 ;反射光经过第一反射镜410和第三透镜130后进入第二C⑶图像传感器 320。这种设置方式，利用反射镜改变光路，使整个装置更加紧凑，减少了整个装置的体积。
[0059] 实际应用中，为了保证第一 C⑶图像传感器310和第二C⑶图像传感器320所捕 捉得到的图像匹配，第二透镜120和第三透镜130的焦距要求相同。
[0060] 本实施例的相位恢复方法与实施例一致。
[0061] 实施例3
[0062] 为了提高相位恢复结果的精准度和准确性，本实施例对实施例2进行了改进，参 见图5,装置再增加了一个光路和一个CCD图像传感器，装置实现捕捉得到三幅图像，并通 过该三幅图像进行计算，极大的提高了计算结果的精准度和准确性。
[0063] 具体的，在第一分束器210和第一透镜110之间设置第二分束器220,同时设置与 第二分束器220配合的第二反射镜420和第四透镜140,在第四透镜140后面设置第三CXD 图像传感器330，用于捕捉过焦图像。
[0064] 本实施例的装置捕捉得到三幅图像，分别为由第一 CCD图像传感器310捕捉得到 的正焦图像、由第二C⑶图像传感器320捕捉得到的欠焦图像和由第三C⑶图像传感器330 捕捉得到的过焦图像，为了使这三幅图像匹配，要求第二透镜、第三透镜和第四透镜的焦距 相同。
[0065] 针对本实施例的装置，对原来的相位恢复计算方法进行改变，具体包括以下步 骤：
[0066] a、利用三个C⑶图像传感器捕捉得到三幅强度图，分别为正焦图像I0(x，y)、欠焦 图像Il (X，y)和过焦图像I2(x，y);
[0067] b、求轴向微分，公式如下：
[0068]
[0069] 其中dzl为第二C⑶图像传感器320的靶面位置与第三透镜130的后焦面的距离， dz2为第三C⑶图像传感器330的靶面位置与第四透镜140的后焦面的距离（参见图5)。
[0070] c、求解相位分布，公式如下：
[0071] LlN 丄UOldbd丄O /\ yJ^ rVJ 〇/〇 JM
[0072] 其中，IFT是傅立叶逆变换，FT为傅立叶变换，k是波数。
[0073] 应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可 以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保 护范围。
【主权项】
1. 一种实时定量相位恢复装置，与成像装置配合使用，其特征在于，包括光心处于同一 直线上的第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组和第二透镜组前后排列设置；所述成 像装置在第一透镜组的前焦点处成像； 还包括至少一个分束器和至少两个用于捕捉分束器分束后的光线的C⑶图像传感器， 其中一个CCD图像传感器位于第二透镜组的后焦点处，捕捉得到正焦图像，其他CCD图像传 感器捕捉欠焦或过焦图像，所述正焦图像与欠焦或过焦图像几何对称且尺寸相同。2. 根据权利要求1所述的实时定量相位恢复装置，其特征在于，所述第一透镜组与第 二透镜组的距离大于第二透镜组的焦距，使光阑处于第二透镜组的前焦面处。3. 根据权利要求1所述的实时定量相位恢复装置，其特征在于，所述分束器设置一个， 置于第二透镜组后侧，对透过第二透镜组的光进行分束； 所述CCD图像传感器设置两个，一个置于第二透镜组的后焦点位置，用于捕捉透过分 束器的光，得到正焦图像，另一个用于捕捉分束器反射的光，得到欠焦或过焦图像。4. 根据权利要求1所述的实时定量相位恢复装置，其特征在于，所述分束器设置一个， 置于第一透镜组和第二透镜组之间，对透过第一透镜组的光进行分束； 还包括反射镜和第三透镜，所述第三透镜与第二透镜组平行设置，第三透镜的焦距 和第二透镜组的焦距相同，经过分束器反射后的光再经过反射镜反射后，经过第三透镜射 出； 所述CCD图像传感器设置两个，一个置于第二透镜组的后焦点位置，用于捕捉透过分 束器的光，得到正焦图像；另一个置于第三透镜后面，用于捕捉经过第三透镜射出的光，得 到欠焦或过焦图像。5. 根据权利要求1所述的实时定量相位恢复装置，其特征在于，所述分束器设置两个， 分别为第一分束器和第二分束器，两个分束器均置于第一透镜组和第二透镜组之间，第二 分束器对透过第一透镜组的光进行分束，第一分束器对透过第二分束器的光进行分束； 还包括第一反射镜、第二反射镜、第三透镜和第四透镜，所述第三透镜和第四透镜与第 二透镜组平行设置，第三透镜和第四透镜的焦距与第二透镜组的焦距相同，经过第一分束 器反射后的光再经过第一反射镜反射后，经过第三透镜射出，经过第二分束器反射后的光 再经过第二反射镜反射后，经过第四透镜射出； 所述CCD图像传感器设置三个，分别为第一CCD图像传感器、第二CCD图像传感器和第 三CCD图像传感器，第一CCD图像传感器置于第二透镜组的后焦点位置，用于捕捉透过分束 器的光，得到正焦图像；第二CCD图像传感器置于第三透镜后面，用于捕捉经过第三透镜射 出的光，得到欠焦图像；第三CCD图像传感器置于第四透镜后面，用于捕捉经过第四透镜射 出的光，得到过焦图像。6. 根据权利要求1~5任意一项所述的实时定量相位恢复装置，其特征在于，所述实时 定量相位恢复装置中，各CCD图像传感器的靶面位置与其捕捉的光所经过的最后一个透镜 的焦点位置的差小于100ym。7. 根据权利要求1~5任意一项所述的实时定量相位恢复装置，其特征在于，所述实时 定量相位恢复装置中，各CCD图像传感器均为彩色图像传感器。8. 根据权利要求1~5任意一项所述的实时定量相位恢复装置，其特征在于，所述实时 定量相位恢复装置中，各分束器均为非偏振分束器。9. 根据权利要求3或4所述的实时定量相位恢复装置，其特征在于，其相位恢复方法包 括以下步骤： A、 利用两个CCD图像传感器捕捉得到两幅强度图，分别为正焦图像IO(x，y)和离焦图 像Id(x，y)，所述离焦图像为欠焦或过焦图像； B、 对正焦图像和离焦图像进行数值查分，得到轴向微分：其中dz为捕捉离焦图像Id的CCD图像传感器的靶面位置与其捕捉的光所经过的最后 一个透镜的焦点位置的差； C、 利用轴向微分和正焦图像10,通过以下公式求解相位分布，公式为：其中，IFT是傅立叶逆变换，FT为傅立叶变换，k是波数。10. 根据权利要求5所述的实时定量相位恢复装置，其特征在于，其相位恢复方法包括 以下步骤： a、 利用三个CCD图像传感器捕捉得到三幅强度图，分别为正焦图像I0(x，y)、欠焦图像 Il(x，y)和过焦图像I2(x，y); b、 求轴向微分，公式如下：其中dzl为捕捉欠焦图像Il的CCD图像传感器的靶面位置与其捕捉的光所经过的最 后一个透镜的焦点位置的差；dz2为捕捉过焦图像12的CCD图像传感器的靶面位置与其捕 捉的光所经过的最后一个透镜的焦点位置的差； c、 求解相位分布，公式如下：其中，IFT是傅立叶逆变换，FT为傅立叶变换，k是波数。
【专利摘要】本发明公开了一种实时定量相位恢复装置，与成像装置配合使用，包括光心处于同一直线上的第一透镜组和第二透镜组，第一透镜组和第二透镜组前后排列设；成像装置在第一透镜组的前焦点处成像；还包括至少一个分束器和至少两个用于捕捉分束器分束后的光线的CCD图像传感器，其中一个CCD图像传感器位于第二透镜组的后焦点处，捕捉得到正焦图像，其他CCD图像传感器捕捉欠焦或过焦图像，正焦图像与欠焦或过焦图像几何对称且尺寸相同。本发明在采集光强图像时无需进行机械移动或调整，稳定性好，能高速恢复定量相位信息，同时本发明适用于任何成像系统，分辨率高。
【IPC分类】G01J9/00
【公开号】CN105136315
【申请号】CN201510509032
【发明人】王翰林, 刘满林, 任均宇, 安昕, 张浠
【申请人】佛山市南海区欧谱曼迪科技有限责任公司
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年8月18日