一种实时定量相位恢复装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及光学测量领域，尤其涉及的是一种实时定量相位恢复装置。
【背景技术】
[0002] 完整的光场信息包含光强信息和相位信息。目前的光感器件（如CCD等）只能探 测光场的强度信息。因此，如何通过强度信息来推算光场的相位分布，是现代光学发展的一 个重要课题。现有技术中，从光场强度信息提取相位分布的方法大体分为两类，迭代法和直 接提取法，例如基于光强传输方程（TIE :Transport of Intensity Equation)的相位恢复 算法就是直接提取中的一种。
[0003] TIE算法的基本原理是利用沿光传播方向的光强变化测量推算出垂直方向分布的 相位分布，其实现一般需要两次或两次以上的光强测量，包括测量不同焦面、离焦面上的光 强信息。而为了采集这些离焦光强图像，一般需要以机械方式多次移动物平面或者移动像 平面来获取物体离焦面上的光强信息。这种做法不可避免地降低了数据采集的速度，使该 方法难以应用于需要实时、动态测量的场合。近年来，针对这个问题，改进光强传输方程法 强度记录方式的研究也层出不穷。它们的共同目标是避免强度图像采集中所引入的机械移 动，例如通过色差与颜色通道复用实现单次彩色图像曝光获取等效离焦光强图像，以及利 用空间光调制器进行电光离焦，通过单相机分区域采集不同离焦量的图样。尽管这些方法 可以避免采取强度图像所引入的机械移动，但相位重建的准确度上仍然较低，且牺牲了相 机的分辨率，降低了实用性及实效性。
[0004] 因此，现有技术还有待于改进和发展。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型的目的在于提供一种实时定量相位恢复装置，快速高效的获取光强图 像并根据光强图像计算光场相位，有效地将光强传输方程法的应用范围从静止缓变物体拓 展到快速动态物体。
[0006] 本实用新型的技术方案如下：一种实时定量相位恢复装置，与成像装置配合使用， 其中，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；
[0007] 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CXD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。 [0008] 所述的实时定量相位恢复装置，其中，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。
[0009] 所述的实时定量相位恢复装置，其中，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；
[0010] 所述C⑶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。 [0011] 所述的实时定量相位恢复装置，其中，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；
[0012] 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；
[0013] 所述C⑶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。
[0014] 所述的实时定量相位恢复装置，其中，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；
[0015] 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；
[0016] 所述CXD图像传感器设置三个，分别为第一 C⑶图像传感器、第二C⑶图像传感器 和第三C⑶图像传感器，第一 CXD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。
[0017] 所述的实时定量相位恢复装置，其中，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100 y m。
[0018] 所述的实时定量相位恢复装置，其中，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。
[0019] 所述的实时定量相位恢复装置，其中，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。
[0020] 所述的实时定量相位恢复装置的相位恢复方法，其中，包括以下步骤：
[0021] A、利用两个C⑶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；
[0022] B、对正焦图像和离焦图像进行数值查分，得到轴向微分：
，
[0024] 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；
[0025] 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：
[0026]
[0027] 其中，IFT是傅立叶逆变换，FT为傅立叶变换，k是波数。
[0028] 所述的实时定量相位恢复装置的相位恢复方法，其中，包括以下步骤：
[0029] 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);
[0030] b、求轴向微分，公式如下：
[0032] 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；
[0033] c、求解相位分布，公式如下：
[0035] 其中，IFT是傅立叶逆变换，FT为傅立叶变换，k是波数。
[0036] 本实用新型的有益效果：本实用新型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，同时本实用新型适用于任何成像系统，应用范围 广，采用多个CCD图像传感器捕捉图像，分辨率高，适合推广应用。
【附图说明】
[0037] 图1是本实用新型中实时定量相位恢复装置的结构简图。
[0038] 图2是实时定量相位恢复装置配合显微镜系统使用的结构简图。
[0039] 图3是两个CCD图像传感器捕捉图像的横向对称原理说明图。
[0040] 图4是本实用新型另一实施方案的结构简图。
[0041] 图5是本实用新型另一实施方案的结构简图。
【具体实施方式】
[0042] 为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施 例对本实用新型进一步详细说明。
[0043] 实施例1
[0044] 本实施例公开了一种实时定量相位恢复装置，其结构示意图如图1所示，包括光 心处于同一直线上的第一透镜110和第二透镜120,第一透镜110和第二透镜120前后排列 设置，第一透镜110与第二透镜120的距离要大于第二透镜120的焦距，并且保证系统的光 阑处于第二透镜120的前焦面处。在第二透镜120后侧设置有第一分束器210,该第一分 束器210用于对从第二透镜120射出的光进行分束。在第二透镜120后焦点处设置有第一 C⑶图像传感器310,用于捕捉透过第一分束器210的光；在第一分束器210的下端设置有 第二C⑶图像传感器320,用于捕捉经过第一分束器210反射后的光。实际应用中，可以用 透镜组替代第一透镜110 (或第一透镜120)使用。
[0045] 传统的成像系统仅仅采用一个透镜进行成像，在成像面会产生额外的球面像差， 这将会导致光学系统的放大率随着离焦距离的变化而改变，从而使问题复杂化。而本实 用新型采用无限远成像系统，两个透镜之间为平行光线，这种设置方式，即使改变成像面距 离，倍率也不会改变，非常适用于非迭代相位恢复算法。
[0046] 参见图2,本实施例的实时定量相位恢复装置10结合显微镜系统20使用，其中，显 微镜系统20包括集光镜21、孔径光阑22、聚光镜23、待测样品24、显微物镜25、显微反射镜 26和镜筒透镜27。使用时，显微镜系统20在实时定量相位恢复装置10的第一透镜的前焦 点处成像（参见图2中标号28)，第一 C⑶图像传感器310捕捉得到正焦图像，第二C⑶图 像传感器320捕捉得到欠焦图像。
[0047] 由于使用了两个CCD图像传感器进行成像，所以需要对两个CCD图像传感器进行 匹配。参见图3,光通过第一分束器210分别到达两个C⑶图像传