一种单像素非成像快速对焦方法及成像装置

本发明涉及一种单像素非成像快速对焦方法及成像装置，属于计算成像领域。

背景技术：

1、成像技术是人类获取信息的最重要手段之一，其本质在于利用探测器采样连续的携带信号的电磁场的空间分布。最传统的成像手段是基于小孔成像原理的相机，其使用二维传感阵列，测量聚焦在传感阵列上的光强的二维分布而成像，由于现代可见光波段的传感器具有效率高、成本低的特点，因此相机得到了最广泛的应用。然而，如果需要在非可见光频段进行成像，通常需要在二维阵列传感器成本、所需的最终图像分辨率和必要的读出速度之间进行权衡。

2、与传统成像技术对应的是计算成像技术，其特点是大量使用了数学算法来克服传统成像技术中长期存在的成像限制。单像素成像技术是计算成像技术的一种，其基于关联测量原理，在照明端使用空间光调制器进行结构光照明，在测量端使用单个没有空间分辨率的光电传感器收集光强信息，在计算端通过算法进行图像重构。根据空间光调制器在光路所处的位置，单像素成像装置又可以分为主动式和被动式，其中主动式装置结构类似于投影仪，而被动式装置类似于传统相机。由于单像素成像装置在探测端只需要光强探测，它对探测器的要求远远低于普通成像中的二维阵列传感器。因此，对于二维阵列传感器技术不成熟的波段，如太赫兹波段等，单像素成像技术具有巨大的应用优势，也因此获得了极大的关注。

3、然而，单像素成像技术离实际应用还有许多待解决问题。例如，成像前通常需要调节焦距以确保成像结果清晰。传统成像由于其成像效率高，可以通过实时调节透镜距离和观察成像结果清晰度来达到最佳聚焦效果，这种方法可称为成像结果法，其流程容易通过负反馈流程快速、自动地实现。然而，由于单像素成像需要海量的结构光强和现有的空间光调制器调制速率的有限性，单像素成像技术在成像的时间分辨率和空间分辨率两个方面都远逊于传统成像技术，因此难以采取传统相机相同的成像结果负反馈调焦方法。此外，单像素成像装置还可以通过实时观察光场在靶标平面上的清晰程度来调焦，如主动式单像素成像装置投影在成像目标平面上的结构光清晰度、被动式单像素装置成像在空间光调制器靶平面上的成像结果，这类方法可称为观察法，然而由于涉及主观判断结构光清晰度等流程较难自动化，此外，当光源是不可见光或者光路是显微光路时，观察法难以实现。

4、因此，有必要开发一种非成像的、快速且自动的单像素成像对焦技术，使其能够以近似于传统相机的效率进行调焦，这对于提升单像素成像技术的实际可用性具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明技术解决问题：针对现有技术的不足，提供一种单像素非成像快速对焦方法及成像装置，具有非成像、快速且对焦过程自动化的优点，能够以近似于传统相机的效率进行调焦，从而从根本上提高单像素成像技术的实际可用性。

2、本发明技术解决方案如下：

3、第一方面，本发明提供一种单像素非成像快速对焦方法，实现如下：一种单像素非成像快速对焦方法，实现如下：基于空间光滤波原理，使用傅里叶空间光滤波器对特定空间光傅里叶分量进行空间光滤波，并设计傅里叶空间光滤波器对应空间频率的结构光调制模板；再基于傅里叶单像素成像原理，通过空间光调制和光强测量，计算得到空间光滤波后的特定空间光傅里叶分量幅值，实现对焦程度的非成像量化。

4、进一步地，所述结构光调制模板基于傅里叶单像素成像原理和四步相移法实现，通过所述结构光调制模板进行4次结构光调制、光强测量和特定傅里叶频率的傅里叶空间光分量计算，在非成像的前提下得到特定傅里叶频率的傅里叶空间光分量的复数频点值。

5、具体实现如下：

6、基于傅里叶单像素成像原理和四步相移法设计结构光调制模板：

7、p(x,y|fx,fy,φ)＝a+b+cos[2π(fx+fy)+φ]     (1)

8、使用所述结构光调制模板进行4次结构光调制，得到调制后的能量分布：

9、

10、使用光电传感器测量返回得光强测量：

11、dφ(fx,fy)＝m·eφ(fx,fy)+dn      (3)

12、在非成像的前提下得到特定傅里叶频率的傅里叶空间光分量的复数频点值：

13、

14、第二方面，本发明提供一种单像素非成像对焦光路，包括：光源、物镜、凸透镜、空间光调制器、反射镜、傅里叶空间光滤波器、光电传感器；

15、成像目标通过物镜和第一凸透镜作用成像在空间光调制器的靶面上，空间光调制器采用傅里叶空间光滤波器对应空间频率的结构光调制模板进行调制，使调制光按照反射方向分成正向光场和反向光场两个结构互补的空间光光场；反向光场由第一反射镜进一步反射后，被第二凸透镜进一步聚焦；聚焦后的反相光场由处于空间光调制器靶面共轭面位置的傅里叶空间光滤波器进行空间光滤波；滤波后的反向光场由第一光电传感器测量光强，并基于傅里叶单像素成像原理计算特定空间光傅里叶分量的幅值，实现对焦程度的非成像量化。

16、第三方面，本发明提供一种单像素非成像快速自动对焦装置，在前述的一种单像素非成像快速对焦光路基础上，增加步进电机；所述步进电机通过履带轮和物镜微调轮连接，其作用在于精细控制物镜升降，调节物距；

17、成像目标通过物镜和第一凸透镜作用成像在空间光调制器的靶面上，空间光调制器采用傅里叶结构光调制模板进行调制，使调制光按照反射方向分成正向光场和反向光场两个结构互补的空间光光场；反向光场由第一反射镜进一步反射后，被第二凸透镜进一步聚焦；聚焦后的反相光场由处于空间光调制器靶面共轭面位置的傅里叶空间光滤波器进行空间光滤波；滤波后的反向光场由第一光电传感器测量光强，并基于傅里叶单像素成像原理计算特定空间光傅里叶分量幅值，实现对焦程度量化；步进电机调节物镜位置，使特定空间光傅里叶分量的幅值达到最大，即到达精确对焦位置。

18、第四方面，本发明提供一种双通道被动式单像素显微成像光路，包括：单像素显微成像光路和所述的单像素非成像对焦光路；两部分光路共用物镜、第一凸透镜、空间光调制器，进入两部分光路的结构光场为互补关系；

19、所述单像素显微成像光路：由光源、物镜、凸透镜、空间光调制器、反射镜、光电传感器组成；成像目标通过物镜和凸透镜作用成像在空间光调制器的靶面上，调制光按照反射方向分成正向光场和反向光场两个结构互补的空间光光场；正向光场由第二反射镜进一步反射后，被第三凸透镜进一步聚焦；聚焦后的正向光场由第二光电传感器测量光强，并基于傅里叶单像素成像原理计算整个频域的空间光傅里叶分量，并最终通过傅里叶逆变换得到成像结果。

20、第五方面，本发明提供一种快速自动对焦的单像素显微成像装置，包括：光源、物镜、凸透镜若干、空间光调制器、反射镜若干、傅里叶空间光滤波器、光电传感器若干、步进电机；

21、成像目标通过物镜和第一凸透镜作用成像在空间光调制器的靶面上，空间光调制器采用傅里叶结构调制模板进行调制，使调制光按照反射方向分成正向光场和反向光场两个结构互补的空间光光场；反向光场由第一反射镜进一步反射后，被第二凸透镜进一步聚焦；聚焦后的反相光场由处于空间光调制器靶面共轭面位置的傅里叶空间光滤波器进行空间光滤波；滤波后的反向光场由第一光电传感器测量光强，并基于傅里叶单像素成像原理计算特定空间光傅里叶分量幅值，作为对焦程度量化指标；步进电机调节物镜位置，使特定空间光傅里叶分量幅值达到最大，即到达精确对焦位置；在达到精确对焦位置后，正向光场由第二反射镜进一步反射后，被第三凸透镜进一步聚焦；聚焦后的正向光场由第二光电传感器测量光强，并基于傅里叶单像素成像原理计算整个频域的空间光傅里叶分量，最终通过傅里叶逆变换得到成像结果。

22、本发明与现有技术相比，具有以下优点：

23、(1)本发明由于采用空间光滤波原理和傅里叶单像素成像原理，其调焦过程是无需成像的，而仅需进行少量的光学调制和光强测量，单次评价对焦程度所需时长在毫秒量级；而传统的单像素成像装置需要先成像，观测成像结果对焦程度，后调焦，因此实现调焦的时间通常在秒量级；因此本发明极大的提升了单像素成像装置的对焦效率。

24、(2)本发明使用步进电机进行物距微调，其调节过程实现完全客观和自动化，因此在调焦速度和调焦精度方面相较于需要人工调节和主观评价的传统单像素相机具有优势。

25、(3)本发明使用双通道的单像素显微成像装置，单像素非成像对焦光路和单像素显微成像光路互不影响，因此相较于传统的调焦和成像系统分离的单像素显微成像装置更加一体化。