专利名称：一种位相物体位相分布的定量测量方法和装置及其应用的制作方法
技术领域：
本发明属于光学精密测量及图像显示技术领域，特别涉及一种位相物体位相分布的定量测量方法和装置及其应用。
背景技术：
观察及显示纯位相物体的方法有多种，主要有相衬法、暗场法、纹影法、刀口法等，这些方法在光学信息处理、生物医学、材料检测及科学研究等领域有广泛应用，但这些方法多用于定性观察，难以实现纯位相物体的定量位相分布测量。目前，位相物体的定量测量方法主要有双点源干涉扫描成像法、微分干涉相衬法、相移干涉法等，这些方法各有优缺点，有些不能进行实时测量，有些光学元件较多，光路调节比较复杂。虽然双点源干涉扫描成像 法可以实现位相物体位相分布的测量与重构成像，但成像时间较长，不能用于实时成像或观察。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种位相物体位相分布的定量测量方法。本发明的另一目的在于提供实现上述位相物体位相分布的定量测量方法的装置。本发明的再一目的在于提供所述的装置的应用。本发明的目的通过下述技术方案实现一种位相物体位相分布的定量测量方法，包括以下步骤(I)由光源发射一束单色光，经光束处理机构处理，得到一束平行光；(2)步骤(I)得到的平行光投射到位相物体上，经过成像透镜，利用面阵光电探测器接收并拍摄位相物体，得到位相物体的明场像；沿着光束方向，在成像透镜后的频谱面上放置滤波器吸收物体的零级频谱，利用面阵光电探测器接收并拍摄位相物体，得到位相物体的暗场像；根据两幅图像所携带的信息及像光强的理论表达式，利用图像处理技术分析明场像和暗场像，得到位相物体的每一点位相值，重构位相物体的位相分布或图像；步骤(I)中所述的光束处理机构包括沿着光束前进方向依次共轴排列的扩束透镜、针孔滤波器和准直透镜；步骤(2)中所述的成像透镜优选为凸透镜；步骤(2)中所述的滤波器优选为高通滤波器；步骤(2)中所述的利用图像处理技术分析明场像和暗场像的具体步骤为分析位相物体的明场像和暗场像上的光强分布，并与理论光强分布进行比较，求出暗场成像的调制度或反衬度，确定位相定量的求解公式，进而利用暗场成像的光强分布公式定量计算像面上每一点的位相，最后重构位相物体的位相分布或图像；所述的位相物体的位相分布为炉(U) = arccos[l- /(^；)]，其中，I (X，y)为暗场
ο α y)像面光强分布，I0(x, y)为明场像面光强分布；一种实现上述位相物体位相分布 的定量测量方法的装置，包含光源、扩束透镜、针孔滤波器、准直透镜、成像透镜、用于吸收位相物体零级频谱的滤波器、面阵光电探测器和用于放置位相物体的装置；其中，光源、扩束透镜、针孔滤波器、准直透镜、成像透镜、用于吸收位相物体零级频谱的滤波器和面阵光电探测器沿着光束前进方向依次排列，用于放置位相物体的装置设置于准直透镜和成像透镜之间；各部件由光具座或光学平台固定，各部件之间的距离是可调的；所述的实现位相物体位相分布的定量测量方法的装置，还包含计算机，计算机与面阵光电探测器连接；所述的实现位相物体位相分布的定量测量方法的装置优选含有两块成像透镜，此时，该装置的结构为光源、扩束透镜、针孔滤波器、准直透镜、成像透镜I、用于吸收位相物体零级频谱的滤波器、成像透镜II和面阵光电探测器沿着光束前进方向依次排列，用于放置位相物体的装置设置于准直透镜和成像透镜I之间；所述的实现位相物体位相分布的定量测量方法的装置，还包含屏蔽罩，屏蔽罩设置于所有部件的外部，优选设置于成像透镜、用于吸收位相物体零级频谱的滤波器和面阵光电探测器的外部；屏蔽罩有利于降低环境光、杂散光对测量光强的影响；所述的光源优选为单色光源，更优选为各种小功率连续波激光器，如He-Ne激光器及半导体激光器；所述的光源为复色光源时，所述的装置还包含滤色片，滤色片位于光源和扩束透镜之间；所述的成像透镜优选为凸透镜；所述的用于吸收位相物体零级频谱的滤波器优选为高通滤波器；所述的装置用于实时定量检测位相物体，具体包括以下步骤(I)打开光源，如果经过准直透镜的光不是光斑均匀的平行光，则需微调扩束透镜、针孔滤波器和准直透镜，最终得到一束光斑均匀的平行光；(2)移开用于吸收位相物体零级频谱的滤波器，将位相物体置于用于放置位相物体的装置中，调节成像透镜与位相物体的距离，使位相物体成像于面阵光电探测器的受光面上，得到位相物体的明场像；(3)将用于吸收位相物体零级频谱的滤波器调整位于成像透镜的频谱面或焦面上，通过面阵光电探测器，得到位相物体的暗场像；(4)将步骤(2)得到的明场像和步骤(3)得到的暗场像输送到计算机，利用图像处理技术分析计算得到位相物体的位相分布及位相物体的重构像；步骤(2)和步骤(3)的顺序可调换，即可先获得暗场像，再获得明场像；所述的装置用于实时定量检测位相物体，还包括以下步骤采集背景光和面阵光电探测器的本底噪声，在图像处理中，将其消除。本发明依据位相物体透镜成像原理，分别记录明场及暗场时的位相物体成像光强分布，通过数字图像处理技术对得到的信息进行计算，并与理论光强分布进行比较，求出暗场成像的调制度或反衬度，确定位相定量的求解公式，进而利用暗场成像的光强分布公式定量计算像面上每一点的位相，最后重构位相物体的位相分布或图像。
假设位相物体的透过率函数为t (Λ·，V) = Aeilpix '0(I)其中例χ.V)为位相物体的位相分布，A为一常数，表示物体对入射光的均匀吸收；则透过位相物体的光场为
f(x,y) = Kx, y) = Ae-ix^{2)将式(2)写成 =/(^7) = 41 + ^0-!](3)经过成像透镜，即对式(3)进行傅立叶变换，得到在频谱面上的频谱为 -(X)式(4)中Φ (X，y)为妒(X, 的傅立叶变换，其中第一项零级频谱，对应直流分量，第二项为位相物体的交流频谱，分布在零级频谱周围；在频谱面上加上高通滤波器，其空间滤波函数为
H(f J0 Λ=/ν=ο附近
Hifx Jy) = \其他(5)通过高通滤波器的光场复振幅为F, (fx, fy) =F(fx, fy)H(fx, fy) =A[Φ (fx, fy)- δ (fx, fy)](6)对式(6)进行傅立叶逆变换，得到像面上的光场复振幅为
/(#= . 汽 命命抑-I](7)
—O)因此，得到暗场法像面上的光强分布为
=fi^y)f^{^y) =2^[l-co 概分](g)贝Ij
I (X y)
(P、人 y)=⑴'c cos[l — ~^r]( 9 i移开滤波器，即不吸收零级频谱，则物体在像面的光场复振幅为
/(U0)则明场光强分布为I0(x, y) = " (x, y)f" *(x, y) =A2(11)则 ( 9 )式可以写成
权利要求
1.一种位相物体位相分布的定量测量方法，其特征在于包括以下步骤 (1)由光源发射一束单色光，经光束处理机构处理，得到一束平行光； (2)步骤(I)得到的平行光投射到位相物体上，经过成像透镜，利用面阵光电探测器接收并拍摄位相物体，得到位相物体的明场像；沿着光束方向，在成像透镜后的频谱面上放置滤波器吸收物体的零级频谱，利用面阵光电探测器接收并拍摄位相物体，得到位相物体的暗场像；根据两幅图像所携带的信息及像光强的理论表达式，利用图像处理技术分析明场像和暗场像，得到位相物体的每一点位相值，重构位相物体的位相分布或图像。
2.根据权利要求I所述的位相物体位相分布的定量测量方法，其特征在于步骤(I)中所述的光束处理机构包括沿着光束前进方向依次共轴排列的扩束透镜、针孔滤波器和准直透镜。
3.根据权利要求I所述的位相物体位相分布的定量测量方法，其特征在于步骤(2)中所述的成像透镜为凸透镜； 步骤(2)中所述的滤波器为高通滤波器。
4.根据权利要求I所述的位相物体位相分布的定量测量方法，其特征在于步骤(2)中所述的利用图像处理技术分析明场像和暗场像的具体步骤为分析位相物体的明场像和暗场像上的光强分布，并与理论光强分布进行比较，求出暗场成像的调制度或反衬度，确定位相定量的求解公式，进而利用暗场成像的光强分布公式定量计算像面上每一点的位相，最后重构位相物体的位相分布或图像； 所述的位相物体的位相分布为= arccos[l —，其中，I (x, y)为暗场像面光强分布，I0(x, Y)为明场像面光强分布。
5.一种实现权利要求I 4任一项所述位相物体位相分布的定量测量方法的装置，其特征在于包含光源、扩束透镜、针孔滤波器、准直透镜、成像透镜、用于吸收位相物体零级频谱的滤波器、面阵光电探测器和用于放置位相物体的装置；其中，光源、扩束透镜、针孔滤波器、准直透镜、成像透镜、用于吸收位相物体零级频谱的滤波器和面阵光电探测器沿着光束前进方向依次排列，用于放置位相物体的装置设置于准直透镜和成像透镜之间。
6.根据权利要求5所述的实现位相物体位相分布的定量测量方法的装置，其特征在于所述的成像透镜的数量为两块时，该装置的结构为光源、扩束透镜、针孔滤波器、准直透镜、成像透镜I、用于吸收位相物体零级频谱的滤波器、成像透镜II和面阵光电探测器沿着光束前进方向依次排列，用于放置位相物体的装置设置于准直透镜和成像透镜I之间。
7.根据权利要求5所述的实现位相物体位相分布的定量测量方法的装置，其特征在于还包含计算机，计算机与面阵光电探测器连接。
8.根据权利要求5所述的实现位相物体位相分布的定量测量方法的装置，其特征在于还包含屏蔽罩，屏蔽罩设置于所有部件的外部。
9.根据权利要求5所述的实现位相物体位相分布的定量测量方法的装置，其特征在于所述的光源为单色光源或复色光源；所述的光源为复色光源时，所述的装置还包含滤色片，滤色片位于光源和扩束透镜之间； 所述的成像透镜为凸透镜； 所述的用于吸收位相物体零级频谱的滤波器为高通滤波器。
10.权利要求5所述的装置的应用，其特征在于包括以下步骤 (1)打开光源，如果经过准直透镜的光不是光斑均匀的平行光，则需微调扩束透镜、针孔滤波器和准直透镜，最终得到一束光斑均匀的平行光； (2)移开用于吸收位相物体零级频谱的滤波器，将位相物体置于用于放置位相物体的装置中，调节成像透镜与位相物体的距离，使位相物体成像于面阵光电探测器的受光面上，得到位相物体的明场像； (3)将用于吸收位相物体零级频谱的滤波器调整位于成像透镜的频谱面或焦面上，通过面阵光电探测器，得到位相物体的暗场像； (4)将步骤(2)得到的明场像和步骤(3)得到的暗场像输送到计算机，利用图像处理技术分析计算得到位相物体的位相分布及位相物体的重构像。
全文摘要
本发明公开一种位相物体位相分布的定量测量方法和装置及其应用。该方法为将平行光投射到位相物体上，经过成像透镜，得到位相物体的明场像；沿着光束方向，在成像透镜后的频谱面上放置滤波器吸收物体的零级频谱，得到位相物体的暗场像；根据两幅图像所携带的信息及像光强的理论表达式，利用图像处理技术分析明场像和暗场像，得到位相物体的每一点位相值，重构位相物体的位相分布或图像。实现该方法的装置为沿着光束前进方向，光源、扩束透镜、针孔滤波器、准直透镜、用于放置位相物体的装置、成像透镜、用于吸收位相物体零级频谱的滤波器和面阵光电探测器依次排列。本发明实现了位相物体的定量测量，测量位相范围0～π，装置简单，成本低。
文档编号G01B11/00GK102878930SQ201210402898
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月19日 优先权日2012年10月19日
发明者黄佐华, 曾映智 申请人:华南师范大学