[发明专利]一种基于光强传输测量计算的相位恢复系统

说明书

技术领域

本发明涉及光学测量与生物医学成像技术领域，具体是一种基于光强传输测量计算的相位恢复系统。

背景技术

全息术利用干涉原理可以有效地记录原始物体光场的相位信息。但是干涉技术在操作时对光源的相干性、光路系统构建和实验环境等提出了很高的要求，不利于在光学测量和生物医学成像方面的应用。因此，探寻非干涉相位获取的方法变得至关重要。基于强度传输方程(Transport of Intensity Equation，TIE)的相位恢复技术则提供了一种重要的非干涉相位获取的手段。其通过在光轴方向上多个平面的强度测量，并进一步求解二阶微分方程，从而恢复光场的相位。该方程可表示为：

通常情况下，I和φ分别表示光波传播距离为z时，观察平面(称为聚焦平面，对应图1中的b平面位置)的强度和相位，k＝2π/λ是波数，z是传播距离。

如图1所示，实际实验中，强度微分项可以通过CCD沿光轴(z轴方向)采集两幅强度图像(对应图1中的a平面位置和c平面位置)进行差分运算来近似，即

其中，I₁和I_-1是沿光轴方向距离观察平面Δz的过焦图像和欠焦图像的强度，这里，将Δz称作散焦距离，满足2Δz＝z₁-z₂。

为了降低噪声的影响，许多研究者提出可以采集不同传播距离上多幅强度图像的方法进行强度微分项的近似，即

其中，a_i＝[(-1)ⁱ⁺¹(n！)²]/[i(n+i)！(n-i)！]。此时，问题转化为多幅强度图像的精确采集问题。

一般情况下，基于时分复用(或空分复用)的方法，可以利用单个CCD(或多个CCD)与精密导轨的配合进行上述强度图像的采集。但是因为涉及机械移动，上述方法增加了采集强度图像阶段的误差。为了克服上述问题，有研究者提出基于空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)的单帧测量技术，通过加载相位调制函数的方法可以摒弃机械移动精密导轨的过程，直接获取求解强度传输方程所需的过焦图像和欠焦图像。但是该技术降低了所采集图像的分辨率(即像素数，仅为CCD有效像素区域的一半或三分之一)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光强传输测量计算的相位恢复系统，基于双4f系统架构实现光学测量和计算功能，直接获取差分图像，克服传统系统中CCD的机械移动造成的误差以及基于SLM的单帧测量系统所采集图像分辨率低的局限。

本发明的技术方案为：

一种基于光强传输测量计算的相位恢复系统，该系统包括第一4f系统和第二4f系统，所述第一4f系统主要由第一傅里叶变换透镜、第二傅里叶变换透镜、分光棱镜、第一空间光调制器和第二空间光调制器组成，第二4f系统主要由第三傅里叶变换透镜、第四傅里叶变换透镜、透明成像屏、正弦光栅和CCD组成；

所述第一4f系统的输入平面与第一傅里叶变换透镜的前焦面重合，所述第一4f系统的输出平面与第二傅里叶变换透镜的后焦面重合，所述第一傅里叶变换透镜的光轴与第二傅里叶变换透镜的光轴相互垂直，在其交点处设置所述分光棱镜，所述第一空间光调制器设置在第一傅里叶变换透镜的后焦点处，所述第二空间光调制器设置在第二傅里叶变换透镜的前焦点处；

所述第二4f系统的输入平面与第三傅里叶变换透镜的前焦面重合，所述第二4f系统的输出平面与第四傅里叶变换透镜的后焦面重合，所述第三傅里叶变换透镜的前焦面与第二傅里叶变换透镜的后焦面重合，所述第三傅里叶变换透镜的后焦面与第四傅里叶变换透镜的前焦面重合，且第三傅里叶变换透镜与第二傅里叶变换透镜和第四傅里叶变换透镜共轴；

所述透明成像屏设置在第三傅里叶变换透镜的前焦点处，且所述透明成像屏所在平面与第三傅里叶变换透镜的前焦面重合，所述正弦光栅设置在第三傅里叶变换透镜的后焦点处，且所述正弦光栅所在平面与第三傅里叶变换透镜的后焦面重合，所述CCD设置在第四傅里叶变换透镜的后焦点处，且所述CCD成像区域所在平面与第四傅里叶变换透镜的后焦面重合，并使所述CCD成像区域的中心位置与第四傅里叶变换透镜的后焦点位置保持一致；

所述第一傅里叶变换透镜、第二傅里叶变换透镜、第三傅里叶变换透镜和第四傅里叶变换透镜的焦距均为f，且第一空间光调制器与第二傅里叶变换透镜之间沿光轴方向的距离也为f，第二空间光调制器与第一傅里叶变换透镜之间沿光轴方向的距离也为f；