专利摘要
一种基于单像素探测器的非干涉定量相位成像方法，包括光场调制探测和计算解调两个过程；光场调制探测是使用单色平面光作为探测光源，用纯相位型的空间光调制器分别对入射的平面光做相位型和振幅型的孔径编码；计算解调过程对所得到的强度值做差分运算，得到一系列的强度信号便足以恢复物体的实部或虚部，二者结合得到复光场信息，进而得到物体相位信息。在单色照明下进行独立的相位和振幅调制，测量物体在远场中的直流分量，通过分别在相位和振幅上进行调制，检测其相关性，获得对象的相位信息，并且由对象本身确定恒定的相移。本发明的重要性在于消除了定量相位成像中干涉测量的必要性，这意味着该相位成像方法仅需要照明的空间相干性。
权利要求
1.一种基于单像素探测器的非干涉定量相位成像方法，其特征是：包括光场调制探测和计算解调两个过程；
光场调制探测的过程：使用单色平面光作为探测光源，用纯相位型的空间光调制器分别对入射的平面光做相位型和振幅型的孔径编码，编码矩阵都是差分哈达玛矩阵；在空间光调制器上加载相位型光栅，将平面光偏转满足空间光调制器的调制要求，使用4f系统对空间光调制器做空间滤波，将光场调制的光调制器平面置于4f系统前焦面上，空间滤波方孔放置在一级频上以滤得一级频，相位对象的光调制器平面置于4f系统后焦面上；在4f系统的后焦面得到相位型光斑和振幅型光斑，用光斑对相位物体进行孔径编码，并施加一个傅里叶透镜对物体做傅里叶变换，用点探测器得到结构光与物体作用后的零级频强度；
计算解调过程：对所得到的零级频强度值做差分运算，差分信号即为物体在差分孔径编码上的投影，当投影的孔径编码足以组成一个希尔伯特内积空间时，得到一系列的强度信号便足以恢复物体的实部或虚部，使用相位型孔径编码调制解调得到相位物体的复振幅实部，使用振幅型孔径编码调制解调得到相位物体的复振幅虚部，二者结合即得到复光场信息，进而得到物体相位信息。
2.根据权利要求1所述的基于单像素探测器的非干涉定量相位成像方法，其特征在于：所述光场调制探测过程，具体包括以下步骤：
(1)使用He-Ne激光作为相干光源，选择线偏型激光器，通过旋转激光器角度改变相干光的偏振方向，以满足空间光调制器的调制要求，使用空间滤波器对激光光源做滤波，以产生单一模式的准直平面光束；
(2)使用相位型空间光调制器对平面光束做调制，为了得到调制效率高的光场模式，在光调制器上加载闪耀光栅以产生衍射，闪耀光栅的设计为四个像素一个周期，再在闪耀光栅的基础上加相位模式，用来得到纯相位调制和纯振幅调制；通过将光斑模式与闪耀光栅函数相加获得相位全息图；在幅度调制中，全息图是将光斑模式与闪耀光栅函数相乘生成的；
(3)使用4f系统对空间光调制器做空间滤波，将光场调制的光调制器平面置于4f系统前焦面上，空间滤波方孔放置在一级频上以滤得一级频，相位对象的光调制器平面置于4f系统后焦面上；
(4)为了得到相干叠加信息，使用透镜对物体做傅里叶变换，得到：再使用点探测器探测物面的零级频强度：
(5)将光的调制分为两部分，二值相位调制和二值振幅调制，得到纯相位调制的零级频强度S
3.根据权利要求1所述的基于单像素探测器的非干涉定量相位成像方法，其特征是：所述计算解调过程，具体包括以下步骤：
(1)对所得信号做差分，得到对应于纯相位相位调制的差分信号：S
(2)利用所得的实部和虚部信息，得到复场信息U(x,y)＝Re(x,y)+i·Im(x,y)，取复振幅的相位部分，得到被包裹住的物体的相位分布
(3)对于连续的相位物体，运用相位解包裹算法，恢复物体的连续相位。
说明书
技术领域
本发明涉及一种基于单像素探测器的非干涉定量相位成像方法，属于精密光学测量领域。
背景技术
光场的相位包含重要的信息，但是在正常的成像过程中自然会丢失，因为包括人体视网膜在内的光电探测器仅对功率做出响应，而对光的相位没有响应。为了揭示相位信息以扩大观察能力，已经开发了各种相位成像技术。通常，这些技术可分为两类：相衬成像和定量相成像(QPI)。虽然相衬成像显示了相位不均匀的纹理，但是QPI会生成相位分布的线性定量映射，因此可以使观察者对相位物体有更精确的认识。
在相位成像技术中，干涉测量法至关重要。早在1873年，阿贝(Abbe)就已意识到相位成像中干涉的重要性，他将显微镜图像描述为衍射现象的干涉效应。遵循他的想法Zernik设计了基于物体内部结构的固有干扰的相衬成像。在早期的QPI技术中，干涉测量是通过强制引入参考光束来进行的。然后通过相移或数字全息方法获得相位的定量测量值。
近年来，人们尝试通过诸如“强度方程传输”，傅立叶频谱分析法之类的方法从QPI中移除干涉测量。这些非干涉式QPI的优势在于，由于移除了参考光束，因此简化了实验设置，这在干涉仪难以设置时很有用。
计算鬼成像(CGI)是经典鬼成像的单光束方案，也被解释为二阶相关测量的计算形式。CGI通过执行一系列设计的结构化照明和非像素化检测来扫描对象的空间信息。从成对的照明结构和非像素化信号的相关性获得图像。因此CGI也称为单像素相机。在针对幅度对象的传统CGI中，采用桶形检测器进行非像素化检测以收集总强度。由于桶探测信号仅对振幅敏感，因此无法通过振幅检测对相位物体成像。
发明内容
本发明的目的在于，提出了一种过程简单、仅需要照明的空间相干性的基于单像素探测器的非干涉定量相位成像方法，与其他QPI方法相比，本发明的不同点在于不引入参考光的干涉。
本发明的基于单像素探测器的非干涉定量相位成像方法，包括光场调制探测和计算解调两个过程；
光场调制探测的过程：使用单色平面光作为探测光源，用纯相位型的空间光调制器分别对入射的平面光做相位型和振幅型的孔径编码，编码矩阵都是差分哈达玛矩阵；在空间光调制器上加载相位型光栅，将平面光偏转满足空间光调制器的调制要求，通过4f系统做空间滤波，在4f系统的后焦面得到相位型光斑和振幅型光斑，用光斑对相位物体进行孔径编码，并施加一个傅里叶透镜对物体做傅里叶变换，用点探测器得到结构光与物体作用后的零级频强度；
计算解调过程：对所得到的零级频强度值做差分运算，差分信号即为物体在差分孔径编码上的投影，当投影的孔径编码足以组成一个希尔伯特内积空间时，得到一系列的强度信号便足以恢复物体的实部或虚部，使用相位型孔径编码调制解调得到相位物体的复振幅实部，使用振幅型孔径编码调制解调得到相位物体的复振幅虚部，二者结合即得到复光场信息，进而得到物体相位信息。
所述光场调制探测过程，具体包括以下步骤：
(1)使用He-Ne激光作为相干光源，选择线偏型激光器，通过旋转激光器角度改变相干光的偏振方向，以满足空间光调制器的调制要求，使用空间滤波器对激光光源做滤波，以产生单一模式的准直平面光束。
(2)使用相位型空间光调制器对平面光束做调制，为了得到调制效率高的光场模式，在光调制器(SLM)上加载闪耀光栅以产生衍射，闪耀光栅的设计为四个像素一个周期(2π)，再在闪耀光栅的基础上加相位模式，用来得到纯相位调制和纯振幅调制；通过将光斑模式与闪耀光栅函数相加获得相位全息图；在幅度调制中，全息图是将光斑模式与闪耀光栅函数相乘生成的；
(3)使用4f系统对空间光调制器做空间滤波，将光场调制的光调制器(SLM 1)平面置于4f系统前焦面上，空间滤波方孔放置在一级频上以滤得一级频，相位对象的光调制器(SLM 2)平面置于4f系统后焦面上；
(4)为了得到相干叠加信息，使用透镜对物体(SLM 2面)做傅里叶变换，得到：再使用点探测器探测物面的零级频强度： 其中N是像素数，I(x,y)表示照明调制，t(x,y)表示复场， 表示物体的复振幅形式，A(x,y)和 分别对应物体的振幅和相位；
(5)将光的调制分为两部分，二值相位调制和二值振幅调制，得到纯相位调制的零级频强度Sp和纯振幅调制的零级频强度Sq；在调制中引入差分测量，通过组合一对相对的(0s，1s)图案来显示每个照明图案并取其差，分别是纯相位型和纯振幅调制的调制模式。
所述计算解调过程，具体包括以下步骤：
(1)对所得信号做差分，得到对应于纯相位相位调制的差分信号：Sp'＝Sp+-Sp-，以及对应于纯振幅调制的差分信号Sq'＝Sq+-Sq-，再运用关联运算公式分别得到物体复振幅的实部Re(x,y)和虚部Im(x,y)；
(2)利用所得的实部和虚部信息，得到复场信息U(x,y)＝Re(x,y)+i·Im(x,y)，取复振幅的相位部分，得到被包裹住的物体的相位分布 其中α为固定的相位差；
(3)对于连续的相位物体，运用相位解包裹算法，恢复物体的连续相位。
为了获得相位信息，本发明在单色照明下进行独立的相位和振幅调制，测量物体在远场中的直流分量，通过分别在相位和振幅上进行调制，并检测它们的相关性，可以获得对象的相位信息，并且由对象本身确定恒定的相移。
本发明的重要性在于消除了定量相位成像中干涉测量的必要性，从根本上讲，这意味着该相位成像方法仅需要照明的空间相干性，当照明具有低时间相干性但具有空间相干性时，此属性为该相位成像方法提供了优势。
附图说明
图1是光场调制探测的实验装置示意图。
图2是对相位型差分投影模式和对振幅型差分投影模式的示意图。其中(a)和(b)为所用的第i对相位型差分投影模式，(c)和(d)为第i对振幅型差分投影模式。为了得到一个128*128分辨率的复振幅图像，需要128*128*2对这样的投影模式。
图3为相位物体(凸透镜)的恢复结果示意图。其中(a)为未进行相位解包裹的恢复结果，(b)为解包裹后的相位恢复结果。
具体实施方式
本发明包括光场调制探测和计算解调两个过程：
光场调制探测的过程：使用单色平面光作为探测光源，用纯相位型的空间光调制器分别对入射的平面光做相位型和振幅型的孔径编码，编码矩阵都是差分哈达玛矩阵。为了得到调制效率高的光场模式，需要在空间光调制器上加载相位型光栅，将平面光偏转一定的角度，通过4f系统做空间滤波，在系统的后焦面得到良好的相位型光斑和振幅型光斑。用此光斑对相位物体进行孔径编码，并施加一个傅里叶透镜对物体做傅里叶变换，用点探测器得到结构光与物体作用后的零级频强度。
计算解调过程：对所得到的强度值做差分运算，差分信号即为物体在差分孔径编码上的投影，当投影的孔径编码足以组成一个希尔伯特内积空间时，得到一系列的强度信号便足以恢复物体的实部或虚部，本发明使用相位型孔径编码调制解调可以得到相位物体的复振幅实部，使用振幅型孔径编码调制解调可以得到相位物体的复振幅虚部，二者结合即可得到复光场信息，进而得到物体相位信息。
图1给出了光场调制探测的实验装置。其中He-Ne激光器和扩束器(包括一个物镜，一个25um的针孔和一个准直透镜)用于产生准直光束。两个SLM用于分别实现光场调制(SLM1)和相位对象(SLM 2)，这两个SLM放在由Lens 1和Lens 2制成的4-f系统的前后焦平面中。将滤波方孔放置在4-f系统的傅里叶平面中以进行空间滤波。Lens 3将对象在结构光照明下变换到其远场，并在此放置针孔检测器。由15um直径的针孔和一个光电二极管组成的针孔检测器用于检测有效衍射场的零级强度。
光场调制探测的详细过程如下：
(1)在纯相位液晶空间光调制器(SLM)和透镜上成像二进制相位目标和灰度相位目标。实验配置如图1所示。λ＝633nm波长的线偏振He-Ne激光被扩束以产生单色平面波。
(2)分辨率为1920*1080像素的液晶空间光调制器(SLM 1)用于对入射光的相位和幅度进行二进制结构调制。在调制中，实际上仅使用SLM 1的512*512像素区域。通过将4*4像素阵列合并为超像素，有效调制和成像分辨率为128*128像素。
(3)由镜头1和镜头2制成的4-f系统将结构化图案成像到用作相位对象的第二个SLM(SLM 2)的窗口上。为了保证有效的相位调制，在两个SLM上都采用了闪耀光栅全息图以产生衍射，并且仅使用SLM之后的一阶衍射。在SLM 1之后，通过4-f系统的傅里叶平面中的光圈选择一阶衍射照明。
(4)对于SLM 2，空间滤波是通过傅立叶变换镜头镜头3及其后焦平面上的针孔完成的。在针孔之后直接放置一个像素检测器(SPD)，以记录信号。应当强调的是，针孔足够小，因此它仅选择有效衍射场的零次幂。
(5)为了最大化相关效率，选择正交Hadamard矩阵作为投影矩阵，矩阵元素±1很好地满足了本发明方法中差分测量的要求。如上所述，通过组合一对相对的(0s，1s)图案来显示每个照明图案并取其差。对于本发明，以128*128像素的分辨率将128
计算解调：对所得信号做差分，得到一系列差分信号。再运用关联运算公式分别得到物体复振幅的实部Re(x,y)和虚部Im(x,y)。得到：U(x,y)＝Re(x,y)+i·Im(x,y)，取复振幅的相位部分，得到被包裹住的物体的相位分布。再运用相位解包裹算法，恢复物体相位。
计算解调的具体过程如下：
(1)对所得信号做差分，得到对应于纯相位相位调制的差分信号：Sp'＝Sp+-Sp-，以及对应于纯振幅调制的差分信号Sq'＝Sq+-Sq-。再运用关联运算公式分别得到物体复振幅的实部：Re(x,y)和虚部：Im(x,y)。
(2)利用所得的实部和虚部信息，得到复场信息U(x,y)＝Re(x,y)+i·Im(x,y)，取复振幅的相位部分，得到被包裹住的物体的相位分布 其中α为固定的相位差，对于特定的物体来说，α的值是固定的，不影响相位的整体分布。
(3)对于连续的相位物体，可运用相位解包裹算法，恢复物体的连续相位，如图3所示。
基于单像素探测器的非干涉定量相位成像方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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