一種自然光照明的高速大場景相位恢復(fù)數(shù)據(jù)采集裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種自然光照明的高速大場景相位恢復(fù)數(shù)據(jù)采集裝置，包括帶通濾波器、偏振片、空間光調(diào)制器、LCD顯示屏和CCD陣列；所述偏振片設(shè)置在帶通濾波器的出射光路上，所述空間光調(diào)制器設(shè)置在偏振片的出射光路上，所述LCD顯示屏設(shè)置在空間光調(diào)制器的出射光路上，所述CCD陣列設(shè)置在LCD顯示屏的出射光路上。本實(shí)用新型可以避免傳統(tǒng)相位恢復(fù)中采集強(qiáng)度圖像所引入的機(jī)械移動(dòng)，提高了數(shù)據(jù)采集速度；同時(shí)，可壓縮傳感思想的引入，使得本實(shí)用新型可以在少量數(shù)據(jù)采集的情況下，獲得與傳統(tǒng)相機(jī)同樣的采集效果，整個(gè)裝置能夠滿足高速大場景中相位恢復(fù)對數(shù)據(jù)采集的需求。
【專利說明】
一種自然光照明的高速大場景相位恢復(fù)數(shù)據(jù)采集裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及光學(xué)測量、成像技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種自然光照明的高速大場景 相位恢復(fù)數(shù)據(jù)采集裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 完整的光場包含了強(qiáng)度、波長和相位等信息。相位信息比強(qiáng)度信息更加重要，其重 要性在光學(xué)測量、自適應(yīng)光學(xué)、顯微學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、X射線光學(xué)等領(lǐng)域顯得特別突出?？上У?是，光場的振蕩頻率太高，人眼與現(xiàn)有的光學(xué)探測儀器都只能記錄光場的強(qiáng)度信息，而不能 直接記錄光場的相位信息。
[0003] 最經(jīng)典的相位測量方法是干涉測量法。然而干涉測量法至少存在以下缺點(diǎn)：（1)波 場沿著不同的獨(dú)立路徑進(jìn)入傳感器區(qū)域，測量結(jié)果會(huì)受到振動(dòng)的嚴(yán)重?fù)p壞(環(huán)境干擾造成 的）；（2)光源的時(shí)間相干要求很高，從而需要較為復(fù)雜的干涉裝置等。
[0004]另一類非常重要的非干涉相位測量技術(shù)稱為相位恢復(fù)技術(shù)。強(qiáng)度傳輸方程法是相 位恢復(fù)方法中的一種典型方法，該方程將光場的強(qiáng)度、相位與強(qiáng)度的縱向變化聯(lián)系在一起， 方程形式如下：
[0006]其中光波沿著z方向傳播，A代表光波長，I和於分別表不z〇位置的強(qiáng)度和相位。該方 程中，強(qiáng)度的偏導(dǎo)數(shù)很難計(jì)算，通常需要采集多幅強(qiáng)度圖像近似獲得。例如，可以使用z〇+A z和z〇- A z位置的強(qiáng)度信息按照如下差分計(jì)算公式得到：
[0008] 為了采集這些強(qiáng)度圖像以及獲取圖像間距離參數(shù)A z，可以采用一些特殊的裝置。 例如，使用圖1所示的透鏡系統(tǒng)進(jìn)行成像，該平臺系統(tǒng)構(gòu)造簡單，使用方便，可以在捕捉圖像 的同時(shí)利用高精度平移臺測得參數(shù)A z的數(shù)值，但是，該平臺系統(tǒng)每次只能捕捉一幅圖像， 也就是說需要通過移動(dòng)待測物體或者相機(jī)實(shí)現(xiàn)多幅強(qiáng)度圖像的采集要求，這不可避免地降 低了數(shù)據(jù)采集的速度，同時(shí)，強(qiáng)度圖像采集中所引入的機(jī)械移動(dòng)也降低了參數(shù)測量的精度。 再例如中國專利CN102281394B提供的便攜式采集讀數(shù)攝像機(jī)，該攝像機(jī)的原理和圖1系統(tǒng) 類似，仍然需要通過機(jī)械移動(dòng)獲得不同距離的圖像。
[0009] 針對此問題，近年來也出現(xiàn)了一些改進(jìn)的方法，例如用體全息分束的方法形成多 幅強(qiáng)度圖像，再例如通過微流體設(shè)備使樣品自動(dòng)離焦等。雖然這些方法避免了機(jī)械移動(dòng)，但 是都需要特殊的成像元件，前者需要體全息裝置，后者需要流式細(xì)胞儀，這些降低了系統(tǒng)的 實(shí)用性。
[0010] 另一方面，傳統(tǒng)的照相機(jī)的基本原理是小孔成像理論，其分辨率受到焦平面陣列 尺寸和精度的限制，為了獲得更高像素的圖像，只能設(shè)法降低焦平面陣列的最小尺寸。這種 方式目前已經(jīng)達(dá)到一種瓶頸狀態(tài)，造成更大規(guī)模、更廣動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)據(jù)獲取、處理、存儲與 傳輸面臨著巨大的挑戰(zhàn)，已有的采集裝置不能滿足強(qiáng)度傳輸方程法在高速大場景中進(jìn)行物 體相位恢復(fù)時(shí)對數(shù)據(jù)采集的要求。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0011] 本實(shí)用新型的目的在于基于強(qiáng)度傳輸方程和可壓縮傳感理論，提供一種自然光照 明的高速大場景相位恢復(fù)數(shù)據(jù)采集裝置，在降低數(shù)據(jù)采集量的前提下實(shí)時(shí)采集強(qiáng)度圖像， 并且整個(gè)裝置中無需使用鏡頭。
[0012] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案為：
[0013] -種自然光照明的高速大場景相位恢復(fù)數(shù)據(jù)采集裝置，包括帶通濾波器、偏振片、 空間光調(diào)制器、LCD顯示屏和CCD陣列;所述偏振片設(shè)置在帶通濾波器的出射光路上，所述空 間光調(diào)制器設(shè)置在偏振片的出射光路上，所述LCD顯示屏設(shè)置在空間光調(diào)制器的出射光路 上，所述C⑶陣列設(shè)置在IXD顯示屏的出射光路上；
[0014]所述空間光調(diào)制器為相位型；所述LCD顯示屏包括若干個(gè)拼接成陣列且能夠隨機(jī) 打開的顯不子屏;所述CCD陣列包括分光鏡和若干個(gè)CCD圖像傳感器，其中一部分CCD圖像傳 感器設(shè)置在分光鏡的反射光路上，其余的設(shè)置在分光鏡的透射光路上，且設(shè)置在分光鏡反 射光路和透射光路上的CCD圖像傳感器數(shù)量相等；
[0015] 所述帶通濾波器和偏振片，用于將自然光轉(zhuǎn)變成部分相干光;所述空間光調(diào)制器， 用于根據(jù)實(shí)際要求加載不同的相位調(diào)制圖對入射的部分相干光進(jìn)行調(diào)制以模擬實(shí)現(xiàn)不同 焦距的透鏡;所述LCD顯示屏，用于讓經(jīng)過調(diào)制的部分相干光通過隨機(jī)打開的顯示子屏，入 射到CCD陣列中的分光鏡上;所述CCD陣列中的若干個(gè)CCD圖像傳感器，用于記錄待重建強(qiáng)度 圖像的各個(gè)像素點(diǎn)。
[0016] 所述的自然光照明的高速大場景相位恢復(fù)數(shù)據(jù)采集裝置，所述LCD顯示屏的出射 光經(jīng)過分光鏡后到達(dá)各個(gè)CCD圖像傳感器的光程相等。
[0017]本實(shí)用新型的有益效果為：
[0018] 由上述技術(shù)方案可知，本實(shí)用新型利用帶通濾波器和偏振光將自然光轉(zhuǎn)換成部分 相干光，并利用空間光調(diào)制器對光場的調(diào)制作用，通過加載相位調(diào)制圖實(shí)現(xiàn)不同焦距透鏡 的模擬，從而實(shí)現(xiàn)在不進(jìn)行機(jī)械移動(dòng)的情況下獲得不同位置的強(qiáng)度圖像，并且使用可以電 動(dòng)控制的LCD顯示屏讓光線隨機(jī)進(jìn)入CCD陣列中，結(jié)合可壓縮傳感理論實(shí)現(xiàn)大場景數(shù)據(jù)的壓 縮采樣。本實(shí)用新型可以避免傳統(tǒng)相位恢復(fù)中采集強(qiáng)度圖像所引入的機(jī)械移動(dòng)，提高了數(shù) 據(jù)采集速度；同時(shí)，可壓縮傳感思想的引入，使得本實(shí)用新型可以在少量數(shù)據(jù)采集的情況 下，獲得與傳統(tǒng)相機(jī)同樣的采集效果，整個(gè)裝置能夠滿足高速大場景中相位恢復(fù)對數(shù)據(jù)采 集的需求。
【附圖說明】
[0019] 圖1是現(xiàn)有的單CCD圖像數(shù)據(jù)采集光學(xué)平臺系統(tǒng)；
[0020]圖2是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0021]圖3是本實(shí)用新型(XD陣列的內(nèi)部示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本實(shí)用新型。
[0023] 如圖2所示，一種自然光照明的高速大場景相位恢復(fù)數(shù)據(jù)采集裝置，包括帶通濾波 器1、偏振片2、空間光調(diào)制器3、LCD顯示屏4和CCD陣列5。偏振片2設(shè)置在帶通濾波器1出射光 路上，空間光調(diào)制器3設(shè)置在偏振片2的出射光路上，IXD顯示屏4設(shè)置在空間光調(diào)制器3的透 射光路上，(XD陣列5設(shè)置在LCD顯示屏4的透射光路上?？臻g光調(diào)制器3為相位型。(XD陣列5 內(nèi)部包含了分光鏡51以及多個(gè)三色CCD圖像傳感器52、53、54、55、56和57，其中，〇：0圖像傳 感器52、53和54設(shè)置在分光鏡51的反射光路上，(XD圖像傳感器55、56和57設(shè)置在分光鏡51 的透射光路上，IXD顯示屏4的出射光經(jīng)過分光鏡51后到達(dá)各個(gè)CCD圖像傳感器52、53、54、 55、56和57的光程相等。
[0024]本實(shí)用新型的工作原理：
[0025] 當(dāng)對自然光下大場景物體進(jìn)行相位恢復(fù)時(shí)，首先讓自然光通過帶通濾波器1和偏 振片2轉(zhuǎn)變成部分相干光；空間光調(diào)制器3對入射光波進(jìn)行調(diào)制后出射至IXD顯示屏4上，IXD 顯示屏4將入射光波隨機(jī)通過后出射至C⑶陣列5上。
[0026] 空間光調(diào)制器3可以根據(jù)實(shí)際要求加載不同的相位調(diào)制圖對光場進(jìn)行調(diào)制以模擬 實(shí)現(xiàn)不同焦距的透鏡，進(jìn)而對應(yīng)不同位置的強(qiáng)度圖像。本實(shí)用新型中在空間光調(diào)制器3上加 載的相位調(diào)制圖形式如下：
(3)
[0028] 其中，約表示相位調(diào)制圖上坐標(biāo)(x，y)處的相位，
表 示灰
丨取模2JI運(yùn)算，即：
除以2JI的余數(shù)，A表示波長，L表示距離參 數(shù)。根據(jù)需要選擇不同的距離參數(shù)L，即可獲得同焦距為L的光學(xué)透鏡一樣的變焦效果。
[0029] 在采集多幅圖像時(shí)(這里與公式(2)對應(yīng)，以采集三幅圖像為例），設(shè)中間位置的強(qiáng) 度圖像對應(yīng)的加載在空間光調(diào)制器3上的相位調(diào)制圖的距離參數(shù)為Lo,兩邊相距A z位置的 強(qiáng)度圖像對應(yīng)的加載在空間光調(diào)制器3上的相位調(diào)制圖的距離參數(shù)分別為Lo-A z和Lo+A z。 所需三幅強(qiáng)度圖像都可以通過在空間光調(diào)制器3加載不同的相位調(diào)制圖獲得，而不需要任 何的機(jī)械移動(dòng)。
[0030] 經(jīng)過空間光調(diào)制器3調(diào)制后的光照射在LCD顯示屏4上，該LCD顯示屏4可以電動(dòng)控 制，讓光線通過的開口是隨機(jī)打開的，這樣就不需要所有光線進(jìn)入CCD陣列5中，相當(dāng)于對數(shù) 據(jù)采集量進(jìn)行了壓縮。從LCD顯示屏4出射的光線進(jìn)入到分光鏡51中，一束反射光進(jìn)入到CCD 圖像傳感器52、53和54中，另一束透射光進(jìn)入到CCD圖像傳感器55、56和57中，利用這些CCD 圖像傳感器記錄各個(gè)像素點(diǎn)，利用已有的可壓縮重建算法重建強(qiáng)度圖像。
[0031] 本實(shí)用新型結(jié)合可壓縮傳感理論并選擇合適的編碼方式(不屬于本實(shí)用新型討論 的內(nèi)容），即可以用較少的數(shù)據(jù)量得到相位恢復(fù)所需的完整強(qiáng)度圖像，特別滿足大場景實(shí)時(shí) 相位恢復(fù)的要求。
[0032] 與傳統(tǒng)相機(jī)考慮的是分辨率和像素不同，本實(shí)用新型考慮的是壓縮量和采集時(shí) 間。對于一幅給定圖像，CCD陣列的測量表示為y={y(l)，y(2), . . .，y(M)}，與測量基<i>m相 匹配的LCD顯示屏上的開口設(shè)置為{p(1)，P(2)，. . .，P(M)}。該裝置不是首先獲得N像素的像 素值，而是直接獲取N像素圖像的M次非相干投影的較小集合。其隨機(jī)測量基與任何稀疏算 符非相干，使得同一個(gè)編碼策略適用于不同的環(huán)境。由CCD陣列采集到的像素值再結(jié)合具體 的編碼和重建算法即可重建出所需的強(qiáng)度圖像，目前無論是編碼還是重建算法都已存在， 不屬于本實(shí)用新型的內(nèi)容。
[0033]以上所述實(shí)施方式僅僅是對本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對本實(shí)用 新型的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本實(shí)用新型設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本 實(shí)用新型的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本實(shí)用新型的權(quán)利要求書確定的保 護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種自然光照明的高速大場景相位恢復(fù)數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于:包括帶通濾波 器、偏振片、空間光調(diào)制器、IXD顯示屏和CCD陣列；所述偏振片設(shè)置在帶通濾波器的出射光 路上，所述空間光調(diào)制器設(shè)置在偏振片的出射光路上，所述LCD顯示屏設(shè)置在空間光調(diào)制器 的出射光路上，所述CCD陣列設(shè)置在LCD顯示屏的出射光路上； 所述空間光調(diào)制器為相位型；所述LCD顯示屏包括若干個(gè)拼接成陣列且能夠隨機(jī)打開 的顯示子屏;所述CCD陣列包括分光鏡和若干個(gè)CCD圖像傳感器，其中一部分CCD圖像傳感器 設(shè)置在分光鏡的反射光路上，其余的設(shè)置在分光鏡的透射光路上，且設(shè)置在分光鏡反射光 路和透射光路上的CCD圖像傳感器數(shù)量相等； 所述帶通濾波器和偏振片，用于將自然光轉(zhuǎn)變成部分相干光;所述空間光調(diào)制器，用于 根據(jù)實(shí)際要求加載不同的相位調(diào)制圖對入射的部分相干光進(jìn)行調(diào)制以模擬實(shí)現(xiàn)不同焦距 的透鏡;所述LCD顯示屏，用于讓經(jīng)過調(diào)制的部分相干光通過隨機(jī)打開的顯示子屏，入射到 CCD陣列中的分光鏡上;所述CCD陣列中的若干個(gè)CCD圖像傳感器，用于記錄待重建強(qiáng)度圖像 的各個(gè)像素點(diǎn)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自然光照明的高速大場景相位恢復(fù)數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在 于:所述LCD顯示屏的出射光經(jīng)過分光鏡后到達(dá)各個(gè)CCD圖像傳感器的光程相等。
【文檔編號】G02B27/00GK205562956SQ201620324799
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月14日
【發(fā)明人】程鴻, 沈川, 張 成, 呂倩倩, 陳婭萍
【申請人】安徽大學(xué)