[發明專利]一種相位成像系統

有效

• 申請號: 201410353727.8
• 申請日: 2014-07-23
• 公開（公告）號: CN104142131B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 蘇云;劉雨晨;焦建超;鐘曉明;賀金平;阮寧娟;張月
• 申請（專利權）人: 北京空間機電研究所
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01J9/00
• 代理公司: 中國航天科技專利中心11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明屬于光學成像技術，涉及一種相位成像系統。

背景技術

相位成像技術基于波前測量和形狀成像原理，由一組縱向離焦序列圖像經過處理后獲得所需的形狀信息。相位成像算法利用三幀在運動方向(運動方向與光波衍射方向一致)上不同位置的圖像作為數據處理的基礎，利用光強信息恢復波振面。相位圖像中的物體幾何特征更明顯，噪聲對其影響比較小，且不受明暗對比度的影響，基于這些優良特性，相位成像可以用于微弱目標檢測及提供三維形狀圖像。

由于需要記錄三個面的光強信息，現有的方法有兩種，一種是通過固定物體位置，利用探測器沿著光軸方向進行移動分別成像，記錄欠焦、聚焦及過焦平面上的光強信息；另一種通過能量分光，利用三個探測器實現記錄欠焦、聚焦及過焦平面上的光強信息。

由上可見，第一種相位成像技術要求該成像系統的機械調焦機構中必須包含運動部件，才能將探測器沿著光軸移動進行掃描成像，這樣必然增加了結構的復雜度，且該運動部件的引入降低了系統的穩定性；第二種相位成像技術要求該成像系統必須包含三個探測器以及分束器，才能記錄三個平面上的信息，這樣在增加了結構的復雜度同時也增加了系統的成本，同時由于分束器的引入會造成光路的變化，使不同焦距位置的光線發生變化。此外，第一種相位成像技術要對不同焦距位置平面上的光線進行成像，需要多次調整機械調焦結構中的運動部件進行三次掃描成像，需要較長的掃描成像時間；第二種相位成像技術需要嚴格保證三個探測器同時觸發，因此以上兩種相位成像難以準確探測高速運動目標或者形態屬性發生瞬變的目標。

發明內容

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種相位成像系統，可以準確探測高速運動目標或者形態屬性發生瞬變的目標，并且降低系統結構的復雜度，增強系統的穩定性。

本發明的技術方案是：一種相位成像系統，包括光學成像系統、圖像轉換模塊、平面位置確定模塊、平面圖像獲取模塊和相位恢復模塊；

光學成像系統對目標物體進行成像，得到探測器圖像；所述的光學成像系統包括透鏡組、透鏡陣列和探測器；目標光束經過透鏡組匯聚后，再經過透鏡陣列中的單元透鏡進行二次匯聚，將透鏡組光瞳面的光線一次成像在探測器像元上；

圖像轉換模塊將獲取的探測器圖像轉換為四維光束分布矩陣；

平面位置確定模塊計算獲得各焦面對應的像平面位置z_k；

平面圖像獲取模塊根據所述平面位置確定模塊獲取的各焦面對應的像平面位置z_k，對所述四維光束分布矩陣進行求和，得到各焦面對應的像平面圖像；

所述相位恢復模塊根據所述各焦面對應的像平面圖像，計算得到波振面相位信息，即得到相位圖像。

圖像轉換模塊根據如下公式將所述探測器圖像轉換為四維光強分布矩陣：

其中，L_m,n(x,y,z)為第m行、第n列個基原圖像重建得到的光強分布矩陣，其中p，q分別是微透鏡在x,y方向上的個數，O(x,y,z)為四維光強分布矩陣；所述的基原圖像為某個微透鏡單元在探測器像面上所成的圖像。

所述平面圖像獲取模塊，用于對所述四維光束分布矩陣進行求和，得到各焦面的像平面圖像

本發明與現有技術相比具有如下優點：

1)采用本發明，經過透鏡陣列中單元透鏡的二次匯聚作用可以將透鏡組光瞳面的光線一次成像在探測器像元上，因此無需沿光軸移動探測器進行成像，即可得到不同焦面的圖像。

2)現有的相位成像系統需要記錄三個面的光強信息，現有的方法有兩種，一種是通過固定物體位置，利用探測器沿著光軸方向進行移動分別成像，記錄欠焦、聚焦及過焦平面上的光強信息；另一種通過能量分光，利用三個探測器實現記錄欠焦、聚焦及過焦平面上的光強信息。

3)與現有的相位成像系統相比，無需包括運動部件或分光部件即可準確探測高速運動目標或者形態屬性發生瞬變的目標，僅需拍攝一次，并且降低系統結構的復雜度，增強系統的穩定性。易于實現輕量小型化。

附圖說明

圖1本發明實施例中的光學系統結構示意圖；

圖2相位成像系統；

圖3為光場相機圖像復原的示意圖；

圖4不同焦面計算過程示意圖；

圖5相位恢復流程圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，一下參照附圖并列舉實施例，對本發明進一步說明。