[發明專利]一種相干單像素成像系統及成像方法

在審

• 申請號: 202111114473.0
• 申請日: 2021-09-23
• 公開（公告）號: CN113834442A
• 公開（公告）日: 2021-12-24
• 發明（設計）人: 張素恒;侯紅云;韓佳成;趙亞楠;梁寶來;王穎
• 申請（專利權）人: 河北大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01N21/84;G01N21/01;G02B27/09;G02B27/10;G02B27/28;G02B27/30
• 代理公司: 石家莊國域專利商標事務所有限公司 13112
• 代理人: 胡澎

1.一種相干單像素成像系統，其特征是，包括：

He-Ne激光器，用于發射波長為632.8nm的激光，以形成相干照明光場；

衰減片，設置在He-Ne激光器的激光光路上，用于將He-Ne激光器發射出的激光衰減到單像素探測器允許的工作范圍之內；

半波片，設置在衰減片后方的激光光路上，用于將衰減后的激光由豎直偏振轉變成水平偏振；

空間濾波擴束準直系統，設置在半波片后方的激光光路上，用于對轉變成水平偏振的激光進行擴束和準直；

分束器，設置在空間濾波擴束準直系統后方的激光光路上，用于將純相位空間光調制器調制后的結構光反射進4f系統；

純相位空間光調制器，設置在分束器后方的激光光路上，用于對擴束準直后的激光束進行純相位調制；

4f系統，包括兩個焦距f均為300mm的透鏡，兩個透鏡前后相對，設置在分束器的反射光路上，用于將相干照明總光場成像至目標物體的前表面，以形成相干結構照明；

收集透鏡，其焦距f為300mm，設置在目標物體后方300mm處的分束器反射光路上，用于將物光收集至針孔濾波器處；

針孔濾波器，設置在收集透鏡后方的分束器反射光路上，并置于收集透鏡的后焦面處，用于透射焦點處物光的零頻分量，并使之到達單像素探測器；

單像素探測器，設置在針孔濾波器后方的分束器反射光路上，用于探測透射物光的零頻分量的強度；數據采集卡，與單像素探測器電連接，用于將單像素探測器采集的透射物光零頻分量的強度信息進行模數轉換和數據采集；以及

計算機，分別與純相位空間光調制器和數據采集卡電連接，用于控制純相位空間光調制器加載的基底圖案，并對數據采集卡采集的測量數據進行處理、存儲和顯示。

2.根據權利要求1所述的相干單像素成像系統，其特征是，所述空間濾波擴束準直系統包括空間濾波器和準直透鏡；所述空間濾波器包括40倍物鏡以及直徑為0.01mm的針孔；所述準直透鏡的焦距f為180mm。

3.一種相干單像素成像方法，其特征是，利用權利要求1～2任一權利要求所述相干單像素成像系統，進行相干Hadamard單像素成像，具體包括以下步驟：

a、利用Hadamard矩陣生成Hadamard基底矩陣序列，表示為：

其中，P_uv是Hadamard基底矩陣，H_u是H的第u行的行向量，H_v是H的第v行的行向量，代表轉置共軛；

b、對每個基底矩陣，按下式進行四步相移，得到相應的相移基底矩陣：

其中，代表0相移基底矩陣，代表相移基底矩陣，代表π相移基底矩陣，代表相移基底矩陣；

c、通過純相位空間光調制器的調制曲線將相移后的基底矩陣映射成基底圖案，并依次加載到純相位空間光調制器上，以對擴束準直后的激光束進行相位調制；

d、利用4f系統將相移后的基底圖案分別照明目標物體；

e、零頻探測：將針孔濾波器置于收集透鏡的后焦面，調整針孔濾波器的孔徑尺寸，僅允許焦點處的物光的零頻分量通過；透過目標物體的物光經過收集透鏡到達針孔濾波器，并最終到達單像素探測器；

f、利用所述相干單像素成像系統進行測量，獲取目標物體的復值頻譜，再通過逆變換，重構出目標物體的振幅與相位圖像。

4.一種相干單像素成像方法，其特征是，利用權利要求1～2任一權利要求所述相干單像素成像系統，進行相干Fourier單像素成像，具體包括以下步驟：

a、利用Fourier矩陣生成Fourier基底矩陣序列，表示為：

其中，M為物體采樣矩陣的行數，N為物體采樣矩陣的列數，[·]_F代表向下取整運算，[·]_C代表向上取整運算；

b、對每個基底矩陣，按下式進行四步相移測量，得到四步相移基底矩陣：

其中，代表0相移基底矩陣，代表相移基底矩陣，代表π相移基底矩陣，代表相移基底矩陣；

c、通過純相位空間光調制器的調制曲線將相移后的基底矩陣映射成基底圖案，并依次加載到純相位空間光調制器上，以對擴束準直后的激光束進行相位調制；

d、利用4f系統將相移后的基底圖案分別照明目標物體；

e、零頻探測：將針孔濾波器置于收集透鏡的后焦面，調整針孔濾波器的孔徑尺寸，僅允許焦點處的物光的零頻分量通過；透過目標物體的物光經過收集透鏡到達針孔濾波器，并最終到達單像素探測器；

f、利用所述相干單像素成像系統進行測量，獲取目標物體的復值頻譜，再通過逆變換，重構出目標物體的振幅與相位圖像。