專利名稱：強度關(guān)聯(lián)衍射成像裝置及其圖像恢復(fù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)衍射成像，特別是一種強度關(guān)聯(lián)衍射成像裝置及其圖像恢復(fù)方法。
背景技術(shù)：
常用的傅里葉變換衍射成像是利用一束相干光(通常是平面波)照射在被成像物體上，透過物體的光場傳輸一段距離(該距離滿足夫瑯和費條件)后，用一個面探測器(如CCD)接收，就可以得到該物體的包含物體的振幅和位相信息的透過率函數(shù)傅里葉變換強度信息，然后利用得到的傅里葉變換強度信息，采用迭代算法恢復(fù)被成像物體的振幅或位相信息。這種圖像恢復(fù)算法局限于純振幅型物體(位相分布已知)或純位相型物體(振幅分布已知)，對于復(fù)透過率函數(shù)的物體無法得到理想的恢復(fù)結(jié)果。
采用這種成像技術(shù)通常需要滿足以下幾個條件1.成像光束必須是相干光。
2.成像光束經(jīng)過物體后必須傳輸較長的距離(滿足夫瑯和費條件)或用透鏡聚焦后，才能探測到物體透過率函數(shù)的傅里葉變換強度信息。
3.只有當(dāng)被測物體的振幅分布或者位相分布為已知時，才能根據(jù)傅里葉變換強度信息計算出物體的位相分布或者振幅分布。
但是大多數(shù)情況下，物體的透過率函數(shù)的振幅信息與位相信息都是無法確定的，因此，這一成像技術(shù)的缺陷就是先要根據(jù)實際情況推測出物體大致的振幅分布函數(shù)，然后根據(jù)這一推測的振幅分布函數(shù)，通過計算恢復(fù)出物體的位相分布函數(shù)。如果推測的振幅分布函數(shù)和實際情況相差較大，就會降低位相恢復(fù)的精度并增加計算所需的時間，而且經(jīng)常會遇到迭代中收斂停滯的問題而得不到理想結(jié)果，因此這種圖像恢復(fù)方法具有很大的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種強度關(guān)聯(lián)衍射成像裝置及其圖像恢復(fù)方法，以解決下列技術(shù)問題1、本發(fā)明不需要相干光源就可以實現(xiàn)衍射成像，解決在某些波段(如X光波段)獲得相干光源比較困難的問題。
2、本發(fā)明不需要經(jīng)過透鏡對光場進行聚焦，就可以在離物體較近的位置(滿足傍軸近似條件即可)探測到物體透過率函數(shù)的傅里葉變換強度信息。解決在某些波段(如X光波段)透鏡加工比較困難的問題。
3、本發(fā)明可以同時獲得物體振幅信息(不包含位相信息)的傅里葉變換強度和物體的復(fù)振幅(包含位相信息)的傅里葉變換強度。以解決當(dāng)物體振幅與位相分布均不可知的情況下，實現(xiàn)對物體透過率函數(shù)恢復(fù)的問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下本發(fā)明主要包含物體傅里葉變換強度信息的獲取和根據(jù)此強度信息恢復(fù)物體透過率函數(shù)的迭代算法。
一種強度關(guān)聯(lián)衍射成像裝置，其特征在于包括一熱光源，沿該熱光源發(fā)射光束的前進方向設(shè)有分束器，在該分束器的透射光束方向依次是待測物體和物光路的面探測器，在所述的分束器的反射光束方向是參考光路，光路中設(shè)置參考光路的面探測器，所述的物光路面探測器和參考光路面探測器的輸出端同時連接執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和處理的計算機，所述的熱光源與物光路面探測器以及參考光路面探測器同時由一個同步信號發(fā)生器同步觸發(fā)控制，所述的參考光路面探測器的探測面與分束器中心的距離d3滿足下列關(guān)系d3＝d1+d2其中d1為分束器中心到待測物體之間的距離；d2為待測物體與物光路面探測器的探測面之間的距離。
所述的物光路面探測器和參考光路面探測器為面陣CCD或者光電二極管陣列。
一種利用上述強度關(guān)聯(lián)衍射成像裝置實現(xiàn)的圖像恢復(fù)方法，包括下列步驟(一)按上述強度關(guān)聯(lián)衍射成像裝置的要求設(shè)置待測物體、物光路面探測器和參考光路面探測器；(二)在同步信號發(fā)生器的驅(qū)動下，同時驅(qū)動熱光源和物光路面探測器以及參考光路面探測器，利用物光路面探測器和參考光路面探測器分別同步采集光場在探測面上的強度分布，并存入所述的計算機；(三)利用所述的計算機進行數(shù)據(jù)處理①將物光路探測器面上探測到的不同位置處光的所有時刻強度值的波動與該面上某一固定點處所有時刻的光強度值的波動進行相關(guān)運算，得到物光路的自相關(guān)強度分布信息；②將物光路的探測器上某一固定點處所有時刻的光強值的波動與參考光路的探測器上不同位置處的光強度值波動進行相關(guān)運算，可以得到物光路和參考光路的互相關(guān)強度分布；③假設(shè)物體的位相分布為常數(shù)，利用位相恢復(fù)迭代算法恢復(fù)出被成像物體的振幅分布函數(shù)；④利用第③步恢復(fù)的成像物體振幅分布函數(shù)，結(jié)合第②步的物光路與參考光路互相關(guān)強度分布信息，利用迭代算法計算出成像物體的位相分布函數(shù)，從而完成對物體的透過率函數(shù)的恢復(fù)。
本發(fā)明的技術(shù)效果1、利用強度關(guān)聯(lián)衍射成像裝置實現(xiàn)了物體透過率函數(shù)的無透鏡傅里葉變換。
2、在菲涅爾衍射區(qū)得到了非相干光的夫瑯和費衍射強度分布。
3、將物體復(fù)透過率函數(shù)的振幅信息單獨提取出來，并得到其傅里葉變換強度分布，對應(yīng)于自相關(guān)強度分布，避免了圖像恢復(fù)工作中位相信息的影響。
4、同時可以得到物體復(fù)透過率函數(shù)的傅里葉變換強度信息，對應(yīng)于互相關(guān)強度分布。
5、從自相關(guān)強度分布通過常用的迭代算法，實現(xiàn)物體振幅分布的恢復(fù)。
6、結(jié)合互相關(guān)強度分布與恢復(fù)的振幅分布，用常用的迭代算法實現(xiàn)物體位相分布的恢復(fù)。
7、以兩步常用的圖像恢復(fù)算法，完成了物體復(fù)透過率函數(shù)的恢復(fù)工作，較之現(xiàn)有的此領(lǐng)域中的復(fù)透過率物體的恢復(fù)算法更為簡便快捷。


圖1是本發(fā)明強度關(guān)聯(lián)衍射成像裝置實施的結(jié)構(gòu)框圖。
圖中1是脈沖式熱光源；2是分束器；3為待測物體；4為物光路面探測器CCD1；5為參考光路面探測器CCD2；6是對數(shù)據(jù)進行采集與處理的計算機；7為同步信號發(fā)生器。
圖2是待測物體的透過率函數(shù)分布圖。
圖3是經(jīng)過自相關(guān)運算得到的強度分布曲線。
圖4是用迭代算法恢復(fù)的物體振幅分布曲線。
圖5是經(jīng)過互相關(guān)運算得到的強度分布曲線。
圖6是用本發(fā)明方法恢復(fù)的物體位相分布圖。
圖7是振幅恢復(fù)迭代算法流程圖。
圖8是位相恢復(fù)迭代算法流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范周。
本發(fā)明的強度關(guān)聯(lián)衍射成像裝置如圖1所示，包括一熱光源1，沿該熱光源1發(fā)射光束的前進方向設(shè)有分束器2，在該分束器2的透射光束方向依次是待測物體3和物光路的面探測器4，在所述的分束器2的反射光束方向是參考光路，該參考光路中置參考光路的面探測器5，所述的物光路面探測器4和參考光路面探測器5的輸出端同時連接執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和處理的計算機6，熱光源1與物光路面探測器4以及參考光路面探測器5同時由一個同步信號發(fā)生器7同步觸發(fā)控制，所述的參考光路面探測器5的探測面與分束器2中心的距離d3滿足下列關(guān)系d3＝d1+d2其中d1為分束器2中心到待測物體3之間的距離；d2為待測物體3與物光路面探測器4探測面之間的距離。
在本實例中，所述的物光路面探測器4和參考光路面探測器5為面陣CCD。
熱光源1所產(chǎn)生的熱光場可用下列方式描述熱光場由復(fù)樣本空間O＝oejθ來表示，隨機變量函數(shù)Om=omeiθm]]>表示該熱光源編號為m(m＝0，1，2...)的發(fā)光基元所輻射光場的相幅矢量；其中，隨機變量om表示該相幅矢量的振幅，θm為位相。該熱光源應(yīng)具有如下性質(zhì)振幅o服從參數(shù)為σ的瑞利分布 位相θ服從(-π，π]上的均勻分布
以上兩式是模擬熱光場的數(shù)學(xué)模型，也是聯(lián)合圓形高斯型復(fù)隨機變量的普遍性質(zhì)。一般認為代表經(jīng)典熱光源的發(fā)光基元熱光場的相幅矢量是聯(lián)合圓形高斯隨機變量。
本發(fā)明強度關(guān)聯(lián)衍射成像裝置及其圖像恢復(fù)方法，包括下列步驟(一)按權(quán)利要求1所述的強度關(guān)聯(lián)衍射成像裝置的要求設(shè)置待測物體3和物光路的面探測器4以及參考光路的面探測器5；(二)在同步信號發(fā)生器7的同步信號驅(qū)動下，同時驅(qū)動熱光源1和物光路面探測器4以及參考光路面探測器5，利用物光路面探測器4和參考光路面探測器5同步采集光場在探測面上的強度分布，并存入所述的計算機6；(三)所述的計算機6進行數(shù)據(jù)處理①將物光路探測器面上探測到的不同位置xt處光的所有時刻強度值It(xt)的波動與該面上某一固定點xt′處所有時刻的光強度值It(xt′)的波動進行相關(guān)運算ΔG(xt，xt′)≡<ΔIt(xt)ΔIt(xt′)>＝<It(xt)It(xt′)>-<It(xt)><It(xt′)>
得到物光路的自相關(guān)強度分布信息。該強度分布信息和物體振幅分布之間的關(guān)系(見J.Cheng and S.Han，Phys.Rev.Lett.92，093903，2004)可以用如下公式表示<ΔIt(xt)ΔIt(xt′)>∝|F{|t(2π(xt′-xt)λd2)|2}|2]]>其中xt與xt′為物光路探測面上的位置坐標(biāo)，t(x)為物體透過率函數(shù)，F(xiàn)為函數(shù)的傅里葉變換，從上式可以看出，經(jīng)過自相關(guān)得到的強度分布僅與物體透過率函數(shù)的振幅分布有關(guān)，而與位相分布無關(guān)。
②將物光路的探測器上某一固定點xt處所有時刻的光強值It(xt)的波動與參考光路的探測器上不同位置xr處所有時刻的光強度值Ir(xr)的波動進行相關(guān)運算，可以得到物光路和參考光路的互相關(guān)強度分布?；ハ嚓P(guān)所得強度分布函數(shù)與物體透過率函數(shù)之間的關(guān)系(見J.Cheng and S.Han，Phys.Rev.Lett.92，093903，2004)可以用如下的公式來表示<ΔIt(xt)ΔIr(xr)>∝|F{2π(xt-xr)λd2}|2]]>其中xr為參考光路探測面上的位置，xt為物光路探測面上的位置，F(xiàn)為被成像物體透過率函數(shù)的傅里葉變換。從上式可以看出，實際上我們得到的是物體透過率函數(shù)的傅里葉變換強度信息。
③根據(jù)自相關(guān)強度分布，假設(shè)物體的位相分布為常數(shù)，利用迭代算法(圖7)(見J.R.Fienup，Optics Letters.Vol.3，No.1，27-29，1978)恢復(fù)出被測物體的振幅分布函數(shù)；④利用第③步恢復(fù)的成像物體振幅分布函數(shù)，結(jié)合第②步所得的物光路與參考光路互相關(guān)強度分布信息，利用迭代算法(圖8)(見J.R.Fienup，Optics Letters.Vol.3，No.1，27-29，1978)計算出成像物體的位相分布函數(shù)，從而完成對物體的透過率函數(shù)的恢復(fù)。
結(jié)合附圖進一步說明熱光場經(jīng)過分束器2分成反射光束和透射光束，其中透射光束傳播了一段距離d1后照射在被成像物體3上，其中物體3的復(fù)透過率函數(shù)如圖2所示，振幅在一維方向上為雙縫分布(圖2上部分)，但是雙縫間位相差為π(圖2下部分)。經(jīng)過物體透過率函數(shù)調(diào)制后的透射光再傳輸一段距離d2(該距離要滿足傍軸近似條件)后，用一個物光路面探測器CCD 4接收，我們把這部分光路稱為物光路；分束器2分出的反射光束，即參考光束傳播一段距離d3＝d1+d2后，其強度分布由參考光路探測器CCD 5測得。其中熱光源1、物光路面探測器4與參考光路探測器5由同一個信號發(fā)生器7同步驅(qū)動；將物光路上探測器4采集的不同位置所有時刻光強度分布與其中某一固定點的強度經(jīng)過自相關(guān)運算，得到自相關(guān)強度分布，該自相關(guān)強度分布與物體透過率函數(shù)振幅的傅里葉變換有關(guān)，如圖3所示，其中橫坐標(biāo)是物光路面探測器4面上的位置坐標(biāo)，強度值經(jīng)過歸一化處理。
利用圖像恢復(fù)迭代算法由自相關(guān)強度分布來恢復(fù)物體振幅分布函數(shù)，其中圖像恢復(fù)迭代算法流程圖如圖7所示，最后計算得到的物體振幅分布如圖4所示。可以看到，計算得到的物體振幅分布函數(shù)非常接近物體的實際振幅分布。
將不同時刻得到的參考光路探測器5上不同位置所有時刻的光強度分布與物光路探測器4上某一點的光強度進行互相關(guān)運算，得到物體的透過率函數(shù)(包含振幅與位相)的傅里葉變換，如圖5所示，其中橫坐標(biāo)是參考光路探測器5面上的位置坐標(biāo)，所得強度也是經(jīng)過歸一化處理。
綜合上一步得到的互相關(guān)強度分布(圖5)和已恢復(fù)的物體的振幅分布函數(shù)(圖4)，用迭代法計算出物體的位相分布函數(shù)，該迭代算法的流程圖如圖8所示，最后得到的位相分布如圖6所示。對于此類物體透過率函數(shù)的位相來說重要的是相對位相值，恢復(fù)的雙縫間位相差平均值為π。從圖中可以看出，物體的位相分布函數(shù)得到了較為理想的恢復(fù)。
綜合以上步驟，我們最終完成了物體的透過率函數(shù)的恢復(fù)工作。
權(quán)利要求
1.一種強度關(guān)聯(lián)衍射成像裝置，其特征在于包括一熱光源(1)，沿該熱光源(1)發(fā)出的光束的前進方向設(shè)有分束器(2)，在該分束器(2)的透射光束方向依次是待測物體(3)和物光路面探測器(4)，在所述的分束器(2)的反射光束方向是參考光路，光路中置考光光路面探測器(5)，所述的物光路面探測器(4)和參考光路面探測器(5)的輸出端同時連接執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和處理的計算機(6)，熱光源(1)與物光路面探測器(4)以及參考光路面探測器(5)同時由一個同步信號發(fā)生器(7)同步觸發(fā)控制，所述的參考光路面探測器(5)的探測面與分束器(2)中心的距離d3滿足下列關(guān)系d3＝d1+d2其中d1為分束器(2)中心到待測物體(3)之間的距離；d2為待測物體(3)與物光路面探測器(4)探測面之間的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強度關(guān)聯(lián)衍射成像裝置，其特征在于所述的物光路面探測器(4)和參考光路面探測器(5)為面陣CCD或者光電二極管陣列。
3.一種利用權(quán)利要求1所述的強度關(guān)聯(lián)衍射成像裝置實現(xiàn)的圖像恢復(fù)方法，其特征在于包括下列步驟(一)按權(quán)利要求1所述的強度關(guān)聯(lián)衍射成像裝置的要求設(shè)置待測物體(3)、物光路面探測器(4)和參考光路面探測器(5)；(二)在同步信號發(fā)生器(7)的同步信號驅(qū)動下，同時驅(qū)動熱光源(1)和物光路面探測器(4)以及參考光路面探測器(5)，利用物光路面探測器(4)和參考光路面探測器(5)分別采集光場在其探測面上的強度分布，并存入所述的計算機(6)；(三)所述的計算機(6)進行數(shù)據(jù)處理①將物光路探測器(4)面上探測到的不同位置處光的所有時刻強度值的波動與該面上某一固定點處所有時刻的光強度值的波動進行相關(guān)運算，得到物光路的自相關(guān)強度分布信息；②將物光路的探測器(4)上某一固定點處所有時刻的光強值的波動與參考光路的探測器(5)上不同位置處的光強度值波動進行相關(guān)運算，可以得到物光路和參考光路的互相關(guān)強度分布；③假設(shè)物體的位相分布為常數(shù)，利用位相恢復(fù)迭代算法恢復(fù)出被成像物體的振幅分布函數(shù)；④利用第③步恢復(fù)的成像物體振幅分布函數(shù)，結(jié)合第②步的物光路與參考光路互相關(guān)強度分布信息，利用迭代算法計算出成像物體的位相分布函數(shù)，從而完成對物體的透過率函數(shù)的恢復(fù)。
全文摘要
一種強度關(guān)聯(lián)衍射成像裝置及其圖像恢復(fù)方法，主要包含物體傅里葉變換強度信息的獲取和根據(jù)此強度信息恢復(fù)物體透過率函數(shù)的迭代算法。裝置包括一熱光源，沿該熱光源發(fā)射光束的前進方向設(shè)有分束器，在該分束器的透射光束方向依次是待測物體和物光路的面探測器，在分束器的反射光束方向是參考光路，光路中設(shè)置參考光路的面探測器，物光路面探測器和參考光路面探測器的輸出端同時連接執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和處理的計算機，熱光源與物光路面探測器和參考光路面探測器同時由一個同步信號發(fā)生器同步觸發(fā)控制。本發(fā)明可以實現(xiàn)非相干源的衍射成像，可以在無透鏡的情況下在菲涅耳衍射區(qū)得到物體透過率函數(shù)的傅里葉變換強度信息，并據(jù)此恢復(fù)物體的振幅及位相。
文檔編號G01N21/00GK101021621SQ200710037088
公開日2007年8月22日 申請日期2007年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月2日
發(fā)明者魏青, 劉永峰, 韓申生, 沈夏, 張明輝, 劉紅林, 程靜 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所