本發(fā)明屬于光學測量中的非干涉相位檢測領域，具體涉及一種大動態(tài)離焦范圍單幀雙幅圖像光強采集裝置及其采集方法。

背景技術：

光強傳播方程法作為一種非干涉的波前檢測方法，克服了傳統干涉法由于光路復雜，受測量環(huán)境影響大等缺點，并且只需要知道物光沿光軸傳播的兩幅光強圖像，即可根據數值解法求出物體相位，計算量小光路簡單，因此得到了廣泛關注。但是傳統的圖像采集方式--使用平移臺沿光軸采集光強圖像，引入了機械移動，使其難以應用于高速、動態(tài)甚至實時測量的場合。因此在國際上，光強采集裝置的方案也層出不窮。

2010年Waller. L.等人發(fā)表在在Optical express上的文章《phase from chromatic aberrations》通過色差與顏色通道復用實現單次彩色圖像曝光獲取三幅光圖像，但由于色差離焦需要盡可能采用性能較差的光學元件去最獲得足夠的離焦量，這顯然是以犧牲成像質量為代價的。同年他們團隊在optical letters上發(fā)表的《Transport of intensity phase imaging in a volume holographic microscopy》上的文章通過體全息布拉格（Bragg）選擇特性分束形成多幅強度圖像，但體全息法中體全息元件的精確制作加工是十分困難的。2012年在《Enhanced deterministic phase retrieval using a partially developed speckle field》一文中，研究者指出通過空間光調制器實現離焦，但需要兩個CCD進行圖像采集。同年Gorthi. SS.在《Phase imaging flow cytometry using a focus-stack collecting microscope》通過傾斜流式細胞儀使樣品自動離焦，而傾斜流式細胞儀法必須依賴于特殊的專用裝置，并不能普遍適用于一般樣品的相位成像。而在《Single-shot phase recovery using two laterally separated defocused images》中研究者提出通過分束鏡與多次反射實現單次記錄，但是采集兩幅以上圖像也需要對反射鏡進行機械移動。2013年，左超等人在文章《Single-shot quantitative phase microscopy with the transport of intensity equation》中，利用空間光調制器以及分光棱鏡實現了單幀圖像的采集，但其是在4f系統的頻域內實現分光，因此對反射鏡和空間光調制器的位置精度提出了更高的要求，并且該系統主要運用于顯微成像方面。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種大動態(tài)離焦范圍單幀雙幅圖像光強采集裝置及其采集方法，克服了光強傳播方程求解相位的方法中，光強圖像采集裝置需要機械移動，不能應用于高速動態(tài)實時測量場合的問題。

實現本發(fā)明目的的技術解決方案為：一種大動態(tài)離焦范圍單幀雙幅圖像光強采集裝置，包括激光器、光纖耦合器、光纖、光纖擴束器、準直透鏡、第一聚焦透鏡、空間光調制器、第二聚焦透鏡、薄膜分束器、反射鏡、直角棱鏡和CCD；光纖耦合器固定在激光器的出光口，光纖一端與光纖耦合器連接，另一端與光纖擴束器連接；共光軸依次設置激光器、光纖擴束器、準直透鏡、第一聚焦透鏡、空間光調制器，上述部件所在的光軸為第一光軸，待測相位物體設置在準直透鏡和第一聚焦透鏡之間，第二聚焦透鏡、薄膜分束器和直角棱鏡依次設置在空間光調制器的反射光路上，反射鏡設置在薄膜分束器前表面的反射光路上，CCD設置在薄膜分束器后表面的反射光路上，且位于反射鏡的反射光路上。

激光器發(fā)出激光，經光纖耦合器耦合后由光纖傳輸至光纖擴束器進行擴束，擴束后的激光經準直透鏡準直入射至待測相位物體，攜帶待測相位物體相位信息的激光射入第一聚焦透鏡，經第一聚焦透鏡聚焦至空間光調制器，所述攜帶待測相位物體信息的激光由加載在空間光調制器上的角譜傳輸函數調制后，反射至第二聚焦透鏡，經第二聚焦透鏡平行入射至薄膜分束器，經薄膜分束器的前表面分為第一透射光和第一反射光，第一反射光射入反射鏡，再經反射鏡返回薄膜分束器，經薄膜分束器透射后被CCD接收；第一透射光垂直入射至直角棱鏡，經直角棱鏡反射至薄膜分束器的后表面，經薄膜分束器的后表面反射，被CCD接收。

所述空間光調制器放置在第一聚焦透鏡與第二聚焦透鏡的焦平面上，空間光調制器與第一光軸垂直的方向存在夾角α。

所述第一透射光垂直入射至直角棱鏡包含兩條斜邊的面。

所述空間光調制器為反射式，相位調制范圍為0-2π。

所述薄膜分束器的前表面和后表面均鍍中性分束膜，且前表面和后表面的反射率透射率之比為50：50 。

所述反射鏡表面鍍增反膜，反射率大于99.5%，表面粗糙度Ra優(yōu)于0.5nm。

所述直角棱鏡包含兩條斜邊的面鍍增透膜，透射率大于99.5%；包括四條直角邊的兩個面均鍍增反膜，反射率大于99.5%。

所述大動態(tài)離焦范圍單幀雙幅圖像光強采集裝置，還包括光闌，光闌設置在待測相位物體和第一聚焦透鏡之間。

一種采用大動態(tài)離焦范圍單幀雙幅圖像光強采集裝置的采集方法，方法步驟如下：

步驟1、將待測相位物體設置在準直透鏡和第一聚焦透鏡之間，轉入步驟2；

步驟2、打開激光器，激光器發(fā)出激光，經光纖耦合器耦合后由光纖傳輸至光纖擴束器進行擴束，擴束后的激光經準直透鏡準直入射至待測相位物體，攜帶待測相位物體相位信息的激光射入第一聚焦透鏡，經第一聚焦透鏡聚焦至空間光調制器，所述攜帶待測相位物體信息的激光由加載在空間光調制器上的角譜傳輸函數調制后，反射至第二聚焦透鏡，經第二聚焦透鏡平行入射至薄膜分束器，經薄膜分束器的前表面分為第一透射光和第一反射光，第一反射光射入反射鏡，再經反射鏡返回薄膜分束器，經薄膜分束器透射后被CCD接收；第一透射光垂直入射至直角棱鏡，經直角棱鏡反射至薄膜分束器的后表面，經薄膜分束器的后表面反射，被CCD接收，轉入步驟3；

步驟3、調節(jié)直角棱鏡的位置，使得經薄膜分束器分光后的第一反射光與第一透射光，在到達CCD時具有一定的光程差，轉入步驟4；

步驟4、在CCD上獲得兩幅不同離焦距離的光強圖像，轉入步驟5；

步驟5、改變空間光調制器上加載的角譜傳輸函數，即改變了上述光強圖像的離焦距離，轉入步驟6；

步驟6、在CCD上相應獲得改變離焦距離后的兩幅光強圖像，轉入步驟7；

步驟7、重復步驟5及步驟6，在CCD上更新獲得步驟6中不同離焦距離的光強圖像。

當步驟4中獲得的兩幅圖像重合時，在待測相位物體和第一聚焦透鏡之間設置控制光束直徑大小的光闌。

本發(fā)明與現有技術相比，其顯著優(yōu)點在于：

（1）由于設置了空間光調制器，故不需要任何機械移動就可以進行多幅光強圖像的采集，實現了數字化大動態(tài)離焦范圍的光強圖像獲取。

（2）光學元件采用反射型或在其表面鍍膜，減少了光能的損耗。

（3）采用了薄膜分束器、反射鏡和直角棱鏡，使得一個CCD即可同時采集兩幅光強圖像。

附圖說明

圖1為本發(fā)明大動態(tài)離焦范圍單幀雙幅圖像光強采集裝置的光路結構圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。

結合圖1，一種大動態(tài)離焦范圍單幀雙幅圖像光強采集裝置，包括激光器1、光纖耦合器2、光纖3、光纖擴束器4、準直透鏡5、第一聚焦透鏡7、空間光調制器8、第二聚焦透鏡9、薄膜分束器10、反射鏡11、直角棱鏡12和CCD13，光纖耦合器2固定在激光器1的出光口，光纖3一端與光纖耦合器2連接，另一端與光纖擴束器4連接，共光軸依次設置激光器1、光纖擴束器4、準直透鏡5、第一聚焦透鏡7、空間光調制器8，上述部件所在的光軸為第一光軸，待測相位物體6設置在準直透鏡5和第一聚焦透鏡7之間，第二聚焦透鏡9、薄膜分束器10和直角棱鏡12依次設置在空間光調制器8的反射光路上，反射鏡11設置在薄膜分束器10前表面的反射光路上，CCD13設置在薄膜分束器10后表面的反射光路上，且位于反射鏡11的反射光路。

激光器1發(fā)出激光，經光纖耦合器2耦合后由光纖3傳輸至光纖擴束器4進行擴束，擴束后的激光經準直透鏡5準直入射至待測相位物體6，攜帶待測相位物體6相位信息的激光射入第一聚焦透鏡7，經第一聚焦透鏡7聚焦至空間光調制器8，所述攜帶待測相位物體6信息的激光由加載在空間光調制器8上的角譜傳輸函數調制后，反射至第二聚焦透鏡9，經第二聚焦透鏡9平行入射至薄膜分束器10，經薄膜分束器10的前表面分為第一透射光和第一反射光，第一反射光射入反射鏡11，再經反射鏡11返回薄膜分束器10，經薄膜分束器10透射后被CCD13接收；第一透射光垂直入射至直角棱鏡12，經直角棱鏡12反射至薄膜分束器10的后表面，經薄膜分束器10的后表面反射，被CCD13接收。

所述待測相位物體6、第一聚焦透鏡7、第二聚焦透鏡9、薄膜分束器10與其第一反射光路上的反射鏡11、CCD13共同構成4f系統。即待測相位物體6與第一聚焦透鏡7間距為f, 第一聚焦透鏡7與第二聚焦透鏡9的距離為f+f=2f, 第二聚焦透鏡9至CCD13的包含有反射鏡11的光路，光程為f。

所述反射鏡11與直角棱鏡12的位置固定，且需使得經過薄膜分束器10的第一反射光與第一透射光最終被CCD13接收時，存在的光程差。

所述空間光調制器8放置在第一聚焦透鏡7與第二聚焦透鏡9的焦平面上，空間光調制器8與第一光軸垂直的方向存在夾角α。

所述第一透射光垂直入射至直角棱鏡12包含兩條斜邊的面。

所述空間光調制器8為反射式，相位調制范圍為0-2π。

所述薄膜分束器10的前表面和后表面均鍍中性分束膜，且前表面和后表面的反射率透射率之比為50：50 。

所述反射鏡11表面鍍增反膜，反射率大于99.5%，表面粗糙度Ra優(yōu)于0.5nm。

所述直角棱鏡12包含兩條斜邊的面鍍增透膜，透射率大于99.5%；包括四條直角邊的兩個面均鍍增反膜，反射率大于99.5%。

所述大動態(tài)離焦范圍單幀雙幅圖像光強采集裝置，還包括光闌14，光闌14設置在待測相位物體6和第一聚焦透鏡7之間。

一種大動態(tài)離焦范圍單幀雙幅圖像光強采集裝置的采集方法，方法步驟如下：

步驟1、將待測相位物體6設置在準直透鏡5和第一聚焦透鏡7之間，轉入步驟2；

步驟2、打開激光器1，則光線按照上所述的情形進行傳播。激光器1發(fā)出激光，經光纖耦合器2耦合后由光纖3傳輸至光纖擴束器4進行擴束，擴束后的激光經準直透鏡5準直入射至待測相位物體6，攜帶待測相位物體6相位信息的激光射入第一聚焦透鏡7，經第一聚焦透鏡7聚焦至空間光調制器8，所述攜帶待測相位物體6信息的激光由加載在空間光調制器8上的角譜傳輸函數調制后，反射至第二聚焦透鏡9，經第二聚焦透鏡9平行入射至薄膜分束器10，經薄膜分束器10的前表面分為第一透射光和第一反射光，第一反射光射入反射鏡11，再經反射鏡11返回薄膜分束器10，經薄膜分束器10透射后被CCD13接收；第一透射光垂直入射至直角棱鏡12，經直角棱鏡12反射至薄膜分束器10的后表面，經薄膜分束器10的后表面反射，被CCD13接收，轉入步驟3；

步驟3、調節(jié)直角棱鏡12的位置，使得經薄膜分束器10分光后的第一反射光與第一透射光，在到達CCD13時具有一定的光程差，轉入步驟4；

步驟4、在CCD13上獲得兩幅不同離焦距離的光強圖像，轉入步驟5；

步驟5、改變空間光調制器8上加載的角譜傳輸函數，即改變了上述光強圖像的離焦距離，轉入步驟6；

步驟6、在CCD13上相應獲得改變離焦距離后的兩幅光強圖像，轉入步驟7；

步驟7、重復步驟5及步驟6，在CCD13上根據需要更新獲得步驟6中不同離焦距離的光強圖像（一般采集50幅即可）。

當步驟4中獲得的兩幅圖像重合時，可在待測相位物體6和第一聚焦透鏡7之間設置光闌14。

本發(fā)明由于設置了空間光調制器，故不需要任何機械移動就可以進行多幅光強圖像的采集，實現了數字化大動態(tài)離焦范圍的光強圖像獲取，光學元件采用反射型或在其表面鍍膜，減少了光能的損耗，采用了薄膜分束器、反射鏡和直角棱鏡，使得一個CCD即可同時采集兩幅光強圖像。