一種基于調(diào)制的疊層掃描成像系統(tǒng)及其操作方法

本發(fā)明屬于光學(xué)成像領(lǐng)域，具體涉及一種基于調(diào)制的疊層掃描成像系統(tǒng)及其操作方法。

背景技術(shù)：

1、隨著科技發(fā)展進步，各行業(yè)對精密測量提出了更高的要求，計算成像作為一種分辨率高、測量精度高、非接觸的技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。在精密測量中，由于很多測量樣本屬于相位型物體，受限于人眼以及相機的工作原理，僅能接收探測光的強度信息而無法直接獲得其相位信息。物體的內(nèi)部形貌結(jié)構(gòu)、材料折射率、反射光場的相位信息通常比強度分布更能反映物體的結(jié)構(gòu)，通過已知的強度信息重構(gòu)其相位就顯得尤為重要。

2、相位恢復(fù)技術(shù)分為兩類：(1)以相位觀測為目的的定性成像，主要包括澤尼克相稱現(xiàn)為成像與微分干涉相位成像技術(shù)；(2)以相位的精確量化為目的的定量成像，主要包括干涉測量以及非干涉測量兩類方法。非干涉測量方法主要包括夏克－哈特曼波前傳感，基于光強傳輸方程(transport?of?intensity?equation,tie)的相位求解，相干衍射成像(coherent?diffraction?imaging,cdi)等。相干衍射成像通過光束照射物體后傳輸?shù)綀D像采集器生成的衍射強度圖反演計算出物體的復(fù)振幅信息，對比波前傳感器、tie等方法，具有魯棒性高、成像精度高等優(yōu)勢。

3、相干衍射成像算法對測量物體精確求解通常需要在光路中增加精確的約束條件，而對于約束平面的精確標(biāo)定通常是困難的。通過多幀掃描的方法同時重建被測物體以及約束平面信息，在提升成像精度同時優(yōu)化實驗過程。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種基于調(diào)制的疊層掃描成像系統(tǒng)及其操作方法，其目的在于，解決cdi技術(shù)成像分辨率低、收斂性差等缺陷，以及相干調(diào)制成像技術(shù)(coherent?modulationimaging,cmi)對精確調(diào)制器的依賴程度過高的問題。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、一種基于調(diào)制的疊層掃描成像系統(tǒng)，包括激光器、擴束器、準直透鏡構(gòu)成的光源1、被測物體2、隨機相位板3、ccd相機4、一維移動臺5、二維移動臺6，所述激光器經(jīng)過擴束準直后出射平行光作為光源，所述二維移動臺6與被測物體2連接，實現(xiàn)垂直光軸方向二維掃描，所述隨機相位板作3為波前調(diào)制器件，置于被測物體2及ccd相機之間，所述ccd相機4用于接收被測物體2平面出射波前經(jīng)過調(diào)制后的衍射光場，所述一維移動臺5與ccd相機連接，實現(xiàn)沿波前傳輸方向一維進給。

4、作為優(yōu)選實施例，光源1沿水平方向固定，被測物體2與二維移動臺6連接并安裝于光源1的出射端，被測物體2的后方放置一塊未被標(biāo)定的隨機相位板3作為調(diào)制器，ccd相機4與一維移動臺5連接，并安裝在隨機相位板3的后方。

5、作為優(yōu)選實施例，調(diào)節(jié)光路，滿足ccd相機的靶面、被測物體2的平面、二維移動臺6的掃描平面均垂直于波前傳輸方向，同時滿足一維移動臺5的進給沿光軸方向。

6、一種基于調(diào)制的疊層掃描成像操作方法，根據(jù)搭建的實驗系統(tǒng)通過兩種實驗方法獲得不同衍射強度圖，重構(gòu)被測物體以及調(diào)制平面，在cdi實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在ccd相機前端放置一塊未知分布的隨機相位板作為調(diào)制器件，通過多幀疊層掃描及算法重建被測物體以及調(diào)制器信息，具體包括如下步驟：

7、步驟1：對入射被測物體平面的照明光、被測物體及調(diào)制器進行初始猜測，分別為p、o、r；

8、步驟2：光源出射的平行光入射到被測物體平面作為照明光，被測物體平面出射波前為，ψ＝o×p；

9、步驟3：被測物體平面出射波前ψ傳輸距離m，調(diào)制器平面的入射波前為，其中表示波前傳輸過程；

10、步驟4：調(diào)制器平面的出射波前為，ω＝φ×r；

11、步驟5：調(diào)制器平面出射波前ω傳輸距離k，ccd相機平面獲得的波前信息為，

12、步驟6：采集獲得的衍射強度圖i更新ccd相機平面波前的振幅信息，

13、步驟7：更新后ccd相機平面波前信息逆向傳輸距離k，獲得更新后調(diào)制器平面出射波前，其中表示波前逆向傳輸過程；

14、步驟8：對調(diào)制器的平面入射波前及調(diào)制器分布函數(shù)進行同步更新，

15、

16、步驟9：更新后調(diào)制器的入射波前φ′逆向傳輸距離m獲得物體平面出射波前，

17、步驟10：對被測物體及被測物體平面的照明光的分布函數(shù)進行同步更新

18、

19、其中α、β為常數(shù)；

20、步驟11：更新后的照明光p′、被測物體o′、調(diào)制器r′作為初始值進行下一輪迭代，直至被測物體、照明光、調(diào)制器信息收斂。

21、作為優(yōu)選實施例，ccd相機與調(diào)制器位置不變，控制二維移動臺以一定步長移動對被測物體進行二維疊層掃描，光源照明不同位置的被測物體后傳播距離m后通過調(diào)制器，傳播距離k后到ccd相機靶面，從而獲得衍射光斑。

22、作為優(yōu)選實施例，任意位置設(shè)為n，n對應(yīng)的衍射強度為表示波前傳輸過程、on表示第n個掃描孔徑對應(yīng)被測物體信息，m表示被測物體與調(diào)制器之間距離，k表示調(diào)制器與ccd相機之間距離。

23、作為優(yōu)選實施例，被測物體與調(diào)制器位置不變，控制一維移動臺以固定步長δ對ccd相機進行軸向疊層掃描，獲得光源通過固定位置被測物物體后傳播距離m到未知調(diào)制器，透過未知調(diào)制器后傳播距離kn到ccd相機靶面的衍射光斑。

24、作為優(yōu)選實施例，kn＝k+(n-1)δ為第n次掃描所對應(yīng)調(diào)制器與ccd相機之間波前傳輸距離，l為初始距離。

25、本發(fā)明的技術(shù)原理：本發(fā)明在相干衍射成像實驗系統(tǒng)中加入一塊未被標(biāo)定的隨機相位板對被測物體出射波前進行調(diào)制，提升成像精度。在實驗中，進行垂直于光路平面的二維掃描或沿光路方向上的一維軸向掃描，掃描獲得的衍射強度圖輸入重建算法獲得調(diào)制器的復(fù)振幅分布以及被測物體的復(fù)振幅分布。本發(fā)明基于兩類掃描方法，提出了兩類實施例及其迭代算法：實施例一通過垂直光路平面的二維掃描的衍射強度圖重建固定的調(diào)制器以及掃描平面的被測物體信息；實施例二通過光軸軸向掃描獲得的衍射強度圖重建固定調(diào)制器及被測物體信息。

26、有益效果：

27、本發(fā)明針對相干衍射成像技術(shù)存在的收斂性差、重建精度差及易陷入局部最優(yōu)解等問題，提出了一種加入未知調(diào)制的掃描系統(tǒng)，實現(xiàn)了：

28、1、在光路中加入調(diào)制器，獲得更高的重建精度，對比cdi算法，通過加入了一個固定的精密未知調(diào)制器件，極大提高了相干衍射成像的分辨率；

29、2、對被測物體掃描，通過掃描獲得的一組衍射強度圖恢復(fù)兩個平面，對比pie算法，該方法在保證分辨率的前提下增加了調(diào)制器平面數(shù)據(jù)重構(gòu)；

30、3、重建未知調(diào)制器數(shù)據(jù)，避免了對復(fù)雜分布調(diào)制器的精確標(biāo)定過程，對比cmi算法，該方法不需要提前對調(diào)制器進行精確標(biāo)定，極大簡化了實驗過程同時減少了計算量。

技術(shù)特征：

1.一種基于調(diào)制的疊層掃描成像系統(tǒng)，其特征在于，包括激光器、擴束器、準直透鏡構(gòu)成的光源1、被測物體2、隨機相位板3、ccd相機4、一維移動臺5、二維移動臺6，所述激光器經(jīng)過擴束準直后出射平行光作為光源，所述二維移動臺6與被測物體2連接，實現(xiàn)垂直光軸方向二維掃描，所述隨機相位板作3為波前調(diào)制器件，置于被測物體2及ccd相機之間，所述ccd相機4用于接收被測物體2平面出射波前經(jīng)過調(diào)制后的衍射光場，所述一維移動臺5與ccd相機連接，實現(xiàn)沿波前傳輸方向一維進給。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于調(diào)制的疊層掃描成像系統(tǒng)，其特征在于，光源1沿水平方向固定，被測物體2與二維移動臺6連接并安裝于光源1的出射端，被測物體2的后方放置一塊未被標(biāo)定的隨機相位板3作為調(diào)制器，ccd相機4與一維移動臺5連接，并安裝在隨機相位板3的后方。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于調(diào)制的疊層掃描成像系統(tǒng)，其特征在于，調(diào)節(jié)光路，滿足ccd相機的靶面、被測物體2的平面、二維移動臺6的掃描平面均垂直于波前傳輸方向，同時滿足一維移動臺5的進給沿光軸方向。

4.一種如權(quán)利要求1所述的基于調(diào)制的疊層掃描成像系統(tǒng)的操作方法，其特征在于，根據(jù)搭建的實驗系統(tǒng)通過兩種實驗方法獲得不同衍射強度圖，重構(gòu)被測物體以及調(diào)制平面，在cdi實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在ccd相機前端放置一塊未知分布的隨機相位板作為調(diào)制器件，通過多幀疊層掃描及算法重建被測物體以及調(diào)制器信息，具體包括如下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于調(diào)制的疊層掃描成像系統(tǒng)的操作方法，其特征在于，ccd相機與調(diào)制器位置不變，控制二維移動臺以一定步長移動對被測物體進行二維疊層掃描，光源照明不同位置的被測物體后傳播距離m后通過調(diào)制器，傳播距離k后到ccd相機靶面，從而獲得衍射光斑。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于調(diào)制的疊層掃描成像系統(tǒng)的操作方法，其特征在于，任意位置設(shè)為n，n對應(yīng)的衍射強度為表示波前傳輸過程、on表示第n個掃描孔徑對應(yīng)被測物體信息，m表示被測物體與調(diào)制器之間距離，k表示調(diào)制器與ccd相機之間距離。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于調(diào)制的疊層掃描成像系統(tǒng)的操作方法，其特征在于，被測物體與調(diào)制器位置不變，控制一維移動臺以固定步長δ對ccd相機進行軸向疊層掃描，獲得光源通過固定位置被測物物體后傳播距離m到未知調(diào)制器，透過未知調(diào)制器后傳播距離kn到ccd相機靶面的衍射光斑。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于調(diào)制的疊層掃描成像系統(tǒng)的操作方法，其特征在于，kn＝l+(n-1)δ為第n次掃描所對應(yīng)調(diào)制器與ccd相機之間波前傳輸距離，l為初始距離。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于調(diào)制的疊層掃描成像系統(tǒng)及其操作方法，在相干衍射成像的光路中，CCD相機前固定一未知分布的調(diào)制器，通過疊層掃描或軸向掃描方法對被測物體及未知調(diào)制器的復(fù)振幅信息進行重構(gòu)。CCD相機與調(diào)制器位置不變，控制二維移動臺以一定步長移動對被測物體進行二維疊層掃描；被測物體與調(diào)制器位置不變，控制一維移動臺以固定步長對CCD相機進行軸向疊層掃描。算法重構(gòu)過程中。本發(fā)明在光路中加入調(diào)制器，獲得更高的重建精度，對比CDI算法，通過加入了一個固定的精密未知調(diào)制器件，極大提高了相干衍射成像的分辨率。

技術(shù)研發(fā)人員：魏慶永,林星羽,于瀛潔
受保護的技術(shù)使用者：上海大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30