專利名稱：一種位相物體位相分布的定量測量方法和裝置及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)精密測量及圖像顯示技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種位相物體位相分布的定量測量方法和裝置及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
觀察及顯示純位相物體的方法有多種，主要有相襯法、暗場法、紋影法、刀口法等，這些方法在光學(xué)信息處理、生物醫(yī)學(xué)、材料檢測及科學(xué)研究等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，但這些方法多用于定性觀察，難以實現(xiàn)純位相物體的定量位相分布測量。目前，位相物體的定量測量方法主要有雙點源干涉掃描成像法、微分干涉相襯法、相移干涉法等，這些方法各有優(yōu)缺點，有些不能進行實時測量，有些光學(xué)元件較多，光路調(diào)節(jié)比較復(fù)雜。雖然雙點源干涉掃描成像 法可以實現(xiàn)位相物體位相分布的測量與重構(gòu)成像，但成像時間較長，不能用于實時成像或觀察。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的首要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種位相物體位相分布的定量測量方法。本發(fā)明的另一目的在于提供實現(xiàn)上述位相物體位相分布的定量測量方法的裝置。本發(fā)明的再一目的在于提供所述的裝置的應(yīng)用。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)一種位相物體位相分布的定量測量方法，包括以下步驟(I)由光源發(fā)射一束單色光，經(jīng)光束處理機構(gòu)處理，得到一束平行光；(2)步驟(I)得到的平行光投射到位相物體上，經(jīng)過成像透鏡，利用面陣光電探測器接收并拍攝位相物體，得到位相物體的明場像；沿著光束方向，在成像透鏡后的頻譜面上放置濾波器吸收物體的零級頻譜，利用面陣光電探測器接收并拍攝位相物體，得到位相物體的暗場像；根據(jù)兩幅圖像所攜帶的信息及像光強的理論表達式，利用圖像處理技術(shù)分析明場像和暗場像，得到位相物體的每一點位相值，重構(gòu)位相物體的位相分布或圖像；步驟(I)中所述的光束處理機構(gòu)包括沿著光束前進方向依次共軸排列的擴束透鏡、針孔濾波器和準直透鏡；步驟(2)中所述的成像透鏡優(yōu)選為凸透鏡；步驟(2)中所述的濾波器優(yōu)選為高通濾波器；步驟(2)中所述的利用圖像處理技術(shù)分析明場像和暗場像的具體步驟為分析位相物體的明場像和暗場像上的光強分布，并與理論光強分布進行比較，求出暗場成像的調(diào)制度或反襯度，確定位相定量的求解公式，進而利用暗場成像的光強分布公式定量計算像面上每一點的位相，最后重構(gòu)位相物體的位相分布或圖像；所述的位相物體的位相分布為爐(U) = arccos[l- /(^；)]，其中，I (X，y)為暗場
ο α y)像面光強分布，I0(x, y)為明場像面光強分布；一種實現(xiàn)上述位相物體位相分布 的定量測量方法的裝置，包含光源、擴束透鏡、針孔濾波器、準直透鏡、成像透鏡、用于吸收位相物體零級頻譜的濾波器、面陣光電探測器和用于放置位相物體的裝置；其中，光源、擴束透鏡、針孔濾波器、準直透鏡、成像透鏡、用于吸收位相物體零級頻譜的濾波器和面陣光電探測器沿著光束前進方向依次排列，用于放置位相物體的裝置設(shè)置于準直透鏡和成像透鏡之間；各部件由光具座或光學(xué)平臺固定，各部件之間的距離是可調(diào)的；所述的實現(xiàn)位相物體位相分布的定量測量方法的裝置，還包含計算機，計算機與面陣光電探測器連接；所述的實現(xiàn)位相物體位相分布的定量測量方法的裝置優(yōu)選含有兩塊成像透鏡，此時，該裝置的結(jié)構(gòu)為光源、擴束透鏡、針孔濾波器、準直透鏡、成像透鏡I、用于吸收位相物體零級頻譜的濾波器、成像透鏡II和面陣光電探測器沿著光束前進方向依次排列，用于放置位相物體的裝置設(shè)置于準直透鏡和成像透鏡I之間；所述的實現(xiàn)位相物體位相分布的定量測量方法的裝置，還包含屏蔽罩，屏蔽罩設(shè)置于所有部件的外部，優(yōu)選設(shè)置于成像透鏡、用于吸收位相物體零級頻譜的濾波器和面陣光電探測器的外部；屏蔽罩有利于降低環(huán)境光、雜散光對測量光強的影響；所述的光源優(yōu)選為單色光源，更優(yōu)選為各種小功率連續(xù)波激光器，如He-Ne激光器及半導(dǎo)體激光器；所述的光源為復(fù)色光源時，所述的裝置還包含濾色片，濾色片位于光源和擴束透鏡之間；所述的成像透鏡優(yōu)選為凸透鏡；所述的用于吸收位相物體零級頻譜的濾波器優(yōu)選為高通濾波器；所述的裝置用于實時定量檢測位相物體，具體包括以下步驟(I)打開光源，如果經(jīng)過準直透鏡的光不是光斑均勻的平行光，則需微調(diào)擴束透鏡、針孔濾波器和準直透鏡，最終得到一束光斑均勻的平行光；(2)移開用于吸收位相物體零級頻譜的濾波器，將位相物體置于用于放置位相物體的裝置中，調(diào)節(jié)成像透鏡與位相物體的距離，使位相物體成像于面陣光電探測器的受光面上，得到位相物體的明場像；(3)將用于吸收位相物體零級頻譜的濾波器調(diào)整位于成像透鏡的頻譜面或焦面上，通過面陣光電探測器，得到位相物體的暗場像；(4)將步驟(2)得到的明場像和步驟(3)得到的暗場像輸送到計算機，利用圖像處理技術(shù)分析計算得到位相物體的位相分布及位相物體的重構(gòu)像；步驟(2)和步驟(3)的順序可調(diào)換，即可先獲得暗場像，再獲得明場像；所述的裝置用于實時定量檢測位相物體，還包括以下步驟采集背景光和面陣光電探測器的本底噪聲，在圖像處理中，將其消除。本發(fā)明依據(jù)位相物體透鏡成像原理，分別記錄明場及暗場時的位相物體成像光強分布，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)對得到的信息進行計算，并與理論光強分布進行比較，求出暗場成像的調(diào)制度或反襯度，確定位相定量的求解公式，進而利用暗場成像的光強分布公式定量計算像面上每一點的位相，最后重構(gòu)位相物體的位相分布或圖像。
假設(shè)位相物體的透過率函數(shù)為t (Λ·，V) = Aeilpix '0(I)其中例χ.V)為位相物體的位相分布，A為一常數(shù)，表示物體對入射光的均勻吸收；則透過位相物體的光場為
f(x,y) = Kx, y) = Ae-ix^{2)將式(2)寫成 =/(^7) = 41 + ^0-!](3)經(jīng)過成像透鏡，即對式(3)進行傅立葉變換，得到在頻譜面上的頻譜為 -(X)式(4)中Φ (X，y)為妒(X, 的傅立葉變換，其中第一項零級頻譜，對應(yīng)直流分量，第二項為位相物體的交流頻譜，分布在零級頻譜周圍；在頻譜面上加上高通濾波器，其空間濾波函數(shù)為
H(f J0 Λ=/ν=ο附近
Hifx Jy) = \其他(5)通過高通濾波器的光場復(fù)振幅為F, (fx, fy) =F(fx, fy)H(fx, fy) =A[Φ (fx, fy)- δ (fx, fy)](6)對式(6)進行傅立葉逆變換，得到像面上的光場復(fù)振幅為
/(#= . 汽 命命抑-I](7)
—O)因此，得到暗場法像面上的光強分布為
=fi^y)f^{^y) =2^[l-co 概分](g)貝Ij
I (X y)
(P、人 y)=⑴'c cos[l — ~^r]( 9 i移開濾波器，即不吸收零級頻譜，則物體在像面的光場復(fù)振幅為
/(U0)則明場光強分布為I0(x, y) = " (x, y)f" *(x, y) =A2(11)則 ( 9 )式可以寫成
權(quán)利要求
1.一種位相物體位相分布的定量測量方法，其特征在于包括以下步驟 (1)由光源發(fā)射一束單色光，經(jīng)光束處理機構(gòu)處理，得到一束平行光； (2)步驟(I)得到的平行光投射到位相物體上，經(jīng)過成像透鏡，利用面陣光電探測器接收并拍攝位相物體，得到位相物體的明場像；沿著光束方向，在成像透鏡后的頻譜面上放置濾波器吸收物體的零級頻譜，利用面陣光電探測器接收并拍攝位相物體，得到位相物體的暗場像；根據(jù)兩幅圖像所攜帶的信息及像光強的理論表達式，利用圖像處理技術(shù)分析明場像和暗場像，得到位相物體的每一點位相值，重構(gòu)位相物體的位相分布或圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的位相物體位相分布的定量測量方法，其特征在于步驟(I)中所述的光束處理機構(gòu)包括沿著光束前進方向依次共軸排列的擴束透鏡、針孔濾波器和準直透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的位相物體位相分布的定量測量方法，其特征在于步驟(2)中所述的成像透鏡為凸透鏡； 步驟(2)中所述的濾波器為高通濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的位相物體位相分布的定量測量方法，其特征在于步驟(2)中所述的利用圖像處理技術(shù)分析明場像和暗場像的具體步驟為分析位相物體的明場像和暗場像上的光強分布，并與理論光強分布進行比較，求出暗場成像的調(diào)制度或反襯度，確定位相定量的求解公式，進而利用暗場成像的光強分布公式定量計算像面上每一點的位相，最后重構(gòu)位相物體的位相分布或圖像； 所述的位相物體的位相分布為= arccos[l —，其中，I (x, y)為暗場像面光強分布，I0(x, Y)為明場像面光強分布。
5.一種實現(xiàn)權(quán)利要求I 4任一項所述位相物體位相分布的定量測量方法的裝置，其特征在于包含光源、擴束透鏡、針孔濾波器、準直透鏡、成像透鏡、用于吸收位相物體零級頻譜的濾波器、面陣光電探測器和用于放置位相物體的裝置；其中，光源、擴束透鏡、針孔濾波器、準直透鏡、成像透鏡、用于吸收位相物體零級頻譜的濾波器和面陣光電探測器沿著光束前進方向依次排列，用于放置位相物體的裝置設(shè)置于準直透鏡和成像透鏡之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的實現(xiàn)位相物體位相分布的定量測量方法的裝置，其特征在于所述的成像透鏡的數(shù)量為兩塊時，該裝置的結(jié)構(gòu)為光源、擴束透鏡、針孔濾波器、準直透鏡、成像透鏡I、用于吸收位相物體零級頻譜的濾波器、成像透鏡II和面陣光電探測器沿著光束前進方向依次排列，用于放置位相物體的裝置設(shè)置于準直透鏡和成像透鏡I之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的實現(xiàn)位相物體位相分布的定量測量方法的裝置，其特征在于還包含計算機，計算機與面陣光電探測器連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的實現(xiàn)位相物體位相分布的定量測量方法的裝置，其特征在于還包含屏蔽罩，屏蔽罩設(shè)置于所有部件的外部。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的實現(xiàn)位相物體位相分布的定量測量方法的裝置，其特征在于所述的光源為單色光源或復(fù)色光源；所述的光源為復(fù)色光源時，所述的裝置還包含濾色片，濾色片位于光源和擴束透鏡之間； 所述的成像透鏡為凸透鏡； 所述的用于吸收位相物體零級頻譜的濾波器為高通濾波器。
10.權(quán)利要求5所述的裝置的應(yīng)用，其特征在于包括以下步驟 (1)打開光源，如果經(jīng)過準直透鏡的光不是光斑均勻的平行光，則需微調(diào)擴束透鏡、針孔濾波器和準直透鏡，最終得到一束光斑均勻的平行光； (2)移開用于吸收位相物體零級頻譜的濾波器，將位相物體置于用于放置位相物體的裝置中，調(diào)節(jié)成像透鏡與位相物體的距離，使位相物體成像于面陣光電探測器的受光面上，得到位相物體的明場像； (3)將用于吸收位相物體零級頻譜的濾波器調(diào)整位于成像透鏡的頻譜面或焦面上，通過面陣光電探測器，得到位相物體的暗場像； (4)將步驟(2)得到的明場像和步驟(3)得到的暗場像輸送到計算機，利用圖像處理技術(shù)分析計算得到位相物體的位相分布及位相物體的重構(gòu)像。
全文摘要
本發(fā)明公開一種位相物體位相分布的定量測量方法和裝置及其應(yīng)用。該方法為將平行光投射到位相物體上，經(jīng)過成像透鏡，得到位相物體的明場像；沿著光束方向，在成像透鏡后的頻譜面上放置濾波器吸收物體的零級頻譜，得到位相物體的暗場像；根據(jù)兩幅圖像所攜帶的信息及像光強的理論表達式，利用圖像處理技術(shù)分析明場像和暗場像，得到位相物體的每一點位相值，重構(gòu)位相物體的位相分布或圖像。實現(xiàn)該方法的裝置為沿著光束前進方向，光源、擴束透鏡、針孔濾波器、準直透鏡、用于放置位相物體的裝置、成像透鏡、用于吸收位相物體零級頻譜的濾波器和面陣光電探測器依次排列。本發(fā)明實現(xiàn)了位相物體的定量測量，測量位相范圍0～π，裝置簡單，成本低。
文檔編號G01B11/00GK102878930SQ201210402898
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月19日
發(fā)明者黃佐華, 曾映智 申請人:華南師范大學(xué)