基于光強(qiáng)傳輸方程的實(shí)時(shí)定量相位檢測(cè)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于光強(qiáng)傳輸方程的實(shí)時(shí)定量相位檢測(cè)裝置，屬于光學(xué)測(cè)量和三 維成像技術(shù)領(lǐng)域。 技術(shù)背景
[0002] 相位的定量檢測(cè)是光學(xué)測(cè)量與三維成像技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題，無(wú)論是在 生物醫(yī)學(xué)、波陣面重構(gòu)還是表面形貌檢測(cè)等領(lǐng)域中都發(fā)揮著非常重要的作用。眾所周知，光 波是由振幅和相位組成。統(tǒng)計(jì)表明大約有四分之一的信息被編碼在振幅中，而有四分之三 的信息被編碼在相位中。然而，由于光波場(chǎng)的振蕩頻率非常高（IO15Hz),以致目前沒有一個(gè) 光學(xué)傳感器能直接記錄下光波場(chǎng)的振幅和相位信息。目前，干涉測(cè)量法作為最常用的相位 檢測(cè)技術(shù)，可以同時(shí)獲取光波的振幅和相位信息。但是該技術(shù)一般需要高度空間相干和時(shí) 間相干的光源，從而需要較為復(fù)雜的干涉裝置和頗為嚴(yán)格的測(cè)量環(huán)境。
[0003] 基于光強(qiáng)傳輸方程（TransportofIntensityEquation,TIE)的相位檢測(cè)技術(shù) 是一種非干涉測(cè)量技術(shù)。光強(qiáng)傳輸方程實(shí)際上是一個(gè)二階橢圓偏微分方程，其描述了沿光 軸方向上光強(qiáng)的變化量與光波的相位之間的定量關(guān)系。這避免了直接測(cè)量光波場(chǎng)的相位 信息，而是通過測(cè)量與光軸垂直的兩個(gè)或多個(gè)平面上的光場(chǎng)強(qiáng)度，就可以通過求解光強(qiáng)傳 輸方程來直接獲取光波的相位信息。與干涉法相比，其主要優(yōu)點(diǎn)有：非干涉、無(wú)需相位解包 裹、對(duì)光源要求低（白光照明）、光學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求低等。目前，基于光強(qiáng)傳輸 方程的相位檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)專利和產(chǎn)品有：Phaseview公司推出的產(chǎn)品ZeeScan需要通過 單一精密位移臺(tái)控制一臺(tái)相機(jī)先后采集兩個(gè)或者多個(gè)與光軸垂直的平面的光強(qiáng)分布，這無(wú) 可避免地減低了數(shù)據(jù)采集的速度，使得該技術(shù)難以應(yīng)用于實(shí)時(shí)測(cè)量場(chǎng)合。國(guó)際發(fā)明專利 TO2015002614Al和中國(guó)專利CN104345438A公開了一種電控流變透鏡以及4f成像系統(tǒng)實(shí) 現(xiàn)了恒定放大率的快速軸向掃描。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需采用機(jī)械位移裝置即可實(shí)現(xiàn)離聚 焦操作、操作簡(jiǎn)便快捷。但其也存在一些的缺點(diǎn)：首先，需要精確標(biāo)定電控變焦透鏡的輸出 電流和系統(tǒng)離焦量之間的關(guān)系，標(biāo)定結(jié)果將直接決定檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度；其次，目前 電控變焦透鏡在工作過程中，其溫度變化很大，這使得系統(tǒng)輸出電流不穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng) 的穩(wěn)定性變差；另外，輸出電流和電控變焦透鏡的焦距是非線性的，這也給實(shí)際應(yīng)用帶來不 少問題。中國(guó)專利CNl04344793A提出采用空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了單幀圖像的相位檢測(cè)，從而 可實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)態(tài)物體的測(cè)量。但是該技術(shù)存在觀測(cè)視場(chǎng)小、空間分辨率低、空間光調(diào)制器價(jià) 格高等缺點(diǎn)，同時(shí)由于該技術(shù)只采用兩幅光強(qiáng)圖像參與光強(qiáng)傳輸方程的求解，其精度和穩(wěn) 定性相對(duì)較差。中國(guó)專利CN104125382A公開了一種集成多CCD采集讀數(shù)攝像機(jī)采集裝置， 由于該技術(shù)中采用了4臺(tái)位移裝置、4臺(tái)CCD相機(jī)以及3個(gè)分光棱鏡，硬件結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜；其 次，由于開環(huán)精密位移臺(tái)或多或少都存在回程誤差的問題以及各CCD相機(jī)采用獨(dú)立式結(jié)構(gòu) (每個(gè)CCD相機(jī)都固定在相互獨(dú)立的精密位移臺(tái)上），這都容易導(dǎo)致散焦步長(zhǎng)（或離焦量） 的一致性難以保證；另外，其采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的攝像機(jī)鏡頭來收集自然光照攜帶的物體信息， 其實(shí)質(zhì)是一個(gè)非遠(yuǎn)心光路，這會(huì)導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的放大率隨著離焦量的變化而改變，從而使 后期算法變得更加復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于光強(qiáng)傳輸方程的實(shí)時(shí)定量相位檢測(cè)裝置，以解決 現(xiàn)有技術(shù)存在的實(shí)時(shí)性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、離焦量的一致性差、觀測(cè)視場(chǎng)小以及算法求解穩(wěn)定性 差等問題，有效地將光強(qiáng)傳輸方程法應(yīng)用到實(shí)時(shí)觀測(cè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)高速高分辨率的三維定量 相位檢測(cè)。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0006] 基于光強(qiáng)傳輸方程的實(shí)時(shí)定量相位檢測(cè)裝置，包括4f成像系統(tǒng)2、固定支架5、正 交分光棱鏡6、第一精密位移臺(tái)8、第二精密位移臺(tái)10,相機(jī)7、相機(jī)9和相機(jī)11 ;
[0007] 所述4f成像系統(tǒng)2由第一透鏡3和第二透鏡4組成，第一透鏡3和第二透鏡4的 焦距f=f3=f4;4f成像系統(tǒng)的光軸和相機(jī)7、相機(jī)9、相機(jī)11以及正交分光棱鏡6的中心 在同一水平高度且重合；所述相機(jī)7和相機(jī)11固定在第一精密位移臺(tái)8的兩端，通過第一 精密位移臺(tái)8可一次同時(shí)調(diào)節(jié)相機(jī)7、相機(jī)11做一維直線運(yùn)動(dòng)；
[0008] 所述相機(jī)9固定在第二精密位移臺(tái)10上，通過第二精密位移臺(tái)10可調(diào)節(jié)相機(jī)9 做一維直線運(yùn)動(dòng)；
[0009] 所述正交分光棱鏡6安裝在固定支架5上，固定支架5和第一精密位移臺(tái)8安裝 好后不發(fā)生機(jī)械干涉；
[0010] 本發(fā)明的一種基于光強(qiáng)傳輸方程的實(shí)時(shí)定量相位檢測(cè)裝置，其特征在于被測(cè)物體 放置在第一透鏡3的前焦面，攜帶有物體信息的平行光在通過4f成像系統(tǒng)2后，被正交分 光棱鏡6分成三束光并分別成像在相機(jī)7、相機(jī)9、相機(jī)11上；通過第二精密位移臺(tái)10調(diào)節(jié) 相機(jī)9的位置，使其位于第二透鏡4的后焦面上，從而獲得一副聚焦光強(qiáng)圖像；隨后根據(jù)被 測(cè)物體特性，利用第一精密位移臺(tái)10同時(shí)調(diào)節(jié)相機(jī)7、相機(jī)11的位置，使其分別獲得一副欠 焦和過焦光強(qiáng)圖像；在完成上述準(zhǔn)備工作之后，即可通過計(jì)算機(jī)控制并同時(shí)采集欠焦、聚焦 和過焦三幅光強(qiáng)圖像；另外采用圖像配準(zhǔn)方法對(duì)三幅圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，同時(shí)確保圖像尺 寸完全一致；最后通過求解光強(qiáng)傳輸方程，即可實(shí)現(xiàn)物體相位信息的定量獲取。
[0011] 有益效果：
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有顯著優(yōu)點(diǎn)：（1)實(shí)際測(cè)量中，根據(jù)被測(cè)物體的特性， 需要對(duì)兩幅非聚焦（欠焦和過焦）圖像的離焦量進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，以確保測(cè)量精度。由 于本發(fā)明中的用于記錄欠焦和過焦圖像的兩臺(tái)相機(jī)7和相機(jī)11都固定在第一精密位移臺(tái) 8上，因此可以通過一次性調(diào)節(jié)第一精密位移臺(tái)8即可巧妙地實(shí)現(xiàn)兩幅非聚焦圖像的獲取， 這種結(jié)構(gòu)不僅確保了兩幅非聚焦圖像的離焦量絕對(duì)一致，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷。（2)本發(fā) 明僅需要一個(gè)正交分光棱鏡6即可實(shí)現(xiàn)光束的一分為三，而傳統(tǒng)方法需要三個(gè)分光棱鏡才 能實(shí)現(xiàn)，因此，使得本發(fā)明的系統(tǒng)更加緊湊。（3)本發(fā)明采用三臺(tái)相機(jī)分別同時(shí)記錄欠焦、聚 焦和過焦三幅光強(qiáng)圖像，具有實(shí)時(shí)性好、算法精度高的特點(diǎn)。（4)在測(cè)量參數(shù)確定之后，測(cè)量 過程中無(wú)需進(jìn)行任何機(jī)械移動(dòng)與調(diào)整，受溫度和外界環(huán)境影響小，因此，可以得到非常穩(wěn)定 和高精度的相位檢測(cè)結(jié)果。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明基于光強(qiáng)傳輸方程的實(shí)時(shí)定量相位檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖2為本發(fā)明裝置的第一精密位移臺(tái)8、相機(jī)7和相機(jī)11和固定支架5以及正交 分光棱鏡6的安裝不意圖；
[0015] 圖3為本發(fā)明裝置的正交分光棱鏡6的分光特性不意圖；
[0016] 圖4為本發(fā)明裝置測(cè)量透射物體的實(shí)施例示意圖；
[0017] 圖5為本發(fā)明裝置測(cè)量反射型物體的實(shí)施例示意圖；
[0018] 圖6為本發(fā)明裝置用于顯微鏡中的實(shí)施例示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】詳細(xì)介紹本發(fā)明。
[0020] 如圖1所示是基于光強(qiáng)傳輸方程的實(shí)時(shí)定量相位檢測(cè)裝置1，包括4f?成像系統(tǒng)2、 固定支