单像素离轴探测实现空间波前成像速度提升的装置与方法

本发明属于空间波前测量与单像素成像交叉领域，具体涉及一种单像素离轴探测实现空间波前成像速度提升的装置与方法。

背景技术：

1、单像素成像是一种新兴的计算成像技术，具有高检测灵敏度、宽光谱响应率和精确的时间分辨率等优点。当单像素成像结合干涉测量时，就能够通过单像素探测器检索空间波前信息，实现波前复振幅测量。得益于单像素成像的优势，单像素复振幅测量还可以扩展到更宽波段的波前测量，例如红外成像、太赫兹成像、x射线成像等，在生物医学显微镜、单光子成像、实时成像和透镜测量成像等领域有广泛的适用性。目前基于干涉测量的单像素波前成像有两种实现方式。一种是在系统中引入额外的参考光与信号光干涉，这种方式增加了系统装置的复杂度并且抗干扰能力较差；另一种是通过参考策略引入固有的参考场实现共路干涉。以上两种实现方式大多是基于传统的相移技术，需要多倍的测量，其较慢的测量速度限制了单像素波前测量的实际应用。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于公开一种单像素离轴探测实现空间波前成像速度提升的装置与方法，利用光学相控阵相位可编程控制特性，实现空间波前成像速度提升。本发明与现有的利用相移技术实现空间波前成像的方法相比，在成像质量相似的前提下，节省了数倍的测量时间，适用于生物成像，且透镜测量和快速成像等场合。

2、为实现上述目的，本发明的方法通过如下技术方案实现：

3、一种相控阵共路离轴干涉单像素探测实现空间波前成像速度提升的装置，包括一个4-f系统、相控阵、聚焦透镜、针孔和探测器，其中：

4、所述4-f系统与相控阵同轴，4-f系统包括第一透镜和第二透镜，相控阵位于第二透镜的水平焦距处；所述聚焦透镜、针孔和探测器沿相控阵作用面倾斜12°由近及远依次同轴排列。

5、进一步，相控阵为反射式相控阵，相控阵中包括倾斜相位光栅、参考方式图案和调制基模式。

6、进一步，针孔的孔径r与入射的聚焦透镜的光束的波长和直径以及聚焦透镜的焦距满足关系r≤1.27λf/d，其中λ为光束的波长，f为聚焦透镜的焦距，d为光束的直径。

7、一种相控阵共路离轴干涉单像素探测实现空间波前成像速度提升的方法，基于上述的相控阵共路离轴干涉单像素探测实现空间波前成像速度提升的装置，利用光学相控阵相位分布的可实时编程控制特性，采用共路离轴干涉单像素探测实现空间波前成像速度提升，具体步骤如下：

8、步骤1：搭建相控阵共路离轴干涉单像素探测实现空间波前成像速度提升的实现装置；将目标空间波前通过4-f系统垂直照射引入相控阵作用面，相控阵初始相位分布设置为无调制模式，依据相控阵作用面的出射光束的尺寸和聚焦透镜的焦距确定针孔的孔径r大小；

9、步骤2：确定相控阵要加载的调制模式：相控阵中的倾斜相位光栅用于在信号光束和参考光束之间引入一个离轴角度，产生固定相位差；利用相控阵中的参考方式图案对入射波前进行分区，将入射波前分为参考部分和信号部分，调制基模式用于在信号部分对引入的波前进行空间采样；然后从相控阵反射的未调制波前和调制波前经过聚焦透镜聚焦后发生共路离轴干涉；

10、步骤3：配置相控阵共路离轴干涉单像素探测实现空间波前成像速度提升的装置的初始参数：空间波前成像分辨率m×n，单像素成像采样率φ，相控阵所使用到的镜子数及确定成像视场大小，还需要配置倾斜相位光栅的周期数，即信号光相对于参考光的离轴角度θ；

11、步骤4：向相控阵加载调制模式，探测器采集经聚焦透镜聚焦后的信号强度，将单像素成像产生的φ×m×n个调制模式顺序加载至相控阵，同时探测器采集与每个调制模式对应的傅里叶平面中心点信号强度值；

12、步骤5：重建所成像目标的离轴全息图：依据单像素探测器采集与每个调制模式对应的傅里叶平面中心点干涉信号强度值，最终利用单像素重建算法重建得到目标的离轴全息图；

13、步骤6：重建目标空间波前：依据重建的离轴全息图，通过傅里叶条纹分析法，恢复目标物体的空间波前，得到目标空间波前的振幅和相位。

14、进一步，步骤2中的调制基模式包括：哈达玛变换基模式、离散余弦变换基模式和傅里叶变换基模式。

15、进一步，步骤2中的相控阵的类型为：纯相位液晶空间光调制器、数字微镜器件、铁电液晶空间光调制器、振幅液晶空间光调制器通过lee方法或超像素方法间接实现纯相位调制器或者超构表面。

16、进一步，所述步骤2中的参考方式图案包括：棋盘格参考方式图案、外参考方式图案和随机参考方式图案。

17、综上所述，发明具有以下有益效果：

18、本发明充分利用光学相控阵相位分布的可实时编程控制特性，在共路离轴干涉单像素探测实现空间波前成像速度提升的实现装置上，采用共路离轴干涉单像素探测实现空间波前成像速度提升的方法来实现空间波前成像速度的提升，具有如下优点：

19、1、相比较于传统的相移干涉技术，在实现相近成像质量的同时节省了数倍的测量时间。适合于生物医学成像、透镜测量、宽光谱波前复振幅测量和实时成像等领域的应用场合。

20、2、结构简单，方法灵活，可根据成像需求灵活选取不同的参考方式图案；

21、3、可实现现有大部分不同调制基模式的单像素成像进行空间波前成像。

技术特征：

1.一种相控阵共路离轴干涉单像素探测实现空间波前成像速度提升的装置，其特征在于，包括一个4-f系统、相控阵(3)、聚焦透镜(4)、针孔(5)和探测器(6)，其中：

2.根据权利要求1所述的相控阵共路离轴干涉单像素探测实现空间波前成像速度提升的装置，其特征在于，所述相控阵(3)为反射式相控阵，相控阵(3)中包括倾斜相位光栅、参考方式图案和调制基模式。

3.根据权利要求1所述的相控阵共路离轴干涉单像素探测实现空间波前成像速度提升的装置，其特征在于，所述针孔(5)的孔径r与入射的聚焦透镜(4)的光束的波长和直径以及聚焦透镜(4)的焦距满足关系r≤1.27λf/d，其中λ为光束的波长，f为聚焦透镜(4)的焦距，d为光束的直径。

4.一种相控阵共路离轴干涉单像素探测实现空间波前成像速度提升的方法，基于权利要求1～3任一权利要求所述的相控阵共路离轴干涉单像素探测实现空间波前成像速度提升的装置，其特征在于，利用光学相控阵相位分布的可实时编程控制特性，采用共路离轴干涉单像素探测实现空间波前成像速度提升，具体步骤如下：

5.根据权利要求4所述的相控阵共路离轴干涉单像素探测实现空间波前成像速度提升的方法，其特征在于：所述步骤2中的调制基模式包括：哈达玛变换基模式、离散余弦变换基模式和傅里叶变换基模式。

6.根据权利要求4所述的相控阵共路离轴干涉单像素探测实现空间波前成像速度提升的方法，其特征在于：所述步骤2中的相控阵的类型为：纯相位液晶空间光调制器、数字微镜器件、铁电液晶空间光调制器、振幅液晶空间光调制器通过lee方法或超像素方法间接实现纯相位调制器或者超构表面。

7.根据权利要求4所述的相控阵共路离轴干涉单像素探测实现空间波前成像速度提升的方法，其特征在于：所述步骤2中的参考方式图案包括：棋盘格参考方式图案、外参考方式图案和随机参考方式图案。

技术总结
本发明属于空间波前测量与单像素成像交叉领域。目前基于干涉测量的单像素波前成像大多是基于相移技术实现，存在复杂、稳定性差、损失成像分辨率且成像速度慢等缺陷。本发明提供一种相控阵共路离轴干涉单像素探测实现空间波前成像速度提升的装置与方法，利用相控阵的可编程控制特性，设计相应的调制模式实现了单像素共路离轴干涉，大大提升了单像素波前成像的速度，并且根据成像场景需要，是选择最大的成像视场还是更高的成像分辨率，能够灵活选取不同的参考策略。本发明装置简单、稳定性高，波前成像速度显著提高，本发明还适用于更宽波段的波前测量。在生物医学成像、透镜测量、单光子成像以及实时成像等领域有广阔的应用前景。

技术研发人员：王东,杜志恒,翟爱萍,赵文静,何鹏,路雨欣,陶星伏,高泽芳
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15