本发明涉及一种高质量鲁棒部分相干成像方法及装置，该方法将部分相干场表示为互不相关的完全相干场叠加，通过调控交叉谱密度函数中的相关参数以及目标强度灰度矩阵，在远场处对所需要的目标强度进行成像；通过将交叉谱密度函数离散化表示为不同模式的非相干叠加的形式，在数字微镜器件或者空间光调制器上连续播放不同的全息图，来实现不同模式的非相干叠加，从而高效地对所需要的目标进行成像。成像装置结构简单，并且实验能量利用率较高，鲁棒性好，具有非常实用的价值。
1.一种高质量鲁棒部分相干成像方法，其特征在于，该方法基于成像装置实现，成像装置包括激光器(1)、扩束镜(2)、线偏器(3)、反射镜(4)、空间光调制器(5)、4f系统、薄透镜(9)和光束分析仪(10)；
激光器(1)发出的激光束，经过一个扩束镜(2)，再经过一线偏器(3)，形成一束线偏振激光束，再经过一个反射镜(4)，使得光束照射到空间光调制器(5)上，产生一束具有特殊统计特性的部分相干线性偏振光束；产生的部分相干光束经过4f系统，得到一束准直并滤波之后的一级衍射光，此光束即为能够对目标进行成像的部分相干光束；产生的部分相干光束经过一个薄透镜(9)进行聚焦，聚焦后的部分相干光束具有成像目标的特性；光束分析仪(10)连接计算机在薄透镜(9)的焦点处对产生的部分相干光束光场进行测量，得到所需要的目标强度成像图像；
成像方法包括：构造部分相干光束的交叉谱密度函数，来操控光束在远场处对所需要的目标进行成像；在源平面上构造具有特殊传输特性的部分相干光场交叉谱密度，其函数表达式为：具有二阶统计特性的光束可在通过透镜传输后实现部分相干成像，在远场处产生所需要的目标光强分布；其中r1＝(x1,y1)，r2＝(x2,y2)表示源平面上任意两点的位置矢量，是初始光强，σ是光束束腰宽度，当σ趋向于无穷大时，可等效于平面波入射；δ表示部分相干光束的交叉谱密度函数中的关联结构的关联宽度，a是可调控的间距参数，调控远场光强上各像素之间的距离，N和M控制成像图像的像素的个数，F(m,n)代表成像目标强度灰度矩阵，控制部分相干成像的目标强度分布；通过调控N、M、δ、a、F(m,n)，实现部分相干成像；选择不同的参数，可调控远场处所需的成像目标光强分布。
2.根据权利要求1所述的高质量鲁棒部分相干成像方法，其特征在于，当关联宽度δ趋向于无穷大时，交叉谱密度函数退化为：此时部分相干光成像退化为完全相干光成像，初始交叉谱密度函数对应的电场为：
3.根据权利要求1所述的高质量鲁棒部分相干成像方法，其特征在于，部分相干场表示为互不相关的完全相干场叠加；
其中，αpq是展开系数，ψpq(r)是相干模式，展开系数为
其中，vpq＝(vp,vq)表示随机变量，C代表归一化系数，F(m,n)代表图像强度灰度矩阵，每个m和n对应一个像素点；把图像灰度信息和对应的离散高斯点结合，将灰度矩阵转化为带空间坐标的信息，从而将图像信息转移到展开系数中。
4.根据权利要求1所述的高质量鲁棒部分相干成像方法，其特征在于，完全相干光实现成像时，在源平面上的电场函数表达式为：
其中(x,y)表示源平面上任意一点的位置矢量，exp[‑(x+y)/σ]是初始光强；
具有电场函数分布的完全相干光束在经过傍轴光学系统传输之后实现成像，其输出面上的光强为：其中k＝2π/λ为波数，λ为入射光波长，(xo,yo)表示输出面上任意一点的位置矢量；A 和B代表傍轴光学系统的传输矩阵；通过输出面的光强表达式，即可理论模拟完全相干成像。
5.根据权利要求1所述的高质量鲁棒部分相干成像方法，其特征在于，在空间光调制器上连续播放不同的全息图，来实现不同模式的非相干叠加，从而产生需要的部分相干光束。
6.根据权利要求1所述的高质量鲁棒部分相干成像方法，其特征在于，在空间光调制器(5)上连续播放不同的全息图，来实现不同模式的非相干叠加，从而产生需要的部分相干光束。
7.根据权利要求1所述的高质量鲁棒部分相干成像方法，其特征在于，4f系统包括依次设置的第一薄透镜(6)、小孔光阑(7)和第二薄透镜(8)。
8.根据权利要求1所述的高质量鲁棒部分相干成像方法，其特征在于，4f系统仅包含小孔光阑。
9.根据权利要求1所述的高质量鲁棒部分相干成像方法，其特征在于，空间光调制器(5)替换为数字微镜器件。
一种高质量鲁棒部分相干成像方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及激光领域，具体涉及一种高质量鲁棒部分相干成像方法及装置。
背景技术
[0002] 人眼获取的视觉信息是人类了解外界变化的主要途径之一，然而人眼却存在一定局限性，在某些方面受限于视觉的性能。可利用数字全息、显微镜等各类相干成像系统提升人眼的视觉性能。
[0003] 传统的相干光场成像记录与重构方法，一是引入参考光将像面的相位信息转化为干涉条纹的光强信息，并利用相干光场成像衍射理论重构物面光场信息；二是直接获取像面光强信息，并利用迭代优化的相位恢复算法重构物像相位。但是，干涉法会存在相干噪声限制其成像的质量，且成像过程很难配置像面物光与参考光的干涉光路；基于迭代优化的相位恢复算法应用的是物面和像面的强度约束，不考虑成像面的相位约束，其无法重构成像面准确相位，且迭代过程比较耗费时间。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种高质量鲁棒部分相干成像方法及装置，主要操控部分相干光束在通过透镜衍射传输后实现成像，在远场处对所需要的目标强度进行成像。
[0005] 为实现本发明目的采用如下技术方案：一种高质量鲁棒部分相干成像方法，构造部分相干光束的交叉谱密度函数，来操控光束在远场处对所需要的目标进行成像；在源平面上构造具有特殊传输特性的部分相干光场交叉谱密度，其函数表达式为：
[0006]
[0007] 具有该二阶统计特性的光束可在通过透镜传输后实现部分相干成像，在远场处产生所需要的目标光强分布；其中r1＝(x1,y1)，r2＝(x2，y2)表示源平面上任意两点的位置矢量， 是初始光强，σ是光束束腰宽度，当σ趋向于无穷大时，可等效于平面波入射；δ表示该部分相干函数中的关联结构的关联宽度，a是可调控的间距参数，调控远场光强上各像素之间的距离，N和M控制成像图像的像素的个数，F(m,n)代表成像目标强度灰度矩阵，控制部分相干成像的目标强度分布；通过调控N、M、δ、a、F(m,n)，理论上可以实现高质量鲁棒的部分相干成像，即成像光斑质量很好并且可以很密集，鲁棒性较好；选择不同的参数，可以灵活的调控远场处所需的成像目标光强分布。
[0008] 进一步的，当关联宽度δ趋向于无穷大时，交叉谱密度函数退化为：
[0009]
[0010] 此时部分相干光成像退化为完全相干光成像，初始交叉谱密度函数对应的电场为：
[0011]
[0012] 对于完全相干光成像，理论模拟成像质量和部分相干光束成像相同，只是在实际应用时，鲁棒性稍差一些。
[0013] 进一步的，展开系数为
[0014]其中，vpq＝(vp,vq)表示随机变量，C代表归一化系数，F(m,n)代表图像强度灰度矩阵，每个m和n对应一个像素点。把图像灰度信息和对应的离散高斯点结合，将灰度矩阵转化为带空间坐标的信息，从而将图像信息转移到展开系数中。
[0015] 进一步的，完全相干光实现成像时，在源平面上的电场函数表达式为：
[0016]
[0017] 其中(x,y)表示源平面上任意一点的位置矢量，exp[‑(x2+y2)/σ2]是初始光强，σ是光束束腰宽度，当σ趋向于无穷大时，可等效于平面波入射；a是可调控的间距参数，N和M控制成像图像的像素的个数，F(m,n)代表成像目标强度灰度矩阵；具有该电场函数分布的完全相干光束在经过傍轴光学系统传输之后实现成像，其输出面上的光强为：
[0018]
[0019] 其中k＝2π/λ为波数，λ为入射光波长，(xo,yo)表示输出面上任意一点的位置矢量；A和B代表傍轴光学系统的传输矩阵。通过输出面的光强表达式，即可理论模拟完全相干成像。
[0020] 进一步的，在空间光调制器上连续播放不同的全息图，来实现不同模式的非相干叠加，从而产生需要的部分相干光束。
[0021] 一种实现高质量鲁棒部分相干成像装置，包括激光器、扩束镜、线偏器、反射镜、空间光调制器、4f系统、薄透镜和光束分析仪；
[0022] 激光器发出的激光束，经过一个扩束镜，再经过一线偏器，形成一束线偏振激光束，再经过一个反射镜，使得光束照射到空间光调制器上，产生一束具有特殊统计特性的部分相干线性偏振光束；产生的部分相干光束经过4f系统，得到一束准直并滤波之后的一级衍射光，此光束即为能够对目标进行成像的部分相干光束；产生的部分相干光束经过一个薄透镜进行聚焦，聚焦后的部分相干光束具有成像目标的特性；光束分析仪连接计算机在薄透镜的焦点处对产生的部分相干光束光场进行测量，便可得到所需要的目标强度成像图像。
[0023] 进一步的，在空间光调制器上连续播放不同的全息图，来实现不同模式的非相干叠加，从而产生需要的部分相干光束。
[0024] 进一步的，4f系统包括依次设置的第一薄透镜，小孔光阑，第二薄透镜。
[0025] 进一步的，4f系统仅包含小孔光阑。
[0026] 进一步的，空间光调制器替换为数字微镜器件。
[0027] 与现有技术相比，本发明的有益特点为：激光通过反射镜照射到数字微镜器件或者空间光调制器上，可以便利地调控产生部分相干光束的相干性，光束的光斑大小可以通过扩束镜的放大倍数来控制；本发明通过控制部分相干光束交叉谱密度函数中的相干参数δ，间距参数a以及成像目标强度灰度矩阵F(m,n)，利用数字微镜器件或者空间光调制器连续播放不同的全息片，可简便的得到产生需要的部分相干光束，进而在远场处对所需要的目标进行成像。该实验方案克服了能量利用率低的问题，有望拓展部分相干成像等领域。
附图说明
[0028] 图1是本发明的一种高质量鲁棒部分相干成像方法的实验装置示意图。
[0029] 图2是部分相干光成像模拟图。
[0030] 图3是完全相干光成像模拟图。
[0031] 附图中：1‑激光器，2‑扩束镜，3‑线偏器，4‑反射镜，5‑空间光调制器，6‑薄透镜，7‑小孔光阑，8‑薄透镜，9‑薄透镜，10‑光束分析仪
具体实施方式
[0032] 为了克服成像中的噪声以及质量问题，本发明将部分相干场表示为互不相关的完全相干场叠加，通过调控交叉谱密度函数中的相关参数以及目标强度灰度矩阵，在远场处对所需要的目标强度进行成像。实验上通过将交叉谱密度函数离散化表示为不同模式的非相干叠加的形式，在数字微镜器件或者空间光调制器上连续播放不同的全息图，其中每张全息图都携带着不同的随机相位，以便来实现不同模式的非相干叠加，从而高效地对所需要的目标进行成像。实验装置非常简单便捷，并且实验能量利用率较高，鲁棒性好，具有非常实用的价值。
[0033] 结合附图1，本发明提供一种实现高质量鲁棒部分相干成像装置，包括激光器1、扩束镜2、线偏器3、反射镜4、数字微镜器件或空间光调制器5、4f系统、薄透镜9和光束分析仪10。
[0034] 首先激光器1发出的激光束，经过一个扩束镜2，再经过一线偏器3，形成一束线偏振激光束，再经过一个反射镜4，使得光束照射到数字微镜器件或者空间光调制器5上，产生一束具有特殊统计特性的部分相干线性偏振光束；其中，数字微镜器件或者空间光调制器5择一使用。
[0035] 产生的部分相干光束经过薄透镜6、小孔光阑7、薄透镜8组成的4f系统，得到一束准直并滤波之后的一级衍射光，此光束就是能够对目标进行成像的部分相干光束，其中此4f滤波系统也可以用一个光阑代替；
[0036] 产生的部分相干光束经过一个薄透镜9进行聚焦，聚焦后的部分相干光束具有成像目标的特性，
[0037] 用光束分析仪10连接计算机在薄透镜9的焦点处对产生的部分相干光束光场进行测量，便可得到所需要的目标强度成像图像；
[0038] 本发明在数字微镜器件或者空间光调制器上连续播放不同的全息图，来实现不同模式的非相干叠加，从而产生需要的部分相干光束。
[0039] 其中一种可选的实施方式中，4f系统包括依次设置的第一薄透镜6、小孔光阑7和第二薄透镜8。
[0040] 另一可选的实施方式中，4f系统仅包括小孔光阑。
[0041] 本发明还提出一种实现高质量鲁棒部分相干成像方法。首先在源平面上构造具有特殊传输特性的部分相干光场交叉谱密度，其函数表达式为：
[0042]
[0043] 其中r1＝(x1,y1)，r2＝(x2,y2)表示源平面上两点的位置矢量，是初始光强，σ是光束束腰宽度，当σ趋向于无穷大时，可等效于平面波入射。δ表示该部分相干函数中的关联结构的关联宽度，a是可调控的间距参数，调控远场光强上各像素之间的距离，M、N表示远场光强的像素个数相关的参数，F(m,n)代表成像目标强度灰度矩阵。
[0044] 式(1)描述的光束经过一个光学系统后，其在透镜焦场处的交叉谱密度函数表达式可由傍轴传输衍射积分表示：
[0045]
[0046] 其中，λ为入射光波长，ABCD代表傍轴光学系统的传输矩阵，将式(1)带入式(2)，再令位置点矢量ρ1＝ρ2＝ρ，可得到其在透镜焦场处的光强度分布：
[0047]
[0048] 其中，有如下的参数代换：
[0049]
[0050]
[0051] 其中ρ＝(ρx,ρy)是接收面上位置矢量，f为聚焦透镜的焦距，z代表部分相干光束的传输距离，当z＝f时，光束传播到透镜的焦点位置，也就是相当于远场。通过(3)式可以计算得到光束通过透镜传输后在透镜焦点处的强度分布，即在远场处实现对目标强度的部分相干成像。
[0052] 类似地，当关联宽度δ趋向于无穷大时，此时部分相干光成像退化为完全相干光成像，在源平面上的电场函数表达式为：
[0053]
[0054] 傍轴传输之后的电场利用菲涅尔衍射计算，表示为
[0055]
[0056] 将式(6)带入式(7)，可得到传输后的电场表达式为
[0057]
[0058] 则传输后的光强为：
[0059]
[0060] 其中(xo,yo)是接收面上位置矢量，“*”代表复共轭，z代表部分相干光束的传输距离。
[0061] 在部分相干情况下，当相干长度趋向无穷大时，退化为完全相干，其焦点处的强度和完全相干时的强度相比较，发现完全相干情况下，光束在透镜焦点处的强度多了一些交叉项，这会对成像质量造成影响，但是对于完全相干光成像，理论模拟成像质量和部分相干光束成像相同，只是在实际应用时，鲁棒性稍差一些。
[0062] 这种部分相干成像具体实现方法在于将部分相干场表示为互不相关的完全相干场叠加，
[0063]
[0064] 其中，αpq是展开系数，ψpq(r)是相干模式。由于相干模式互相不相关，可以将相干模独立的传输出去，在按照公式(10)在输出平面构造交叉谱密度函数，展开系数在传输之后没有变化，这种方法能够便利的生成部分相干光束。在此实例中，展开系数和相干模式分别表示为
[0065]
[0066]
[0067] 其中，vpq＝(vp,vq)表示随机变量，C代表归一化系数。每个m和n对应一个像素点。把图像灰度信息和对应的离散高斯点结合，将灰度矩阵转化为带空间坐标的信息，从而将图像信息转移到展开系数中。为了实现这种不同模式之间的非相干叠加，将具有一定透过率的全息图连续播放到数字微镜器件或者空间光调制器上，再对时间做统计平均，即可得到交叉谱密度函数结构，从而得到部分相干光束，实现在远场处对目标的强度成像。
[0068] 下面结合实施例对本发明进行详细描述。
[0069] 实施例
[0070] 如图1所示，为本发明提出的一种高质量鲁棒部分相干成像方法的实验装置示意图，首先激光器1发出的激光束，经过一个扩束镜2，再经过一线偏器3，形成一束线偏振激光束，再经过一个反射镜4，使得光束照射到空间光调制器5上，产生一束具有特殊统计特性的部分相干线性偏振光束；然后产生的部分相干光束经过薄透镜6，小孔光阑7，薄透镜8组成的4f系统，得到一束准直并滤波之后的一级衍射光，此光束就是能够对目标进行成像的部分相干光束，其中此4f滤波系统也可以用一个小孔光阑代替；产生的部分相干光束经过一个薄透镜9进行聚焦，聚焦后的部分相干光束具有成像目标的特性，最后光束分析仪10连接计算机在薄透镜9的焦点处对产生的部分相干光束光场进行测量，便可得到所需要的目标强度成像图像；其中薄透镜6的焦距和薄透镜8焦距一样，薄透镜9焦距为150mm。
[0071] 如图2所示，为部分相干光成像模拟图。参数选取：λ＝632.8nm，f＝150mm，σ＝0.6mm，δ＝1mm，a＝1.5mm，M＝N＝140，发现理论上在远场处可以得到高质量鲁棒的部分相干成像图形。
[0072] 如图3所示，为完全相干光成像模拟图。参数选取：λ＝632.8nm，f＝150mm，σ＝0.6mm，a＝1.5mm，M＝N＝140，发现理论上模拟成像质量和部分相干光束成像相同。
