[发明专利]一种自然光照明下的便携式相位相机系统

说明书

本发明提供一种自然光照明下的便携式相位相机系统，包括消色差透镜、可调滤波器、双透镜系统、CCD和相机处理器，所述可调滤波器设置在消色差透镜的出射光路上，所述双透镜系统设置在可调滤波器的出射光路上，所述CCD设置在双透镜系统的出射光路上，所述相机处理器的信号输入端与CCD的信号输出端连接。本发明避免了传统相位恢复中采集强度图像所引入的机械移动，提高了数据采集速度；同时，可调滤波器的引入，使得本发明可以在少量数据采集的情况下，获得与传统相机同样的采集效果，整个系统能够满足自然场景中实时、快捷、高精度相位采集的需求。

技术领域

本发明涉及光学测量与三维成像技术领域，具体是一种自然光照明下的便携式相位相机系统。

背景技术

光场包含三个重要的参数：振幅、波长和相位。其中75％以上的信息隐藏在相位中。但是光的振动频率达到1015Hz，现有的测量设备如相机系统无法直接获得相位。

基于强度传输方程(Transport of Intensity Equation，TIE)的相位恢复方法仅需要测量待测光波在不同传输距离上的光强分布即可通过求解该方程恢复相位信息。方程形式如下：

其中光波沿着z方向传播，λ代表光波长，I和分别表示z0位置的强度和相位。该方程中，强度的偏导数很难计算，通常需要采集多幅强度图像近似获得。例如，可以使用z0+Δz和z0-Δz位置的强度信息按照如下差分计算公式得到：

基于TIE的相位恢复技术与传统的干涉法相比，无需复杂的光学系统，对于实验环境没有苛刻的要求，而且不需要借助额外的参考光。但是，该方法仍然存在以下两个问题：

(1)方程求解时需要采集多幅强度图像，因此，通常的处理方法是利用单个CCD(或多个CCD)与精密导轨的配合进行上述强度图像的采集。但是，系统每次只能捕捉一幅强度图像，需要通过移动待测物体或者相机来实现多幅强度图像的采集要求，这不可避免地降低了数据采集的速度，同时，强度图像采集中所引入的机械移动也降低了参数测量的精度。例如中国专利CN102281394B提供的便携式采集读数摄像机，该摄像机的原理类似于单个CCD与精密导轨配合的系统，仍然需要通过机械移动获得不同距离的图像。

(2)实验操作需要高相干性的激光作为光源。然而在自然场景或者普通成像环境中，所使用的光源是非相干光或者部分相干光，不能直接用TIE方法求解相位。针对该问题有研究者提出利用白光和拜尔(Bayer)彩色相机，在固定位置处获取一幅彩色图像，由彩色相机内部的滤光片和处理器将彩色图像分解成RGB通道的单色图像。但是该技术需要特定的彩色相机并且会降低恢复相位的分辨率。另外，该光学实验系统对稳定性要求很高，搭建的平台较为复杂，易受环境的影响，无法进行户外拍摄。

发明内容