(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211195406.0 (22)申请日 2022.09.29 (71)申请人 中国科学院西安 光学精密机 械研究 所 地址 710119 陕西省西安市高新区新型工 业园信息大道17号 (72)发明人 闵俊伟　姚保利　但旦　于湘华　 薛雨阁　袁勋　 (74)专利代理 机构 西安智邦专利商标代理有限 公司 6121 1 专利代理师 汪海艳 (51)Int.Cl. H04N 5/225(2006.01) G02B 27/28(2006.01) G01B 11/24(2006.01) (54)发明名称 一种集成化定量相位成像相机、 方法及图像 处理方法 (57)摘要 本发明属于光学仪器技术领域， 具体为一种 集成化定量相位成像相机、 方法及图像处理方 法， 克服现有相机无法同时对强度与相位成像的 问题。 相机包括壳体及位于壳体内的集成图像传 感器与图像处理电路板； 壳体上开设驳接光学镜 头的通光接口； 集成图像传感器包括依次叠层设 置的线偏振片层、 偏振二维衍射 分光层和二维像 素化数字图像感光芯片； 图像处理电路板接收集 成图像传感器输出的电信号并将其转化为干涉 点阵图像。 基于图像处理方法对干涉点阵图像进 行处理获得目标强度图像和定量相位图像。 本发 明相机只需将相机对准经过目标的透射光或被 目标反射的反射光， 记录下对应的干涉点阵图 像， 就可以从记录的单幅干涉点阵图像中再现目 标的强度和定量相位分布。 权利要求书3页 说明书7页 附图6页 CN 115314626 A 2022.11.08 CN 115314626 A 1.一种集成化定量相位成像相机， 包括壳体， 其特征在于： 还包括位于壳体内的集成图 像传感器(2)与图像处 理电路板(3)； 所述壳体上开设通光接口； 所述集成图像传感器(2)包括依次叠层设置的线偏振片层 (2‑1)、 偏振二维衍射分光层(2 ‑2)和二维像素化数字图像感光芯片(2 ‑3)； 所述线偏振片层 (2‑1)用于接收通过通光接口的目标光并使其成为水平线偏振光； 所述偏振二维衍射分光 层(2‑2)用于将经过线偏振片层(2 ‑1)的一束水平线偏振光衍射为四束包含相同信息的衍 射光， 其中两束衍射光沿水平方向传播， 其偏振方向与线偏振片层(2 ‑1)的透振方向相同， 另外两束衍射光沿竖直方向传播， 其偏振方向与线偏振片层(2 ‑1)的透振方向垂 直； 所述二 维像素化数字图像感光芯片(2 ‑3) 与图像处理电路板(3)电连接， 用于接收偏振二维衍射 分光层(2 ‑2)输出的四束包含相同信息的衍射光的光强并进行光电转换， 将光强分布转换 为相应的电信号传输 至图像处 理电路板(3)； 所述图像处理电路板(3)用于将接收的电信号转化为能够获得目标强度图像和定量相 位图像的干涉点阵 图像。 2.根据权利要求1所述的集成化定量相位成像相机， 其特征在于： 所述偏振二维衍射分 光层(2‑2)为透射式液晶聚合物偏振二维光 栅或超构元器件。 3.根据权利要求2所述的集成化定量相位成像相机， 其特征在于： 所述透射式液晶聚合 物偏振二 维光栅水平和垂直方向的周期均为Λ， Λ的大小 是二维像素化数字图像感光芯片 (2‑3)像素边长尺寸 p的4～8倍。 4.根据权利要求3所述的集成化定量相位成像相机， 其特征在于： 所述偏振二维衍射分 光层(2‑2)的衬底厚度为 d， 0＜d≤4mm； 透过偏振二维衍射分光层(2 ‑2)的衍射光束的衍射 角范围为[ λ/8 p, λ/4p]， 其中λ为目标光的中心波长 。 5.根据权利要求4所述的集成化定量相位成像相机， 其特征在于： Λ的大小是二维像素 化数字图像感光芯片(2 ‑3)像素边长尺 寸p的6倍； 所述偏振二 维衍射分光层(2 ‑2)的衬底厚 度d=1.8mm； 透过偏振二维衍 射分光层(2 ‑2)的衍射光束的衍 射角为 λ/ 6p。 6.根据权利要求5所述的集成化定量相位成像相机， 其特征在于： 所述二维像素化数字 图像感光芯片(2 ‑3)为二维CCD或CMOS图像传感芯片； 所述线偏振片层(2 ‑1)为宽波带线偏 振片。 7.根据权利要求1 ‑6任一所述的集成化定量相位成像相机， 其特征在于： 还包括图像处 理单元， 所述图像处理单元用于采集干涉点阵图像， 并基于图像处理算法处理干涉点阵图 像， 获得目标强度图像和定量相位图像。 8.根据权利要求7所述的集成化定量相位成像相机， 其特征在于： 所述图像处理单元基 于下述图像处 理算法处 理干涉点阵 图像， 获得目标强度图像 和目标相位分布图像： 式中， 为干涉点阵图像的强度分布， 为傅里叶变换函数， W0为初始滤波窗口，   为傅里叶逆变换函数， 为目标相位分布图像； 和 为 两个正权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115314626 A 2交方向的相位梯度信息， x0为路径积分起始 点的横坐标， y0为路径积分起始 点的纵坐标； 基 于下式获得   和 ： 式中， arg表示取复数相位角运 算， W1和W2分别为第一滤波窗口和第二滤波窗口。 9.根据权利要求8所述的集成化定量相位成像相机， 其特征在于： 所述壳体包括相机前 壳(1)和相机后壳(4)； 所述通光接口开设在相机前壳(1)的正中心； 所述集成图像传感器 (2)固定在相机前壳(1)上， 所述图像处理电路板(3)固定在相机后壳(4)上； 所述相机后壳 (4)上开设相机数据输出接口。 10.根据权利要求9所述的集成化定量相位成像相机， 其特征在于： 所述偏振二维衍射 分光层(2 ‑2)通过下述步骤制备： 步骤a、 在设定厚度的石英 /玻璃衬底上旋 涂一层取向层； 步骤b、 用两束光强大小相同、 偏振态正交的线偏振光对取向层曝光， 取向层记录两束 线偏振光的偏振态； 步骤c、 在曝光过的取向层上旋涂液晶层， 形成水平和垂直方向周期均为Λ的偏振二维 衍射分光层。 11.一种集成化定量相位成像方法， 其特 征在于： 包括以下步骤： 步骤1、 将目标光 转化为水平线偏振光； 步骤2、 将一束水平线偏振光衍射为四束包含相同信息的衍射光， 其中两束衍射光沿水 平方向传播， 另外 两束衍射光沿竖直方向传播； 步骤3、 对四束包含相同信息的衍射光的光强进行光电转换， 将光强分布转换为相应的 电信号； 步骤4、 将接收的 电信号转化为能够获得目标强度图像和定量相位图像的干涉点阵图 像。 12.一种图像处理方法， 用于对权利要求1 ‑10任一所述集成化定量相位成像相机输出 的干涉点阵 图像进行处 理， 其特征在于， 包括以下步骤： 步骤1、 对记录的干涉点阵 图像进行傅里叶变换， 得到 干涉点阵 图像的频谱图； 步骤2、 利用初始滤波窗口 W0滤出位于频谱图中央的零级频谱， 并对零级频谱进行傅里 叶逆变换， 得到目标的强度图像 ： 式中 为干涉点阵图像的强度分布； 为傅里叶变换函数， 为傅里叶逆变换 函数； 步骤3、 利用第一滤波窗口 W1和第二滤波窗口 W2分别滤出频谱图中的 的频谱和 的频谱， 然后对它 们进行傅里叶逆变换， 得到 两个正交相位梯度：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115314626 A 3