CN105403509A - 基于涡旋光差频扫描的各向异性边界提取装置 - Google Patents

Abstract

一种基于涡旋光差频扫描的各向异性边界提取装置，包括激光调制模块，物体扫描模块，信息处理模块等。本发明结构通过旋转涡旋位相调制片，可以对物体不同方向的边界信息有选择的提取，同时可以保证较高的信噪比。本发明用于物体边界提取，图像增强等领域，具有很好的扩展性，通过改变扫描尺度可实现航拍地表和微观生物成像的各向异性边界提取。

Description

基于涡旋光差频扫描的各向异性边界提取装置

技术领域

本发明涉及物体的边界提取以及图像特征的增强，特别是一种基于涡旋光差频扫描的各向异性边界提取装置，可以选择性的提取物体某一方位的边界信息。

技术背景

边界提取(EdgeExtraction或者称为边界增强EdgeEnhancement)技术是一种图像信息处理技术，可以去除物体低频信息，将其边界的信息单独提取出来，因此可以极大地提高待测物体的信噪比，在机器视觉、生物医学、机载探测以及深空探测等领域具有特别重要的应用价值。

边界提取技术的基本原理是对物体的频谱进行调制，使得边界处的信息最大程度的保留，同时其他信息尽可能的过滤掉。通常物体边界由于是变化较快的区域，因此属于频谱中的中高频，而物体内部及外部的信息为缓变的区域，因此属于频谱中的低频或零频。原则上，只要使物体通过高通低阻滤波调制，就能实现边界信息的提取或增强。光学上处理物体的频谱是非常有利的，因为首先光学系统可以作为物体信息的记录系统，同时还可以用于物体的频谱调制，再加上光学系统通常具有的并行处理能力，使得光学信息处理方法优于其他处理方法，成为最为重要的边界提取技术。

为了实现物体的边界提取，经典的光学系统是4f滤波系统，由两个傅里叶变换透镜组成，透镜距离2倍的焦距，物体放置在第一个透镜的前焦面上，第二个透镜的后焦面为经过处理的物体图像。而在两个透镜的共焦面上，可以通过插入频率调制元件实现对物体的边界信息提取。

在边界提取技术中，有一种特别的应用，就是对待测物体的某一方向的边界信息有兴趣，或者出于信噪比等方面的考虑，想要将某一方向的边界信息滤除，这就需要考虑各向异性的边界提取技术。这在原理上是非常容易实现的，在高通滤波调制的同时，对需要保留的某一方向的中高频谱通过，对需要抑制的某一方向的频谱进行阻断。各向异性边界提取技术在特征识别、特征增强等方向有很重要的应用前景。

在经典的4f光学滤波系统中，为了实现边界提取，一般采用中间涂黑边缘透明的强度调制板，直接插入频谱面上进行滤波调制。这种方法简单、成本低，但是缺点也比较明显。由于强度调制板的衍射，使得在输出面上得到边界增强的物体的同时，还伴随着许多的寄生条纹，严重影响了成像质量；另外，由于物体能量主要集中在零频附近，通过强度调制板后能量损失会导致信噪比的降低。

涡旋位相是实现物体边界信息增强的另外一种处理方法。涡旋位相是指强度不变、位相随着方位角的变化而变化的一种纯位相调制器，可以在极坐标系中表示为ψ(ρ，θ)＝exp(inθ)。通常的位相与方位角的关系是线性的，n为涡旋位相的载荷数(charge)，在边界信息提取技术中一般采用n为1的涡旋位相。同样的，为了实现边界信息提取，将涡旋位相调制器插入到4f光学滤波系统的频谱面上。虽然与高通滤波一样是对物体频谱进行调制，但是涡旋位相调制是一种位相调制技术，其原理和信息处理中的希尔伯特变换类似，能够完美的提取物体边界信息，同时不会产生由于衍射导致的寄生条纹。

利用4f系统进行物体边界是基于相干光学信息处理系统原理，而相干光学由于对物体位相信息特别敏感，因此会产生散斑干涉，降低成像质量。在先技术(P.BouchalandZ.Bouchal,“Selectiveedgeenhancementinthree-dimensionalvorteximagingwithincoherentlight,”Opt.Lett.37,2949-2951,(2012).)结合菲涅耳非相干相关数字全息术(FINCH)，提出了一种基于涡旋位相调制的边界提取技术，可以实现对非相干物体的边界增强，由于对物体位相不敏感，因此大大提高了成像质量。另外，在先技术(Y.Pan,W.Jia,J.Yu,K.Dobson,C.Zhou,Y.Wang,T.-C.Poon,“Edgeextractionusingatime-varyingvortexbeaminincoherentdigitalholography,”Opt.Lett.39,4176-4179(2014).)首次将涡旋位相片引入到光学扫描全息技术(OpticalScanningHolography，OSH)中，实现了各向同性的非相干边界提取技术。与FINCH技术相比，这种技术的最大优点是利用了扫描机制，极大地放宽了对物体尺寸的要求，因此在生物显微成像、遥感、机器视觉等领域均有重要应用前景。

本发明在此基础上，通过使用不同的涡旋光调制，利用差频光学扫描实现各向异性的边界提取，可以进一步拓宽OSH技术的应用领域，特别是在针对特殊物体形貌或者特殊方向物体特征的探测方面，具有很好的应用价值。

发明内容

图像边界增强(或者提取)技术在图像识别以及特征提取等领域有重要的应用价值，而对于特殊的应用需求，例如对物体某一方位的边界信息更感兴趣，或者当需要对某一方位的信息进行有效过滤时，各向异性边界提取技术就显得非常重要，为此我们提出一种基于涡旋光差频扫描的各向异性边界提取装置，该装置用于生物显微成像等领域的特殊边界增强，具有速度快、信噪比高以及能量利用率高等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于涡旋光差频扫描的各向异性边界提取装置，其特点在于构成包括He-Ne激光器，沿He-Ne激光器的发射光束方向是第一分束镜，在该第一分束镜的透射光束方向依次是声光调制器、第一反射镜、小孔、第一透镜、第二分束镜和第二光电探测器，所述的第二光电探测器的输出端与锁相放大器的第一输入端相连，在第一分束镜的反射光束方向依次是第二反射镜、涡旋位相调制模块、第二透镜、所述的第二分束镜、载物台、第三透镜和第一光电探测器，所述的第一光电探测器的输出端与所述的锁相放大器的第二输入端相连，该锁相放大器的输出端与计算机的输入端相连。

所述的涡旋位相调制模块是由光路方向依次的第三反射镜、第四反射镜和涡旋位相调制片组合而成，所述的涡旋位相调制片是由计算机生成的全息图，该全息图可产生两个重叠的涡旋位相，且涡旋方向相反。

所述的涡旋位相调制模块具有旋转机构，沿光轴旋转涡旋位相调制模块，可以得到不同方向的涡旋调制光瞳，从而实现特定方向的物体边界提取。

本发明基于涡旋光差频扫描的各向异性边界提取装置，构成包括激光调制模块，物体扫描模块，信息处理模块等。所述的激光调制模块采用He-Ne激光器波长为632.8nm，以马赫-曾德方式分成两束光，其中一束通过声光调制器得到40kHz的频移，另一束经过涡旋位相调制片和傅里叶透镜，然后两束光通过第二分束镜合为一束具有差频的干涉光，利用这束光扫描物体，透过物体的光由第一光电探测器接受转换成电压信号，经过信号处理和锁相放大器，得到去除差频的物体全息图，最后利用计算机提取得到各向异性的物体边界信息。所述的涡旋位相调制片是计算机生成的全息图，可以产生两个重叠的涡旋位相，两个涡旋的方向相反。本发明结构通过旋转涡旋位相调制片，可以对物体不同方向的边界信息有选择的提取，同时可以保证较高的信噪比。

本发明的技术效果如下：

首先，本发明基于光学扫描全息技术(OSH)，其中包括两个入射光瞳，本发明对光瞳进行了特殊设计，通过插入一块涡旋位相调制片实现对入射光的光场调制，同时另外一个光瞳为脉冲函数(以5微米小孔实现)，然后利用两束光的差频相干光场对物体进行二维扫描，并通过光电探测以及锁相放大等信号处理，就可以利用计算机得到物体的边界信息，由于插入的涡旋位相调制片具有空间不对称性，因此使得获取的物体边界信息是各向异性的。

其次，涡旋位相片是通过计算机生成的二元光学元件，当激光束以某一个倾斜角入射在涡旋位相片上时，将在垂直方向出射具有涡旋调制的光束，通过在入射光瞳上旋转涡旋位相调制片，就可以实现对不同方位物体的边界信息进行选择性的提取，结构简单易于实现。

另外，通过改变OSH系统的结构，当采用物镜系统对光瞳成像并利用二维精密电动平台，可以用于生物样品的显微成像，当采用振镜扫描的机制以及大功率激光器、高灵敏度光电探测器，可以用于航拍遥感大物体的各向异性边界探测。

附图说明

图1是本发明基于涡旋光差频扫描的各向异性边界提取装置的光路图

图2是涡旋位相调制片的形貌图

图3是物体及模拟得到的横向边界增强的图像

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明基于涡旋光差频扫描的各向异性边界提取装置的光路图。由图可见，本发明基于涡旋光差频扫描的各向异性边界提取装置，包括He-Ne激光器1，沿He-Ne激光器1的发射光束方向是第一分束镜2，在该第一分束镜2的透射光束方向依次是声光调制器3、第一反射镜4、小孔5、第一透镜6、第二分束镜10和第二光电探测器14，所述的第二光电探测器14的输出端与锁相放大器15的第一输入端相连，在第一分束镜2的反射光束方向依次是第二反射镜7、涡旋位相调制模块8、第二透镜9、所述的第二分束镜10、载物台11、第三透镜12和第一光电探测器13，所述的第一光电探测器13的输出端与所述的锁相放大器15的第二输入端相连，该锁相放大器15的输出端与计算机16的输入端相连。

所述的涡旋位相调制模块8是由光路方向依次的第三反射镜、第四反射镜和涡旋位相调制片组合而成，所述的涡旋位相调制片是由计算机生成的全息图，该全息图可产生两个重叠的涡旋位相，且涡旋方向相反。

所述的涡旋位相调制模块具有旋转机构，沿光轴旋转涡旋位相调制模块8，可以得到不同方向的涡旋调制光瞳，从而实现特定方向的物体边界提取。

一束波长为632.8nm的相干光由He-Ne激光器1发射出来，频率为ω。激光经过第一分束镜2分成两束，透射光束经过声光调制器3改变了入射光束的频率，频移为Ω，并满足Ω<<ω，例如取频移为40kHz。经过频移后的光束经第一反射镜4反射，通过小孔5和第一透镜6进行滤波和准直，形成近似平面波，另外经过第一分束镜2反射的光束经第二反射镜7反射后，通过涡旋位相调制模块8，形成具有涡旋位相调制的光束，并通过第二透镜9后由第二分束镜10将其与频移平面波组合，组合光形成差频干涉，一部分透射的两束组合光照射在位于载物台11上的物体上，通过该物体的部分光由第三透镜12收集并由第一光电探测器13接收并转化为电信号，经第二分束镜10在另一方向透射的光由第二光电探测器14接收并转化为电信号。由第一光电探测器13和第二光电探测器14输出的电信号导入锁相放大器15中，经过信号处理并最终进入计算机16，经计算机16处理后得出与物体相关的复振幅信息，并解算出物体的三维图像。

所述的物体放置在二维移动的载物台11上，实现二维的步进扫描，扫描步进由计算机16控制。由第二光电探测器14得到的电信号是与物体扫描位置相关的电流信号：

$\begin{array}{c}i(x,y,z)\&Proportional;\&Integral;|\&lsqb;P_{1z}(\frac{k_0{x}^{\&prime;}}{f},\frac{k_0{y}^{\&prime;}}{f})\exp \left(i\mathrm{\&omega;}t\right)+P_{2z}(\frac{k_0{x}^{\&prime;}}{f},\frac{k_0{y}^{\&prime;}}{f})\exp \left(i\right(\mathrm{\&omega;}+\mathrm{\&Omega;}\left)t\right)\&rsqb;O(x+\\ x^{\&prime;},y+y^{\&prime;},z){|}^2{\mathrm{dx}}^{\&prime;}{\mathrm{dy}}^{\&prime;}\end{array}---\left(1\right)$

其中，P_1z，P_2z，分别是光瞳(5)和涡旋位相调制片的傅里叶变换，O(x,y,z)为待测的物体。由于差频的存在，使得电流信号具有差频部分和零频分量，差频分量中有待测物体的调制信息，通过带通滤波处理，电流信号为：

i_Ω(x，y，z)＝Re{i_Ωp(x，y，z)exp(iΩt)}(2)

其中,

$\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\&Omega;}p}(x,y,z)=\&Integral;P_{1z}^{*}\left(\frac{k_0{x}^{\&prime;}}{f},\frac{k_0{y}^{\&prime;}}{f}\right)P_{2z}\left(\frac{k_0{x}^{\&prime;}}{f},\frac{k_0{y}^{\&prime;}}{f}\right){\left|O(x+x^{\&prime;},y+y^{\&prime;},z)\right|}^2{\mathrm{dx}}^{\&prime;}{\mathrm{dy}}^{\&prime;}\\ =P_{1z}\left(\frac{k_{0}x}{f},\frac{k_{0}y}{f}\right)P_{2z}^{*}\left(\frac{k_{0}x}{f},\frac{k_{0}y}{f}\right)\&CircleTimes;{\left|O(x,y,z)\right|}^2\end{array}---\left(3\right)$

表示为P_1z，P_2z与物体的卷积形式。该电流信号具有余弦振荡的特征，振荡的频率为差频，而在该余弦信号上对振幅和位相的调制即包含了物体的信息。通过锁相放大器15，并通过计算机16数据采集，就可以得到形如公式(3)所示的全息图。由图可以看出，OSH系统是一个针对物体强度信号的线性空不变系统，系统的传递函数表示为：

${\mathrm{OTF}}_{\mathrm{\&Omega;}}=\&Integral;{\&Integral;}_{-\mathrm{\&infin;}}^{\mathrm{\&infin;}}{p}_1^{*}(x^{\&prime;},y^{\&prime;})p_2(x^{\&prime;}+\frac{f}{k_0}{k}_x,y^{\&prime;}+\frac{f}{k_0}{k}_y)\&times;\exp \left(j\frac{z}{f}\right(x^{\&prime;}{k}_x+y^{\&prime;}{k}_y\left)\right){\mathrm{dx}}^{\&prime;}{\mathrm{dy}}^{\&prime;}---\left(4\right)$

其中p₁，p₂为两个光瞳函数表达式。标准的OSH系统中光瞳函数p₁为点函数，p₂为1，因此为了得到物体的信息，只需将公式(3)的全息图与自由传播脉冲响应函数卷积即可，其脉冲响应函数表示为：

$h(x,y;z)=\exp (-{\mathrm{jk}}_{0}z)\frac{{\mathrm{jk}}_0}{2\mathrm{\&pi;}z}\exp (-\frac{{\mathrm{jk}}_0}{2z}(x^2+y^2\left)\right)---\left(5\right)$

对于各向异性提取物体边界信息，就是对光瞳函数进行设计，本发明利用了一个涡旋位相调制片作为其中一个光瞳p₁，另外一个光瞳p₂为点函数。由此可以得到全息图的解析表示为：

将该公式(6)与公式(5)进行卷积就可以得到被涡旋调制的物体信息，即具有选择性增强了的物体边界信息。

本发明所使用的涡旋位相片是由计算机生成的二维光学元件，图2给出了该元件的二维图像。该元件的生成方法是由一束倾斜的平面波与另外一束涡旋光相干涉形成的图案。涡旋光表示为：

即两个重叠的涡旋位相，涡旋方向相反，从而破坏了位相的对称性，使得光瞳具有了各向异性的调制特性。当一束激光以倾斜的方式入射在该涡旋位相片上，产生的衍射光束即具有了公式(7)所示的涡旋位相调制，并最后通过OSH系统得到某一方向的物体边界信息。

为了得到不同方向的物体边界信息，需要对光瞳p₁进行旋转，所采用的方法如图1中虚线包围的部分8所示，将两个反射镜以及涡旋位相调制片放置在一个旋转台上，保证入射到第一块反射镜上的光与从位相调制片衍射出的光在同一条直线上，同时第二块反射镜可以调整到达位相调制片的光栅入射角。以出射光束为轴旋转该模块，就相应的改变了涡旋位相的调制方向，从而得到不同方向的物体边界信息。图3分别给出了物体初始图像，并利用计算机模拟得到了横向边界提取图像，135度角边界提取图像，以及纵向边界提取图像，证明了该发明的可行性。

本发明针对各向异性的物体边界提取问题，首次提出了一种基于涡旋光差频扫描的装置，通过采用涡旋位相调制模块，将特殊调制的涡旋光引入到光学扫描全息技术中，使得物体边界信息可以得到选择性的增强，从而实现各向异性物体边界信息的提取。同时通过旋转所述的涡旋位相调制模块，调制光瞳，就可以实现对物体不同方向的边界信息的选择性提取。本发明结合了光学扫描全息技术的扫描特性，因此通过改变扫描物体的大小，可以在许多领域中得到应有，包括生物显微、远程遥感、特征识别以及机器视觉等具有很好的应用前景。

Claims (3)

1.一种基于涡旋光差频扫描的各向异性边界提取装置，其特征在于构成包括He-Ne激光器(1)，沿He-Ne激光器(1)的发射光束方向是第一分束镜(2)，在该第一分束镜(2)的透射光束方向依次是声光调制器(3)、第一反射镜(4)、小孔(5)、第一透镜(6)、第二分束镜(10)和第二光电探测器(14)，所述的第二光电探测器(14)的输出端与锁相放大器(15)的第一输入端相连，在第一分束镜(2)的反射光束方向依次是第二反射镜(7)、涡旋位相调制模块(8)、第二透镜(9)、所述的第二分束镜(10)、载物台(11)、第三透镜(12)和第一光电探测器(13)，所述的第一光电探测器(13)的输出端与所述的锁相放大器(15)的第二输入端相连，该锁相放大器(15)的输出端与计算机(16)的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的基于涡旋光差频扫描的各向异性边界提取装置，其特征在于所述的涡旋位相调制模块(8)是由光路方向依次的第三反射镜、第四反射镜和涡旋位相调制片组合而成，所述的涡旋位相调制片是由计算机生成的全息图，该全息图可产生两个重叠的涡旋位相，且涡旋方向相反。

3.根据权利要求2所述的基于涡旋光差频扫描的各向异性边界提取装置，其特征在于所述的涡旋位相调制片具有旋转机构，沿光轴旋转涡旋位相调制模块(8)，可以得到不同方向的涡旋调制光瞳，从而实现特定方向的物体边界提取。