CN109187434A - 一种反射式散射成像装置及利用该成像装置的成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种反射式散射成像装置及利用该成像装置的成像方法，反射式散射成像装置包括光源调节系统，相位调制系统，反射式光路系统，图像探测系统，用于接收所述背向散射光并形成散斑图样；其中，待重建目标设置在所述光源调节系统和所述相位调制系统之间且在光源的光轴上。本发明的反射式散射成像装置利用反射式光路系统，反射式光路系统的两步相移法可任意选择步长，只需对光波进行两次相位调制，从而利用得到的两幅散斑图样进行成像，该反射式散射成像装置的成像时间短，重建出目标的效率更高，且该反射式散射成像装置不仅适用于二值化幅值目标的成像，同样也适用于复振幅目标的成像。

Description

一种反射式散射成像装置及利用该成像装置的成像方法
技术领域
本发明属于散射成像技术领域，具体涉及一种反射式散射成像装置及利用该成像装置的成像方法。
背景技术
光在我们周围无处不在，光学成像技术也和我们的生活密不可分，如利用光学成像技术制成的各种相机、摄像机、望远镜、投影仪等。大部分光学成像技术都要求观测点与被观测目标之间是无障碍物存在的透明均匀介质，保证光波在传输过程中不会受到非透明障碍物的散射而影响到光波等相位面和光强的改变，以此来获取完整的入射光波信息，从而真实记录目标的形态。这样的传统成像技术局限于较为理想的成像场景，无法应对许多复杂的场景，例如对一面墙后的目标物或者生物体内复杂组织的内部细胞进行实时探测和成像。
为了解决一面墙后的目标物或者生物体内复杂组织的内部细胞进行实时探测和成像的问题，现有技术中提供了透过随机散射介质等障碍物成像的方法，该方法主要有以下四类：一、荷兰的I.M.Vellkoop等人提出了一种光经过随机散射介质后依然能够实现超衍射聚焦和成像的方法，称之为波前调制技术(Wavefront Modulation Technique，WMT)，WMT在光学相位共轭技术的思想上，利用了反馈调制算法对空间光调制器(Spatial LightModulator，SLM)等设备进行控制，以此达到对入射光波的相位补偿的目的；二、法国科学家S.M.Popoff等人提出了图像重建技术(Image Reconstruction Technique，IRT)，该技术不需要对光波信息进行实时的修正和补偿，而是集中于随机散射介质的微观特性。此方法只需要获得散斑场与随机随机散射介质的传输矩阵(Transmission Matrix，TM)即可；三、意大利科学家J.Bertolotti等人提出了利用散斑相关(Speckle Correlation，SC)的技术与相位恢复算法(Phase Retrieval Algorithm，PRA)实现透过随机散射介质成像，这是利用了光学记忆效应特性，即当光以一个较小的角度进入随机散射介质时，出射光形成的散斑图样基本类似，只是伴随入射角变化而发生位移，不同入射方向的光波形成的散射光斑图之间具有较强的相关性。后来，O.Katz等人也论证了此方法在反射式散射成像情形下是同样适用的；四、美国科学家Amaury Badon等人利用时间门控制反射本征通道实现了透过随机散射介质对深度目标成像。
但是，上述利用透射式方法测量光学传输矩阵所实现的随机散射介质成像技术所采用的四步相移法的步长相等且耗时较长，且要求SLM是纯相位调制，并且也没有考虑到利用光照射到随机散射介质的表面后发生反射的背向散射光，此外，目前利用透射式方法测量光学传输矩阵的成像目标只考虑了二值化幅值目标，未考虑到对复振幅目标的成像。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种反射式散射成像装置及利用该成像装置的成像方法。
本发明的一个实施例提供了一种反射式散射成像装置，包括：
光源调节系统，用于为待重建目标提供入射光斑，其中，所述入射光斑包括所述待重建目标的信息；
相位调制系统，用于接收所述入射光斑，并将所述入射光斑进行相位调制，以得到相位调制光，其中所述相位调制光包括参考光和调制光；
反射式光路系统，用于接收所述相位调制光，以使所述相位调制光发生散射成为背向散射光；
图像探测系统，用于接收所述背向散射光并形成散斑图样；
其中，所述待重建目标设置在所述光源调节系统和所述相位调制系统之间且在光源的光轴上。
在本发明的一个实施例中，所述光源调节系统包括激光光源模块、衰减片、扩束器、光阑和波片，所述激光光源模块、所述衰减片、所述扩束器、所述光阑和所述波片依次设置在所述光源的光轴上。
在本发明的一个实施例中，所述相位调制系统包括透镜、空间光调制器和第一显微物镜，所述透镜设置在所述光源的光轴上，所述透镜与所述空间光调制器之间呈80度至85度夹角，所述空间光调制器和所述第一显微物镜平行设置。
在本发明的一个实施例中，所述反射式光路系统包括随机散射介质和第二显微物镜，所述随机散射介质与所述第一显微物镜平行设置，所述随机散射介质与所述第二显微物镜之间呈80度至85度夹角。
在本发明的一个实施例中，所述图像探测系统包括偏振片和探测器，所述第二显微物镜、所述偏振片和所述探测器同轴设置。
本发明的一个实施例还提供了一种反射式散射成像方法，所述成像方法包括：
获取散斑图样，其中，所述散斑图样包括第一散斑图样和第二散斑图样；
根据所述第一散斑图样和所述第二散斑图样获取出射光场；
根据光源的入射光场和所述出射光场获取光学传输矩阵；
根据所述出射光场和所述光学传输矩阵得到重建目标。
在本发明的一个实施例中，根据所述第一散斑图样和所述第二散斑图样获取出射光场，包括：
根据所述第一散斑图样的输出光强和所述第二散斑图样的输出光强获取所述出射光场的实部和虚部；
根据所述出射光场的实部和虚部计算得到所述出射光场。
在本发明的一个实施例中，根据光源的入射光场和所述出射光场得到光学传输矩阵，包括：
获取所述光源的入射光场；
根据所述入射光场和所述出射光场获取光学传输元素；
根据所述光学传输元素得到所述光学传输矩阵。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的反射式散射成像装置利用反射式光路系统，反射式光路系统的两步相移法可任意选择步长，只需对光波进行两次相位调制，从而利用得到的两幅散斑图样进行成像，该反射式散射成像装置的成像时间短，重建出目标的效率更高，且该反射式散射成像装置不仅适用于二值化幅值目标的成像，同样也适用于复振幅目标的成像。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种反射式散射成像装置的示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种反射式散射成像装置的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种相位调制系统和反射式光路系统位置关系的示意图。
符号说明
1光源调节系统；2相位调制系统；3反射式光路系统；4图像探测系统。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种反射式散射成像装置的示意图。本发明实施例提供的一种反射式散射成像装置，包括：
光源调节系统，用于为待重建目标提供入射光斑，其中，所述入射光斑包括所述待重建目标的信息；
相位调制系统，用于接收所述入射光斑，并将所述入射光斑进行相位调制，以得到相位调制光，其中所述相位调制光包括参考光和调制光；
反射式光路系统，用于接收所述相位调制光，以使所述相位调制光发生散射成为背向散射光；
图像探测系统，用于接收所述背向散射光并形成散斑图样；
其中，所述待重建目标设置在所述光源调节系统和所述相位调制系统之间且在光源的光轴上
本实施例的反射式散射成像装置利用反射式光路系统，反射式光路系统的两步相移法可任意选择步长，只需对光波进行两次相位调制，从而利用得到的两幅散斑图样进行成像，该反射式散射成像装置的成像时间短，重建出目标的效率更高，且该反射式散射成像装置不仅适用于二值化幅值目标的成像，同样也适用于复振幅目标的成像。
请参见图2，图2为本发明实施例提供的另一种反射式散射成像装置的示意图。具体地，光源调节系统1包括激光光源模块、衰减片、扩束器、光阑和波片，激光光源模块、衰减片、扩束器、光阑和波片依次顺序设置在光源的光轴上。其中，激光光源模块用于提供激光光源，衰减片用于对激光光源模块的激光光源的强度进行调节，扩束器用于将经过衰减片处理后的激光光源的直径扩大以使空间光调制器上能够获得足量的入射光斑，光阑用于对扩束器的输出光束起限制作用并缩小变大的激光光源以使空间光调制器上获得的入射光斑的利用率最大，波片用于调节经光阑处理后的激光光源的振动方向。其中，激光光源的偏振方向是垂直的，波片的偏振方向调节至45度。
优选地，激光光源的波长为532nm。
优选地，扩束器的放大倍数为20倍；
请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种相位调制系统和反射式光路系统位置关系的示意图。相位调制系统2包括透镜、空间光调制器和第一显微物镜，透镜设置在光源的光轴上，透镜与空间光调制器之间呈ε度夹角进行设置，空间光调制器和第一显微物镜平行设置。其中，透镜用于对入射光斑进行聚焦以使入射光斑聚焦到空间光调制器上，空间调制器通过附加的相位θ和α(θ和α为0到2π内任意两个相位，θ和α的间隔可以任意选取)对聚焦至空间调制器上的入射光斑进行相位调制，从而得到相位调制光，第一显微物镜用于对相位调制光进行聚焦且不改变相位调制光的模式数，其中相位调制光包括参考光和调制光，其中调制光是空间光调制器发生相位变化的光，参考光为未发生相位变化的光。待重建目标的大小不超过空间光调制器靶面的大小。
优选地，透镜7的焦距是100mm。
优选地，ε度为80度至85度。
优选地，第一显微物镜的倍数为20倍。
反射式光路系统3包括随机散射介质和第二显微物镜，所述随机散射介质与第一显微物镜平行设置，随机散射介质与第二显微物镜之间呈ε度夹角进行设置。其中，经过第一显微物镜的相位调制光聚焦至随机散射介质上，从而使相位调制光发生散射。第二显微物镜用于收集经过随机散射介质发生散射的光，避免调制模式数丢失。
优选地，ε度为80度至85度。
优选地，随机散射介质为各向同性的背向随机散射介质，例如，随机散射介质可以为毛玻璃或氧化锌介质。
优选地，第二显微物镜的倍数为40倍。
图像探测系统4包括偏振片和探测器，第二显微物镜、偏振片和探测器同轴设置。其中，偏振片是用于调节经过反射式光路系统的背向散射光的强度，使得背向散射光的强度最弱，以消除弹道光和反射光的影响，只保留有用的背向散射光信息，探测器用于接收经过偏振片处理的背向散射光以形成散斑图样，散斑图样为携带有待重建目标的信息且其为经过相位调制的图像。
为了更好的说明本实施例的反射式散射成像装置，对该成像装置的使用方法进行介绍。
步骤1、打开光源调节系统，使激光光源模块产生激光光源，激光的波长为532nm；
步骤2、调节衰减片，并将扩束器和光阑设置成同轴，其中光阑的大小与空间光调制器的靶面匹配，以使入射至空间光调制器的入射光斑的利用率最高；
步骤3、将波片调节至45度方向；
步骤4、打开相位调制系统，对入射至空间光调制器的入射光斑进行相位调制；
步骤5、设置随机散射介质和第二显微物镜以使相位调制光发生散射；
步骤6、调节偏振片使得背向散射光的强度最弱；
步骤7、打开探测器接收因背向散射光而产生的散斑图样。
本实施例的反射式光路系统可实现反射式散射成像，从而使得激光光源和探测部分在同侧，形成一种类似于绕墙成像的效果，使得本实施例的成像装置能够在医学领域中对皮肤组织下方的细胞进行反射式成像，无须侵入式成像，同时在军事作战、反恐巷战等领域中可对障碍物一侧的目标进行探测观察，使本实施例的成像装置得到广泛应用。
本实施例的反射式散射成像装置的成像时间短，且空间光调制器不需要为纯相位调制，待重建目标的重建效率高。
本实施例的装置属于单臂测量装置，单臂测量装置的稳定性高，更易对光路进行调节，且该成像装置的成本相较于双臂测量装置的成本低。
本实施例的反射式散射成像装置不仅适用于二值化幅值目标的成像，同样也适用于复振幅目标的成像。
实施例二
本发明实施例在上述实施例的基础上，对本发明实施例提供的利用上述实施例的成像装置的成像方法进行具体介绍，该成像方法具体包括：
步骤一、获取散斑图样，其中，散斑图样包括第一散斑图样和第二散斑图样；
利用实施例一种的成像装置获取散斑图样，其中，散斑图样包括第一散斑图样和第二散斑图样，其中第一散斑图样为相位θ对应得到的散斑图样，第二散斑图样为相位α对应得到的散斑图样，其中，θ和α为0到2π内任意两个相位，θ和α的间隔可以任意选取。
步骤二、根据第一散斑图样和第二散斑图样获取出射光场；
步骤2.1、根据第一散斑图样的输出光强和第二散斑图样的输出光强获取出射光场的实部和虚部；
激光光源的入射光场可以分为调制部分的入射光场和参考部分的入射光场；
第一散斑图样的输出光强的计算公式为：
其中，表示相位为θ的第m个输出模式的输出光强，表示第m个输出模式的出射光场，为调制部分的入射光场，rm为参考光经介质散射后在探测器第m个通道产生的光场的复振幅，算子表示复数取实部，kmn为光学传输元素，则a为实部，b为虚部。
优选地，为哈达玛基矩阵，n根据测量的光学传输矩阵的维度大小进行确定。
由此可以得到第一散斑图样的输出光强为：
同理可以得到第二散斑图样的输出光强为：
其中，表示相位为α的第m个输出模式的输出光强。
其中和通过反射式散射成像装置得到的第一散斑图样和第二散斑图样确定，因此通过上述的第一散斑图样的输出光强的计算公式和第二散斑图样的输出光强的计算公式确定实部a和虚部b。
步骤2.2、根据出射光场的实部和虚部计算得到出射光场；
出射光场的计算公式为：
具体地，根据步骤2.1得到的实部a和虚部b确定出射光场。
步骤三、根据光源的入射光场和出射光场获取光学传输矩阵；
步骤3.1、利用实施例一种的成像装置获取光源调制部分的入射光场；
步骤3.2、根据入射光场和出射光场获取光学传输元素；
出射光场的计算公式还可以为：
根据和调制部分的入射光场确定光学传输元素kmn。
步骤3.3、根据光学传输元素得到光学传输矩阵；
具体地，通过上述方法确定光学传输矩阵中所有的光学传输元素，从而由所有的光学传输元素确定光学传输矩阵。
重建目标的计算模型为：y＝Kx，其中，K为光学传输矩阵，y即为x为重建目标，从而完成待重建目标的重建得到重建目标。
优选地，重建目标的重建模型是根据TVAL3算法得到。
本实施例的反射式散射成像方法的成像时间短，重建出目标的效率高，且该反射式散射成像方法不仅适用于二值化幅值目标的成像，同样也适用于复振幅目标的成像。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种反射式散射成像装置，其特征在于，包括：
光源调节系统，用于为待重建目标提供入射光斑，其中，所述入射光斑包括所述待重建目标信息；
相位调制系统，用于接收所述入射光斑，并将所述入射光斑进行相位调制，以得到相位调制光，其中所述相位调制光包括参考光和调制光；
反射式光路系统，用于接收所述相位调制光，以使所述相位调制光发生散射成为背向散射光；
图像探测系统，用于接收所述背向散射光并形成散斑图样；
其中，所述待重建目标设置在所述光源调节系统和所述相位调制系统之间且在光源的光轴上。
2.如权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述光源调节系统包括激光光源模块、衰减片、扩束器、光阑和波片，所述激光光源模块、所述衰减片、所述扩束器、所述光阑和所述波片依次设置在所述光源的光轴上。
3.如权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述相位调制系统包括透镜、空间光调制器和第一显微物镜，所述透镜设置在所述光源的光轴上，所述透镜与所述空间光调制器之间呈80度至85度夹角，所述空间光调制器和所述第一显微物镜平行。
4.如权利要求3所述的成像装置，其特征在于，所述反射式光路系统包括随机散射介质和第二显微物镜，所述随机散射介质与所述第一显微物镜平行设置，所述随机散射介质与所述第二显微物镜之间呈80度至85度夹角。
5.如权利要求4所述的成像装置，其特征在于，所述图像探测系统包括偏振片和探测器，所述第二显微物镜、所述偏振片和所述探测器同轴设置。
6.一种反射式散射成像方法，其特征在于，所述成像方法包括：
获取散斑图样，其中，所述散斑图样包括第一散斑图样和第二散斑图样；
根据所述第一散斑图样和所述第二散斑图样获取出射光场；
根据光源的入射光场和所述出射光场获取光学传输矩阵；
根据所述出射光场和所述光学传输矩阵得到重建目标。
7.如权利要求6所述的成像方法，其特征在于，根据所述第一散斑图样和所述第二散斑图样获取出射光场，包括：
根据所述第一散斑图样的输出光强和所述第二散斑图样的输出光强获取所述出射光场的实部和虚部；
根据所述出射光场的实部和虚部计算得到所述出射光场。
8.如权利要求6所述的成像方法，其特征在于，根据光源的入射光场和所述出射光场得到光学传输矩阵，包括：
获取所述光源的入射光场；
根据所述入射光场和所述出射光场获取光学传输元素；
根据所述光学传输元素得到所述光学传输矩阵。
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