CN109520619B - 基于非瑞利散斑场的关联成像光谱相机及其成像方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于非瑞利散斑场的关联成像光谱相机及其成像方法，该装置包括前置成像镜、分束器、带通滤波片、监视探测器、偏振器、分束器、空间光调制器、面阵探测器和计算机。本发明利用光路可逆的特性，能够在无透镜的条件下生成非瑞利散斑场，并将其应用到基于压缩感知的关联成像光谱相机中，其中利用超瑞利散斑场进行成像能够在低信噪比条件下提高重构图像的质量和分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及生成非瑞利散斑场的方法和装置，特别是一种基于非瑞利散斑场的关联成像光谱相机及其成像方法。
背景技术
当采用相干光照射到散射介质时，在透射或者反射方向能够观察到明暗相间的散斑图案，散斑的产生是由散射微粒的散射子波空间相干形成的。散斑形成的本质是一种波动现象，现已经观察到不同性质的各种波都能产生散斑，包括超声波、微波、光波、x射线和物质波。若散射介质的表面起伏大于入射光的波长，散斑场显示出通用的统计特性，称为瑞利统计，此时散斑场的幅度遵从瑞利分布，强度遵从负指数分布。这种类型的统计在以下相当一般的条件下非常常见：(i)散斑场是由大量具有独立变化的幅度和相位的分波相加而成；(ii)相位值和幅度值无关；(iii)相位均匀地分布在2π的范围内。
然而对于许多基础研究和应用领域需要调控散斑场的统计分布和光强分布，这些散斑场的光强统计分布总是偏离瑞利统计分布，即非瑞利散斑场。根据散斑场对比度的大小，将非瑞利散斑场分为超瑞利散斑场(对比度大于1)和亚瑞利散斑场(对比度小于1)。美国耶鲁大学的 Bromberg和Cao采用定制的强度统计产生具有增强或减弱对比度的散斑图案，即非瑞利散斑场。非瑞利散斑场在结构照明成像中具有广泛的潜在应用，例如动态散斑照明显微镜，超分辨成像等。其中超瑞利散斑场具有高对比度和强抗噪能力，使得其在散斑成像领域具有重要的应用价值，例如在作为赝热光源的散斑成像中，高对比度的超瑞利散斑场可以提高高阶关联成像的图像质量。
中科院上海光机所的韩申生研究组提出的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统(专利号：ZL201410348475.X)能够单次曝光获得宽波段光谱图像信息。然而，该系统采用瑞利散斑场，因此无法在低信噪比下获得高质量的重构图像。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于非瑞利散斑场的关联成像光谱相机及其成像方法。利用光路可逆的特性，在无透镜的条件下，可以在空间光调制器后任意距离处得到非瑞利的散斑场，结合硬件成像系统及重构算法，其中利用超瑞利散斑场可以在低信噪比下得到高质量的重构图像。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于非瑞利散斑场的关联成像光谱相机，包括前置成像镜、分束器、带通滤波片、监视探测器和计算机，其特点在于，还包括偏振器、分束器、空间光调制器和面阵探测器，所述的偏振器、分束器和空间光调制器依次位于所述的前置成像镜的成像面后，所述的计算机分别与所述的监视探测器、空间光调制器和面阵探测器相连；
入射光依次经所述的前置成像镜和分束镜后分为透射光和反射光，沿反射光方向是监视探测器，透射光依次通过所述的带通滤波片、偏振器和分束器后入射到空间光调制器，经空间光调制器调制后沿原光路返回入射到所述的分束器，经该分束器反射后，入射到所述的面阵探测器。
所述的空间光调制器作为纯相位调制器，通过在空间光调制器上加载不同分布的相位图，从而产生不同分布特性的散斑场。
所述的空间光调制器也可以替换为预先根据所需的相位分布而设计的其他相位调制板。
利用上述基于非瑞利散斑场的关联成像光谱相机的成像方法，其特点在于：该成像方法包括如下步骤：
步骤一、利用计算机仿真通过将平面波经过相位均匀分布在(0～2π) 的随机相位调制器，生成瑞利散斑场ERay；
步骤二、对瑞利散斑场ERay进行指数运算得到非瑞利散斑场E'，即 E′＝(ERay)n，其中当n＞1,n∈N*时，非瑞利散斑场E'为超瑞利散斑场Esuper-Ray，当0＜n＜1时，非瑞利散斑场E'为亚瑞利散斑场Esub-Ray；
步骤三、通过光场传播算法，将非瑞利散斑场从散斑探测面逆传播距离z得到空间光调制器的光场分布E″，其中z＝z1+z2，z1为分束器和面阵探测器的间距，z2为分束器和空间光调制器的间距；
步骤四、取光场分布E″的相位Φ＝phase(E″)，从而生成用于加载在空间光调制器上的相位分布图，并存储于计算机上；
步骤五、调节入射的准单色光、前置成像镜、分束器、带通滤波片、偏振器、分束器、空间光调制器同轴，通过反复调节，使分束器和面阵探测器的间距为z1，分束器和空间光调制器的间距为z2；
步骤六、通过计算机将预先存储的非瑞利散斑场的相位分布图Φ加载到空间光调制器上；
步骤七、通过标定过程，利用面阵探测器分别记录应用非瑞利散斑场后整个系统的光强传递函数，即系统的测量矩阵A，存储在计算机上；
步骤八、将待测物体放置在系统视场内，调节前置成像镜的物距，使得待测物体成像于前置成像镜的像面上；
步骤九、面阵探测器曝光一次，获得探测光强信号Y，存储在计算机上；
步骤十、根据测量矩阵A和光强信号Y，通过图像恢复算法重构得到基于不同散斑场下的重构图像。
与现有技术相比本发明的技术效果如下：
本发明利用光路可逆的特性，可以在无透镜的情况下，在空间光调制器的任意位置处产生非瑞利散斑场，使得系统结构简单，应用范围广。
本发明可以应用在关联成像中，将其与基于压缩感知的关联成像光谱相机系统相结合，将传统的瑞利散斑场用超瑞利散斑场替代，能够在低信噪比下得到高质量的重构图像。
附图说明
图1是本发明基于非瑞利散斑场的关联成像光谱相机的结构示意图，图中：
1：前置成像镜，2：第一分束器，3：带通滤波片；4：监视探测器， 5：偏振器，6：第二分束器，7：空间光调制器，8：面阵探测器，9：计算机。
具体实施方式
下面结合图1对本发明的基于非瑞利散斑场的关联成像光谱相机作进一步的说明，如图1所示：包括前置成像镜1、第一分束器2、带通滤波片3、监视探测器4和计算机9，其特点在于，还包括偏振器5、第二分束器6、空间光调制器7和面阵探测器8，所述的偏振器5、第二分束器6和空间光调制器7依次位于所述的前置成像镜1的成像面b后，所述的计算机9分别与所述的监视探测器4、空间光调制器7和面阵探测器8相连；
入射光依次经所述的前置成像镜1和第一分束镜2后分为透射光和反射光，沿反射光方向是监视探测器4，透射光依次通过所述的带通滤波片3、偏振器5和第二分束器6后入射到空间光调制器7，经空间光调制器7调制后沿原光路返回入射到所述的第二分束器6，经该第二分束器6反射后，入射到所述的面阵探测器8。
本实施例基于非瑞利散斑场的关联成像光谱相机及其成像方法，主要可以产生超瑞利散斑场和亚瑞利散斑场，其次通过更换加载在空间光调制器上的相位分布图，也可以生成瑞利散斑场。
利用本实施例的基于非瑞利散斑场的关联成像光谱相机的成像方法，其特点在于：该成像方法包括如下步骤：
步骤一、利用计算机仿真通过将平面波经过相位均匀分布在(0～2π) 的随机相位调制器，生成瑞利散斑场ERay；
步骤二、对瑞利散斑场ERay进行指数运算得到非瑞利散斑场E'，即 E′＝(ERay)n，其中当n＞1,n∈N*时，非瑞利散斑场E'为超瑞利散斑场Esuper-Ray，当0＜n＜1时，非瑞利散斑场E'为亚瑞利散斑场Esub-Ray；
步骤三、通过光场传播算法，将非瑞利散斑场从散斑探测面8逆传播距离z得到空间光调制器7的光场分布E″，其中z＝z1+z2，z1为第二分束器6和面阵探测器8的间距，z2为分束器6和空间光调制器7的间距；
步骤四、取光场分布E″的相位Φ＝phase(E″)，从而生成用于加载在空间光调制器上的相位分布图，并存储于计算机9上；
步骤五、调节入射的准单色光、前置成像镜1、第一分束器2、带通滤波片3、偏振器5、第二分束器6、空间光调制器7、同轴，通过反复调节，使第二分束器6和面阵探测器8的间距为z1，分束器6和空间光调制器7的间距为z2；
步骤六、通过计算机9将预先存储的非瑞利散斑场的相位分布图Φ加载到空间光调制器7上；
步骤七、通过标定过程，利用面阵探测器分别记录应用非瑞利散斑场后整个系统的光强传递函数，即系统的测量矩阵A，存储在计算机9 上；
步骤八、将待测物体a放置在系统视场内，调节前置成像镜1的物距，使得待测物体a成像于前置成像镜的像面b上；
步骤九、面阵探测器8曝光一次，获得探测光强信号Y，存储在计算机9上；
步骤十、根据测量矩阵A和光强信号Y，通过图像恢复算法重构得到基于不同散斑场下的重构图像。
综上所述，本发明是一种基于非瑞利散斑场的关联成像光谱相机及其成像方法，利用光路可逆的特性，在无透镜的情况下，可以在空间光调制器后的任意距离处产生非瑞利散斑场。将此方法与基于压缩感知的关联成像光谱相机的系统相结合，不仅具备了原有系统的优势，同时利用超瑞利散斑场进行成像，能够在低信噪比的条件下提高重构图像的质量和分辨率。
Claims (1)
1.一种基于非瑞利散斑场的关联成像光谱相机的成像方法，该关联成像光谱相机，包括前置成像镜(1)、第一分束器(2)、带通滤波片(3)、监视探测器(4)和计算机(9)，还包括偏振器(5)、第二分束器(6)、空间光调制器(7)和面阵探测器(8)，所述的偏振器(5)、第二分束器(6)和空间光调制器(7)依次位于所述的前置成像镜(1)的成像面(b)后，所述的计算机(9)分别与所述的监视探测器(4)、空间光调制器(7)和面阵探测器(8)相连；入射光依次经所述的前置成像镜(1)和第一分束器(2)后分为透射光和反射光，沿反射光方向是监视探测器(4)，透射光依次通过所述的带通滤波片(3)、偏振器(5)和第二分束器(6)后入射到空间光调制器(7)，经空间光调制器(7)调制后沿原光路返回入射到所述的第二分束器(6)，经该第二分束器(6)反射后，入射到所述的面阵探测器(8)；其特征在于：该成像方法包括如下步骤：
步骤一、利用计算机仿真通过将平面波经过相位均匀分布在(0～2π)的随机相位调制器，生成瑞利散斑场ERay；
步骤二、对瑞利散斑场ERay进行指数运算得到非瑞利散斑场E'，即E′＝(ERay)n，其中当n＞1,n∈N*时，非瑞利散斑场E'为超瑞利散斑场Esuper-Ray，当0＜n＜1时，非瑞利散斑场E'为亚瑞利散斑场Esub-Ray；
步骤三、通过光场传播算法，将非瑞利散斑场从散斑探测面逆传播距离z得到空间光调制器(7)的光场分布E″，其中z＝z1+z2，z1为第二分束器(6)和面阵探测器(8)的间距，z2为第二分束器(6)和空间光调制器(7)的间距；
步骤四、取光场分布E″的相位Φ＝phase(E″)，从而生成用于加载在空间光调制器上的相位分布图，并存储于计算机(9)上；
步骤五、调节入射的准单色光、前置成像镜(1)、第一分束器(2)、带通滤波片(3)、偏振器(5)、第二分束器(6)、空间光调制器(7)同轴，通过反复调节，使第二分束器(6)和面阵探测器(8)的间距为z1，第二分束器(6)和空间光调制器(7)的间距为z2；
步骤六、通过计算机(9)将预先存储的非瑞利散斑场的相位分布图Φ加载到空间光调制器(7)上；
步骤七、通过标定过程，利用面阵探测器分别记录应用非瑞利散斑场后整个系统的光强传递函数，即系统的测量矩阵A，存储在计算机(9)上；
步骤八、将待测物体(a)放置在系统视场内，调节前置成像镜(1)的物距，使得待测物体(a)成像于前置成像镜的像面(b)上；
步骤九、面阵探测器(8)曝光一次，面阵探测器(8)获得探测光强信号Y，存储在计算机(9)上；
步骤十、根据测量矩阵A和光强信号Y，通过图像恢复算法重构得到基于不同散斑场下的重构图像。
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