CN109900355A - 成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种成像方法，应用于光学成像技术领域，包括：将激光照射旋转的毛玻璃形成随机涨落光场，使用该随机涨落光场照明成像目标，形成携带有成像目标振幅和相位信息的光波，并探测该光波的光强，然后，计算随机涨落光场中所有像素的光强值，当随机涨落光场中连续多个像素的光强值相同时，重建随机涨落光场，对重建后的随机涨落光场的光强和光波的光强进行关联计算，得到对重建后的随机涨落光场的光强和光波的光强的强度关联项，根据该强度关联项，生成成像目标的图像。本发明还公开了一种成像装置，提高了图像的重建速度及分辨率。

Description

成像方法及装置

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种成像方法及装置。

背景技术

传统的光学成像中，光学系统相当于低通滤波器，携带目标信息的光波经 过有限孔径后，目标信息中的高频成分被滤除，所成像的细节信息丢失，从而 导致图像边缘模糊，降低系统分辨率。关联成像由于采用经过成像目标后到达 探测器的总光强进行目标图像重建，对于孔径有限的成像系统，有限的孔径对 系统总光强的影响仅仅为一个衰减因子，总光强的衰减并不会导致图像边缘的 模糊，理论上可以突破经典光学系统衍射极限，实现高分辨率成像，因此成为 国内外研究热点。

关联成像主要包括双臂关联成像及鬼成像技术。双臂关联成像成像及图像 重建速度较慢。鬼成像该系统中需要引入数字微透镜阵列或者投影系统等复杂 的光学模块，用于产生随机涨落的光场分布。数字微透镜阵列的像素单元为10 μm左右，光场经过传输后分辨率相对较低，目前仅能用于遥感、建筑物或日 常宏观物体的成像。同时，由于成像系统中的毛玻璃的表面结构的精细程度存 在极限，当涨落光场的最小精度发生下降时，容易出现多个像素表现为同一光 强的情况。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种成像方法及装置，用于至少部分解决上述 技术问题。

为实现上述目的，本发明实施例第一方面提供一种成像方法，包括：

将激光照射旋转的毛玻璃形成随机涨落光场，并使用所述随机涨落光场照 明成像目标，形成携带有所述成像目标振幅和相位信息的光波，并探测所述光 波的光强；

计算所述随机涨落光场中所有像素的光强值，当所述随机涨落光场中连续 多个像素的光强值相同时，重建所述随机涨落光场；

对重建后的所述随机涨落光场的光强和所述光波的光强进行关联计算，得 到重建后的所述随机涨落光场的光强和所述光波的光强的强度关联项，根据所 述强度关联项，生成所述成像目标的图像。

进一步地，所述当所述随机涨落光场中连续多个像素的光强相同时，重建 所述随机涨落光场包括：

获取所述光强相同的连续的多个像素的光强值；

查找与所述多个像素相邻的第一相邻像素和第二相邻像素，所述第一相邻 像素的光强值小于所述多个像素的光强值，所述第二相邻像素的光强值大于所 述多个像素的光强值；

利用线性插值法，以所述第一相邻像素的光强值为最小值，所述第二相邻 像素的光强值为最大值，替换所述多个像素的光强值。

进一步地，所述将激光照射旋转的毛玻璃形成随机涨落光场包括：

将所述毛玻璃绕其中心轴以预设角度旋转，直至所述毛玻璃绕其中心轴旋 转一周，形成所述随机涨落光场。

进一步地，所述计算所述随机涨落光场中所有像素的光强值包括：

建立所述毛玻璃的模型；

每次以所述预设角度旋转后，记录所述激光照射至所述毛玻璃的模型所形 成的随机光强分布数据；

获取所述毛玻璃的模型绕其中心轴旋转一周后所有的随机光强分布数据；

根据所述所有的随机光强分布数据，得到所述随机涨落光场中所有像素的 光强值。

进一步地，所述对重建后的所述随机涨落光场的光强和所述光波的光强进 行关联计算，得到重建后的所述随机涨落光场的光强和所述光波的光强的强度 关联项包括：

令重建后的所述随机涨落光场的光强和所述光波的光强的强度关联项为 (ΔI₁(x₁)ΔI₂(x₂，y₂))，则：

(ΔI₁(x₁)ΔI₂(x₂，y₂))＝(I₁(x₁)I₂(x₂，y₂))-(I₁(x₁))(I₂(x₂，y₂))；

其中，I₁(x₁)为所述光波的光强，I₂(x₂，y₂)为重建后的所述随机涨落光场的 光强，ΔI₁(x₁)为所述光波的光强的涨落，ΔI₂(x₂，y₂)为重建后的所述随机涨落光 场的光强的涨落，x₁为探测所述光波的光强的探测器横向坐标，x₂，y₂为重建后 所述随机涨落光场的位置坐标。

进一步地，所述根据所述强度关联项，生成所述成像目标的图像包括：

令所述成像目标的强度函数为t(x₀)，则所述强度关联项(ΔI₁(x₁)ΔI₂(x₂，y₂))与所述成像目标之间满足(ΔI₁(x₁)ΔI₂(x₂，y₂))∝|t(x₀)|²。

进一步地，所述毛玻璃的表面结构为微纳结构。

本发明实施例第二方面提供一种成像装置，包括：

激光器、毛玻璃、成像目标和单像素探测器；

所述激光器，用于发射激光至所述毛玻璃表面的微纳结构；

所述毛玻璃，用于对所述激光进行调制形成随机涨落光场，并将所述激光 传播至所述成像目标；

所述成像目标，用于使所述激光携带自身的振幅信息和相位信息；

所述单像素探测器，用于探测携带有所述振幅信息和相位信息的激光。

进一步地，所述成像装置还包括随机涨落光场重建模块，用于计算所述随 机涨落光场中所有像素的光强值，当所述随机涨落光场中连续多个像素的光强 值相同时，重建所述随机涨落光场

进一步地，所述当所述随机涨落光场中连续多个像素的光强相同时，重建 所述随机涨落光场包括：

获取所述光强相同的连续的多个像素的光强值；

查找与所述多个像素相邻的第一相邻像素和第二相邻像素，所述第一相邻 像素的光强值小于所述多个像素的光强值，所述第二相邻像素的光强值大于所 述多个像素的光强值；

利用线性插值法，以所述第一相邻像素的光强值为最小值，所述第二相邻 像素的光强值为最大值，替换所述多个像素的光强值。

从上述本发明实施例可知，本发明提供的成像方法方法及装置，成像过程 中不再采用分光镜与面阵探测器、数字微透镜阵列或者投影系统等复杂的光学 模块，简化了系统的复杂度，实现单臂强度关联成像，并提高了成像速度，同 时，解决了由于毛玻璃的表面结构的精细程度存在极限，当涨落光场的最小精 度发生下降时出现多个像素表现为同一光强的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创 造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的成像方法的流程示意图；

图2为本发明另一实施例提供的随机涨落光场的光强示意图；

图3为本发明另一实施例提供的重建后的随机涨落光场的光强示意图；

图4为本发明又一实施例提供的成像装置的结构示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结 合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基 于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的 所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明一实施例提供的成像方法的流程示意图，该方 法主要包括以下步骤：

S101、将激光照射旋转的毛玻璃形成随机涨落光场，并使用该随机涨落光 场照明成像目标，形成携带有该成像目标振幅和相位信息的光波，并探测该光 波的光强；

将毛玻璃绕其中心轴以预设角度旋转，直至毛玻璃绕其中心轴旋转一周， 形成随机涨落光场。示例性的，预设角度为0.365°，将毛玻璃绕其中心轴以 0.365°旋转1000次，即旋转一周。

该光波的光强可采用单像素探测器探测，单像素探测器快速响应探测步携 带有成像目标振幅信息和相位信息的光波的光强。

S102、计算该随机涨落光场中所有像素的光强值，当该随机涨落光场中连 续多个像素的光强值相同时，重建该随机涨落光场；

检测该随机涨落光场中所有像素的光强值。首先采用面型测量仪或者原子 力显微镜测量毛玻璃的表面面型，在本发明实施例中，毛玻璃表面结构为微纳 结构，提升成像结果的清晰度。在电磁场仿真软件，例如FDTD Solution、FEM、 CST中建立毛玻璃的模型，具体，应为建立毛玻璃表面结构的模型。每次以预 设角度旋转后，记录激光照射至毛玻璃的模型所形成的随机光强分布数据，获 取毛玻璃的模型绕其中心轴旋转一周后所有的随机光强分布数据，根据所有的 随机光强分布数据，得到随机涨落光场中所有像素的光强值，也即所用激光光 波与毛玻璃表面微纳结构交互产生的随机涨落光场分布I₂(x₂，y₂)，并存储。该过 程中随机涨落光场的最小单元可以由仿真软件的网格精细程度进行人为控制，实现随机涨落光场的分辨率可调，提高整个系统的成像分辨率。最小单元越精 细，所需计算时间越长。即便如此，随机涨落光场分布数据的计算时长并不影 响实际成像过程中图像的重建时长。

由于毛玻璃的表面结构的精细程度存在极限，且涨落光场的最小精度容易 产生下降，出现多个像素表现为同一光强的情况。在此情况下，即便计算的随 机涨落光场的分辨率极高，在很多像素强度值相同的情况下，高的分辨率是无 意义的。

此时，当该随机涨落光场中连续多个像素的光强值相同时，重建该随机涨 落光场。具体的，首先，获取光强相同的连续的多个像素的光强值，查找与多 个像素相邻的第一相邻像素和第二相邻像素，该第一相邻像素的光强值小于该 多个像素的光强值，该第二相邻像素的光强值大于该多个像素的光强值，然后 利用线性插值法，以该第一相邻像素的光强值为最小值，该第二相邻像素的光 强值为最大值，替换该多个像素的光强值。示例性的，如图2所示，当检测到 该行多个连续像素强度均为5时，检索比5小且与5相邻的数，以及比5大且 与5相邻的数，分别为3与8。在3与8之间，按照5出现的个数进行数学插 值，分别替换掉3与8之间的5，从而得到如图3中所示的重建后的随机涨落 光场的光强值示意图。

S103、对重建后的随机涨落光场的光强和光波的光强进行关联计算，得到 重建后的随机涨落光场的光强和光波的光强的强度关联项，根据该强度关联项， 生成该成像目标的图像。

令重建后的随机涨落光场的光强和光波的光强的强度关联项为 (ΔI₁(x₁)ΔI₂(x₂，y₂))，则：

(ΔI₁(x₁)ΔI₂(x₂，y₂))＝(I₁(x₁)I₂(x₂，y₂))-(I₁(x₁))(I₂(x₂，y₂)) 式(1)

其中，I₁(x₁)为光波的光强，I₂(x₂，y₂)为重建后的随机涨落光场的光强，ΔI₁(x₁)为光波的光强的涨落，ΔI₂(x₂，y₂)为重建后的随机涨落光场的光强的涨落，x₁为 探测光波的光强的探测器横向坐标，x₂，y₂为随机涨落光场的位置坐标。

然后，令成像目标的强度函数为t(x₀)，则强度关联项(ΔI₁(x₁)ΔI₂(x₂，y₂))与成像目标之间满足：

(ΔI₁(x₁)ΔI₂(x₂，y₂))∝|t(x₀)|₂ 式(2)

然后，联立式(1)和式(2)即可重建出该成像目标的图像。

在本发明实施例中，将激光照射旋转的毛玻璃形成随机涨落光场，使用重 建后的随机涨落光场照明成像目标，形成携带有成像目标振幅和相位信息的光 波，并探测该光波的光强，计算随机涨落光场中所有像素的光强值，当随机涨 落光场中连续多个像素的光强值相同时，重建随机涨落光场，对重建后的随机 涨落光场的光强和光波的光强进行关联计算，得到对重建后的随机涨落光场的 光强和光波的光强的强度关联项，根据该强度关联项，生成成像目标的图像， 提高了图像的重建速度及分辨率。

请参阅图4，图4是本发明又一实施例提供的成像装置的结构示意图，该 装置主要包括：

激光器1、毛玻璃2、成像目标3和单像素探测器4；

激光器1，用于发射激光至毛玻璃2表面的微纳结构；

毛玻璃2，用于对该激光进行调制形成随机涨落光场，并将该激光传播至 成像目标3；

其中，随机涨落光场的光强通过求解激光与毛玻璃2表面微纳结构的交互 结果得到。随机涨落光场的光强计算过程为：

首先，采用面型测量仪或者原子力显微镜测量毛玻璃2的表面面型，并根 据测量的表面面型在电磁场仿真软件中建立仿真毛玻璃2的表面模型，设置该 模型的尺寸、折射率、表面反射率等参数。

然后，插入光源模型，按照具体的光学结构设置该光源模型的光源参数， 该光源参数包括光源模型与毛玻璃2的模型的距离及相对角度，光源模型的横 截面积、光源类型、光源波长及偏振态等，并设置近场观测探测器，确保计算 的准确性。

最后，建立坐标系，对毛玻璃2的模型划分计算范围及计算单元网格，在 计算范围内按照划分的计算单元网格进行麦克斯韦方程求解，得到随机涨落光 场的光强。计算过程中，固定毛玻璃2的模型位置，求解得到一组随机涨落光 场的光强，按照预设角度绕毛玻璃2的模型的中心轴旋转毛玻璃2的模型，将 毛玻璃2的模型绕其中心轴以预设角度旋转，直至毛玻璃2的模型绕其中心轴 旋转一周，求解得到n组随机涨落光场的光强，用于后续强度关联重建图像。 该过程中随机涨落光场的最小单元可以由仿真软件的网格精细程度进行人为控 制，实现随机涨落光场的分辨率可调，提高整个系统的成像分辨率。

成像目标3，用于使该激光携带自身的振幅信息和相位信息；

单像素探测器4，用于探测携带有振幅信息和相位信息的激光。

然后，令重建后的随机涨落光场的光强和光波的光强的强度关联项为 (ΔI₁(x₁)ΔI₂(x₂，y₂))，则：

(ΔI₁(x₁)ΔI₂(x₂，y₂))＝(I₁(x₁)I₂(x₂，y₂))-(I₁(x₁))(I₂(x₂，y₂))；

其中，I₁(x₁)为光波的光强，I₂(x₂，y₂)为重建后的随机涨落光场的光强，ΔI₁(x₁)为所光波的光强的涨落，ΔI₂(x₂，y₂)为重建后的随机涨落光场的光强的涨落，x₁为 探测光波的光强的探测器横向坐标，x₂，y₂为重建后随机涨落光场的位置坐标。

然后，令成像目标的强度函数为t(x₀)，则强度关联项(ΔI₁(x₁)ΔI₂(x₂，y₂))与成像目标之间满足(ΔI₁(x₁)ΔI₂(x₂，y₂))∝|t(x₀)|²，进而可重构该成像目标。

进一步地，该成像装置还包括随机涨落光场重建模块，用于计算随机涨落 光场中所有像素的光强值，当随机涨落光场中连续多个像素的光强值相同时， 重建随机涨落光场。具体的，获取光强相同的连续的多个像素的光强值，查找 与多个像素相邻的第一相邻像素和第二相邻像素，第一相邻像素的光强值小于 多个像素的光强值，第二相邻像素的光强值大于多个像素的光强值，利用线性 插值法，以第一相邻像素的光强值为最小值，第二相邻像素的光强值为最大值， 替换多个像素的光强值。

在本发明实施例中，将激光照射旋转的毛玻璃形成随机涨落光场，使用重 建后的随机涨落光场照明成像目标，形成携带有成像目标振幅和相位信息的光 波，并探测该光波的光强，计算随机涨落光场中所有像素的光强值，当随机涨 落光场中连续多个像素的光强值相同时，重建随机涨落光场，对重建后的随机 涨落光场的光强和光波的光强进行关联计算，得到对重建后的随机涨落光场的 光强和光波的光强的强度关联项，根据该强度关联项，生成成像目标的图像， 提高了图像的重建速度及分辨率。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述 为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的 动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。 其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施 例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详 述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本发明所提供的成像方法及装置的描述，对于本领域的一般技术 人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之 处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种成像方法，其特征在于，包括：

将激光照射旋转的毛玻璃形成随机涨落光场，并使用所述随机涨落光场照明成像目标，形成携带有所述成像目标振幅和相位信息的光波，并探测所述光波的光强；

计算所述随机涨落光场中所有像素的光强值，当所述随机涨落光场中连续多个像素的光强值相同时，重建所述随机涨落光场；

对重建后的所述随机涨落光场的光强和所述光波的光强进行关联计算，得到重建后的所述随机涨落光场的光强和所述光波的光强的强度关联项，根据所述强度关联项，生成所述成像目标的图像。

2.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述当所述随机涨落光场中连续多个像素的光强相同时，重建所述随机涨落光场包括：

获取所述光强相同的连续的多个像素的光强值；

查找与所述多个像素相邻的第一相邻像素和第二相邻像素，所述第一相邻像素的光强值小于所述多个像素的光强值，所述第二相邻像素的光强值大于所述多个像素的光强值；

利用线性插值法，以所述第一相邻像素的光强值为最小值，所述第二相邻像素的光强值为最大值，替换所述多个像素的光强值。

3.根据权利要求1或2所述的成像方法，其特征在于，所述将激光照射旋转的毛玻璃形成随机涨落光场包括：

将所述毛玻璃绕其中心轴以预设角度旋转，直至所述毛玻璃绕其中心轴旋转一周，形成所述随机涨落光场。

4.根据权利要求3所述的成像方法，其特征在于，所述计算所述随机涨落光场中所有像素的光强值包括：

建立所述毛玻璃的模型；

每次以所述预设角度旋转后，记录所述激光照射至所述毛玻璃的模型所形成的随机光强分布数据；

获取所述毛玻璃的模型绕其中心轴旋转一周后所有的随机光强分布数据；

根据所述所有的随机光强分布数据，得到所述随机涨落光场中所有像素的光强值。

5.根据权利要求1或2所述的成像方法，其特征在于，所述对重建后的所述随机涨落光场的光强和所述光波的光强进行关联计算，得到重建后的所述随机涨落光场的光强和所述光波的光强的强度关联项包括：

令重建后的所述随机涨落光场的光强和所述光波的光强的强度关联项为(ΔI₁(x₁)ΔI₂(x₂，y₂))，则：

(ΔI₁(x₁)ΔI₂(x₂，y₂))＝(I₁(x₁)I₂(x₂，y₂))-(I₁(x₁))(I₂(x₂，y₂))；

其中，I₁(x₁)为所述光波的光强，I₂(x₂，y₂)为重建后的所述随机涨落光场的光强，ΔI₁(x₁)为所述光波的光强的涨落，ΔI₂(x₂，y₂)为重建后的所述随机涨落光场的光强的涨落，x₁为探测所述光波的光强的探测器横向坐标，x₂，y₂为重建后所述随机涨落光场的位置坐标。

6.根据权利要求5所述的成像方法，其特征在于，所述根据所述强度关联项，生成所述成像目标的图像包括：

令所述成像目标的强度函数为t(x₀)，则所述强度关联项(ΔI₁(x₁)ΔI₂(x₂，y₂))与所述成像目标之间满足(ΔI₁(x₁)ΔI₂(x₂，y₂))∝|t(x₀)|²。

7.根据权利要求1或2所述的成像方法，其特征在于，所述毛玻璃的表面结构为微纳结构。

8.一种成像装置，其特征在于，包括：

激光器、毛玻璃、成像目标和单像素探测器；

所述激光器，用于发射激光至所述毛玻璃表面的微纳结构；

所述毛玻璃，用于对所述激光进行调制形成随机涨落光场，并将所述激光传播至所述成像目标；

所述成像目标，用于使所述激光携带自身的振幅信息和相位信息；

所述单像素探测器，用于探测携带有所述振幅信息和相位信息的激光。

9.根据权利要求8所述的成像装置，其特征在于，所述成像装置还包括随机涨落光场重建模块，用于计算所述随机涨落光场中所有像素的光强值，当所述随机涨落光场中连续多个像素的光强值相同时，重建所述随机涨落光场。

10.根据权利要求9所述的成像装置，其特征在于，所述当所述随机涨落光场中连续多个像素的光强相同时，重建所述随机涨落光场包括：

获取所述光强相同的连续的多个像素的光强值；

查找与所述多个像素相邻的第一相邻像素和第二相邻像素，所述第一相邻像素的光强值小于所述多个像素的光强值，所述第二相邻像素的光强值大于所述多个像素的光强值；

利用线性插值法，以所述第一相邻像素的光强值为最小值，所述第二相邻像素的光强值为最大值，替换所述多个像素的光强值。