CN110243398A - 一种基于相干检测的相位物体的关联成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相干检测的相位物体的关联成像方法，将光源经过相位调制后投射到散斑生成器上产生散斑，在另一束光路上，将光源投射到相位物体上，两束光通过分束器干涉，将光分成两束相干光，分别用没有空间分辨率的桶探测器接收，通过二阶关联得到相位物体的图像。本发明可以有效降低在做相位物体的关联成像时对于计算和实现的复杂度。本发明具有结构简单、实现便捷的优点，适合于对相位物体的关联成像和适用于低信噪比情况，在实现关联成像设备制备上有很大的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于关联成像领域，具体涉及一种基于相干检测的相位物体的关联成像方法。
背景技术
关联成像(Correlated Imaging)，又称“鬼”成像(Ghost Imaging,GI)，是近些年来量子光学领域的前沿和热点之一。关联成像采用两条光路，一支称为信号光路，指散斑通过物体后的光用一个无空间分辨能力的桶探测器接收；另一支称为参考光路，指散斑在传输一段距离后由具有空间分辨能力的探测器接收。最后对两条光路的探测结果进行二阶关联可以在参考光路得到物体的恢复图像。与传统的成像方式不同的是关联成像可以在不包含物体的光路上恢复出物体图像，这一特性称为非定域性。随着关联成像的发展，热光“鬼”成像、计算“鬼”成像等新型“鬼”成像技术被不断提出。与此同时，随着“鬼”成像性能的提高，各种基于“鬼”成像的应用也得以实现。大量研究表明，“鬼”成像可广泛应用在军事、加密、激光雷达等领域。
上世纪80年代，前苏联学者D.N.Klyshko根据自发参量下转换光子对的纠缠行为，提出了量子关联成像方案。1995年，Pittman等人根据Klyshko的理论首次在实验上实现了量子关联成像。2002年，Bennink等人在实验上利用经典热光源实现了“鬼”成像，证明了利用热光同样可以实现“鬼”成像，在“鬼”成像领域引起了巨大的轰动。2008年，JeffreyH.Shapiro等人理论上提出了计算“鬼”成像可以作为传统“鬼”成像的一种替代技术，2009年Bromberg等人在实验上实现了计算“鬼”成像，即单探测光路的“鬼”成像方案，其中旋转的毛玻璃由计算机控制的空间光调制器(SLM)替代。2010年，Ferri F基于热光“鬼”成像提出差分“鬼”成像方案，在成像时只传输物体的差分信息，降低了背景噪声对恢复图像质量的影响，从而提高了成像的质量。2015年，Zhang Z B等人提出了一种通过获取图像傅里叶频谱的方法来实现单像素成像，该方法大大提高了重建图像的质量。
随着“鬼”成像的技术发展，从量子关联成像到热光鬼成像，发展到计算鬼成像，在这其中各种优化算法得到应用，单像素成像也随之应用。对于如何优化和降低关联成像的复杂度和更好的得到恢复图像，成为一个需要解决的技术问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于相干检测的相位物体的关联成像方法，该方法使用相干检测来对相位物体进行测量，通过二次的相位调制，得到四组桶探测器值，利用四组光强值来进行成像，以此来减少测量相位物体的关联成像复杂度，得到物体的相位信息。因此，本方案为关联成像的发展提供了新的思路和参考方法，优化和降低了关联成像对于相位物体的成像过程。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于相干检测的相位物体的关联成像方法，包括以下步骤：
步骤一：首先将光源一经过相位调制器进行相位一为β1的调制，然后投射到散斑生成器上，同时使用计算机产生一组随机散斑，并对散斑加载到散斑生成器上，生成光束一，其中，所述随机散斑共有M个，第m个随机散斑的数学表达式为wm，并且此处光束一的光场为Bm(x,y)，光源二投射过相位物体，得到光束二，此光束二的光场为T(x,y)，两束光同时经过分束器进行相干作用，生成两束相干光束，分别为相位一的光束一的相干光束，相位一的光束二的相干光束；
步骤二：相位一的光束一的相干光束通过无空间分辨能力的桶探测器一接收，得到的第一桶探测器值一为相位一的光束二的相干光束通过无空间分辨能力的桶探测器二接收，得到的第一桶探测器值为一将步骤一中的相位调制器进行相位二为β2的调制，重复步骤一，得到相位二的光束一的相干光束，相位二的光束二的相干光束，相位二的光束一的相干光束通过无空间分辨能力的桶探测器一接收，得到的第二桶探测器值二为相位二的光束二的相干光束通过无空间分辨能力的桶探测器二接收，得到的第二桶探测器值二为
步骤三：通过第一桶探测器值一为第一桶探测器值为一来获得相位物体的实部信息，通过第二桶探测器值二为第二桶探测器值二为来获得相位物体的虚部信息，由此得到相位物体的表达式:
其中，fm(β1)表示第m次测量时第一桶探测器值与第二桶探测器值在β1相位调制下的差，fm(β2)表示第m次测量时第一桶探测器值与第二桶探测器值在β2相位调制下的差；
步骤四：通过二阶关联成像公式可得到目标相位图像T(x,y)；二阶关联成像公式为：
其中，G表示二阶关联函数，∝表示正比于，M表示散斑的测量次数，f(β1)表示第一桶探测器的值，f(β2)表示第二桶探测器的值，<·>表示求算数平均值，j表示虚数，Bm表示第m个散斑的空间强度分布。
优选的：相位一β1的大小为0。
优选的：相位二β2的大小为
优选的：对于相位物体共进行了2M次测量。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
1.通过两束光的相干作用，可以在分束器上测到相干光束的光强，通过光强可以得到相位物体T(x,y)。因此通过相干检测方法,可以有效的对相位物体进行成像，并且降低计算和实现的复杂度，适用于低信噪比的环境。
2.经过两次相干检测，第一次相位调制为0，第二次相位调制为通过计算两次相干检测的结果进行成像，同时获得物体的实部和虚部信息。
3.本发明提供的干检测的相位物体的关联成像方法，采用相干检测的方法来进行关联成像，提出了一种新的关联成像方式，在进行相位物体测量的时候优化了其结构，降低其实现的复杂度，适应于低信噪比的情况，应用前景广泛。
本发明可以有效降低在做相位物体的关联成像时对于计算和实现的复杂度。本发明具有结构简单、实现便捷的优点，适合于对相位物体的关联成像和适用于低信噪比情况，在实现关联成像设备制备上有很大的应用前景。
附图说明
图1为基于相干检测的相位物体的关联成像方法示意图
图2为相干检测的相位物体的关联成像方法的原始相位物体图像和恢复相位物体图像
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种基于相干检测的相位物体的关联成像方法，图1所示，图中所使用的散斑照射到物体后，桶探测器去接收相干光束的光强，相位物体的透射(反射)函数为T(x,y)，包括以下步骤：
步骤一：首先将一束光经过相位调制器(调制相位为0)，投射到散斑生成器上，同时使用计算机产生一组随机散斑，并对散斑加载到散斑生成器上，其中，所述随机散斑共有M个，设第m个随机散斑的数学表达式为wm，并且此处的光场为Bm(x,y)，另外一束光源投射过相位物体，此束光场为T(x,y)，两束光同时经过分束器进行相干作用，生成两束相干光束。
步骤二：这两束相干光束通过两个无空间分辨能力的桶探测器接收，得到的桶探测器值为然后，将步骤一中的相位调制器调制相位为重复步骤一的工作，两个无空间分辨能力的桶探测器的值分别为
步骤三：通过桶探测器值为来获得相位物体的实部信息，通过桶探测器值为 来获得相位物体的虚部信息，由此可以得到相位物体的表达式:
步骤四：通过二阶关联成像公式可得到目标相位图像T(x,y)。二阶关联成像公式为：
相位物体所用的散斑数为M个，对于相位物体共进行了2M次测量。
通过上述过程，对散斑和桶探测器值使用二阶关联算法可以得到未知物体的图像，且有光束的相干性可知，此关联成像的成像结构具有一定的抗噪声性能，适用于低信噪比的环境。因此，通过相干检测的相位物体的关联成像方法可以降低对于相位物体成像的复杂度，并且优化鬼成像的结构使其更简单，在其成像质量上也有提升。
实施例1：Lena图
图2为基于相干检测的相位物体的关联成像方法的原始图像和恢复图像。此图像大小为64×64。
综上所述，采用本发明基于相干检测的相位物体的关联成像方法对未知相位物体图像进行恢复时，能够有效的对相位物体进行恢复，并且具有一定的抗噪声性能。本发明提供的基于相干检测的相位物体的关联成像方法，采用相干检测对相位物体进行恢复，可有效提高成像质量，降低相位物体成像实现的复杂度，应用前景广泛。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于相干检测的相位物体的关联成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：首先将光源一经过相位调制器进行相位一为β1的调制，然后投射到散斑生成器上，同时使用计算机产生一组随机散斑，并对散斑加载到散斑生成器上，生成光束一，其中，所述随机散斑共有M个，第m个随机散斑的数学表达式为wm，并且此处光束一的光场为Bm(x,y)，光源二投射过相位物体，得到光束二，此光束二的光场为T(x,y)，两束光同时经过分束器进行相干作用，生成两束相干光束，分别为相位一的光束一的相干光束，相位一的光束二的相干光束；
步骤二：相位一的光束一的相干光束通过无空间分辨能力的桶探测器一接收，得到的第一桶探测器值一为相位一的光束二的相干光束通过无空间分辨能力的桶探测器二接收，得到的第一桶探测器值为一将步骤一中的相位调制器进行相位二为β2的调制，重复步骤一，得到相位二的光束一的相干光束，相位二的光束二的相干光束，相位二的光束一的相干光束通过无空间分辨能力的桶探测器一接收，得到的第二桶探测器值二为相位二的光束二的相干光束通过无空间分辨能力的桶探测器二接收，得到的第二桶探测器值二为
步骤三：通过第一桶探测器值一为第一桶探测器值为一来获得相位物体的实部信息，通过第二桶探测器值二为第二桶探测器值二为来获得相位物体的虚部信息，由此得到相位物体的表达式:
其中，fm(β1)表示第m次测量时第一桶探测器值与第二桶探测器值在β1相位调制下的差，fm(β2)表示第m次测量时第一桶探测器值与第二桶探测器值在β2相位调制下的差；
步骤四：通过二阶关联成像公式可得到目标相位图像T(x,y)；二阶关联成像公式为：
其中，G表示二阶关联函数，∝表示正比于，M表示散斑的测量次数，f(β1)表示第一桶探测器的值，f(β2)表示第二桶探测器的值，<·>表示求算数平均值，j表示虚数，Bm表示第m个散斑的空间强度分布。
2.根据权利要求1所述基于相干检测的相位物体的关联成像方法，其特征在于：相位一β1的大小为0。
3.根据权利要求2所述基于相干检测的相位物体的关联成像方法，其特征在于：相位二β2的大小为
4.根据权利要求3所述基于相干检测的相位物体的关联成像方法，其特征在于：对于相位物体共进行了2M次测量。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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