CN110244471A - 基于柯勒照明的计算鬼成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柯勒照明的计算鬼成像系统及方法，该系统包括在光路上依次设置的He‑Ne激光器、扩束镜、准直透镜、光阑、起偏器、空间光调制器、检偏器、柯勒镜、孔径光阑、视场光阑、聚光镜、待成像物体、会聚透镜、桶探测器，其中，所述空间光调制器和所述桶探测器分别与计算机电性连接，所述计算机用于通过计算鬼成像技术获取所述待成像物体的高对比度图像，将柯勒照明方式与洛伦兹整形非相干光源引入到计算鬼成像过程中。本发明结合柯勒照明方式与洛伦兹整形非相干光源，能够消除物平面光照度不均匀的缺陷和提高计算鬼成像系统的分辨能力，实现待成像物体高对比度和高分辨率的计算鬼成像。

Description

基于柯勒照明的计算鬼成像系统及方法

技术领域

本发明涉及计算成像技术领域，特别是涉及一种基于柯勒照明的计算鬼成像系统及方法。

背景技术

鬼成像，也称关联成像，起源于上世纪九十年代物理学家对量子纠缠光子对的非定域特性研究。在鬼成像过程中，先将一束激光照射在旋转毛玻璃上，产生具有随机散斑分布特性的赝热光场；然后在赝热光场后放置一个无偏振特性的5-5分束器，使其产生两束具有相同分布特性的光束，其中一束光经过待成像物体后被桶探测器接收，称之为测试光路；另一束经自由空间传播后被高分辨面探测器接收，称之为参考光路。通过适当设置参考光路中面探测器的位置，最后将测试光路中桶探测器收集的信息与参考光路中面探测器收集的信息进行关联运算，便可获得待成像物体的全部信息。由于测试光路中的桶探测器没有空间分辨能力，而参考光路中的面探测器并没有直接接触到待成像物体，因此任一单光路都无法获得待成像物体的图像信息，但通过关联运算却可以清晰地还原物体的像。故有人将鬼成像过程理解为利用一个高分辨率相机对着一个它本身看不到的物体进行拍照。由于它具有强抗干扰特性、高灵敏探测特性、广视角成像特性，鬼成像技术已经在天文观测、遥感成像、军事侦查、医疗成像等领域展现出极大地应用潜能。

随着鬼成像研究的不断深入，2008年麻省理工学院研究人员提出了计算鬼成像的构架，发现参考光路可以通过计算的方式获得，使鬼成像系统由两光路变成了单光路，这大大简化了鬼成像的实验构架，有利于促进鬼成像技术在真实环境下的应用。在鬼成像中，光源的分布特性对系统的成像质量有着极其重要的作用。

目前研究人员已经开展了一系列基于光场整形技术改善鬼成像质量的研究工作，例如基于整形多高斯光源可以提高鬼成像系统的成像分辨能力，利用贝赛尔光束可以实现复杂环境下的高质量鬼成像。虽然上述方法对提高鬼成像系统的分辨率具有一定效果，但图像的对比度反而会有所下降，即目前鬼成像过程中图像对比度与分辨率之间存在相互制约的问题。

发明内容

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于柯勒照明的计算鬼成像系统，以解决鬼成像过程中图像对比度与分辨率之间存在相互制约的问题。

一种基于柯勒照明的计算鬼成像系统，包括在光路上依次设置的He-Ne激光器、扩束镜、准直透镜、光阑、起偏器、空间光调制器、检偏器、柯勒镜、孔径光阑、视场光阑、聚光镜、待成像物体、会聚透镜、桶探测器，其中，所述空间光调制器和所述桶探测器分别与计算机电性连接，所述计算机用于通过计算鬼成像技术获取所述待成像物体的高对比度图像，将柯勒照明方式与洛伦兹整形非相干光源引入到计算鬼成像过程中。

本发明的另一个目的在于提出一种基于柯勒照明的计算鬼成像方法，以解决鬼成像过程中图像对比度与分辨率之间存在相互制约的问题。

该基于柯勒照明的计算鬼成像方法应用于上述的基于柯勒照明的计算鬼成像系统，所述方法包括：

利用所述空间光调制器对所述He-Ne激光器产生的激光束进行整形产生洛伦兹非相干光场；

利用柯勒照明方式对所述待成像物体进行均匀照明；

通过数值计算方法获取参考光路上的强度分布信息；

利用所述桶探测器采集测试光路上所述待成像物体的总强度信息；

通过强度涨落关联运算获取所述待成像物体的图像信息。

根据本发明提供的基于柯勒照明的计算鬼成像系统及方法，通过柯勒照明方式可以消除物平面光照度不均匀的缺点，实现待成像物体的高对比度成像，同时基于洛伦兹整形非相干光源，可以提高成像系统的分辨能力与成像距离，在真实环境下可实现待成像物体的高分辨率鬼成像，且图像对比度好，有效解决了鬼成像过程中图像对比度与分辨率之间存在相互制约的问题，此外，该系统还具有鲁棒性好、灵敏度高、安装方便的优点。

另外，根据本发明上述的基于柯勒照明的计算鬼成像方法，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述利用所述空间光调制器对所述He-Ne激光器产生的激光束进行整形产生洛伦兹非相干光场的步骤具体包括：

通过所述计算机生成M张具有洛伦兹分布特性的随机散斑图，其中散斑图的尺寸为N₁×N₁，与所述空间光调制器可加载图片的尺寸相对应，所述随机散斑图的中心是一个N₀×N₀的有效散斑区域，且N₀<N₁，有效散斑区域以外图像的灰度值为0；

在所述空间光调制器上加载一幅具有洛伦兹分布特性的随机散斑图，调节所述He-Ne激光器、所述扩束镜、所述准直透镜和所述光阑的位置、方向及大小，使调节后的所述He-Ne激光器可以完全覆盖所述空间光调制器上加载散斑的有效区域；

通过连续不断的更新加载具有洛伦兹分布特性的随机散斑图，以产生洛伦兹非相干散斑光场。

进一步地，所述利用柯勒照明方式对所述待成像物体进行均匀照明的步骤中，所述空间光调制器的平面与所述视场光阑平面相对于所述柯勒镜构成理想物像关系，所述孔径光阑平面与所述待成像物体平面相对于所述聚光镜构成理想物像关系，通过调节所述孔径光阑与所述视场光阑的大小以实现所述待成像物体的高亮度均匀照明。

进一步地，所述通过数值计算方法获取参考光路上的强度分布信息的步骤具体包括：

当所述空间光调制器上未加载图片时，所述空间光调制器平面处的光场分布记为E₀(x,y)，其中x,y表示所述空间光调制器平面处的二维坐标变量；当随机散斑图形加载到所述空间光调制器时，经所述空间光调制器调制后的光场分布记为：

上式中，代表第n次加载到所述空间光调制器上的具有洛伦兹分布的随机散斑光场；

利用菲涅尔衍射公式，计算出第n幅随机散斑图形经自由空间传播后所对应的参考光路上光场强度分布信息，记为：

上式中，ξ,η表示参考光场处的二维坐标变量；λ表示激光的波长；d代表所述空间光调制器与参考光场之间的距离。

进一步地，所述利用所述桶探测器采集测试光路上所述待成像物体的总强度信息的步骤包括：

调整所述会聚透镜和所述桶探测器的位置，使所述桶探测器位于所述会聚透镜的后焦平面上，以接收到从所述待成像物体透射过来的总光场强度；

通过控制所述计算机使所述空间光调制器上散斑图片的加载速度与所述桶探测器采集数据的速度保持同步，即所述空间光调制器每更新加载一幅随机散斑图，所述桶探测器正好更新采集一幅经所述待成像物体透射后的总光场强度，记为O⁽ⁿ⁾，其中n代表第n次测量。

进一步地，所述通过强度涨落关联运算获取所述待成像物体的图像信息的步骤具体包括：

采用下式对所述强度分布信息和所述总强度信息进行关联运算，以计算出所述待成像物体的图像信息：

上式中， 表示第n幅随机散斑图形加载后所对应参考光路上的强度分布，M表示测量次数。

附图说明

本发明实施例的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的基于柯勒照明的计算鬼成像系统的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的基于柯勒照明的计算鬼成像方法的流程图；

图3是计算机产生洛伦兹随机散斑的示意图；

图4是激光光束与空间光调制器位置关系的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，本发明实施例提出的基于柯勒照明的计算鬼成像系统，包括在光路上依次设置的He-Ne激光器101、扩束镜102、准直透镜103、光阑104、起偏器105、空间光调制器106、检偏器107、柯勒镜108、孔径光阑109、视场光阑110、聚光镜111、待成像物体112、会聚透镜113、桶探测器114，其中，所述空间光调制器106和所述桶探测器114分别与计算机115电性连接，所述计算机115用于通过计算鬼成像过程获取待成像物体的高对比度图像，其中，将柯勒照明方式与洛伦兹整形非相干光源引入到计算鬼成像过程中，该系统结构紧凑、安装方便。

请参阅图2，本发明实施例提出的一种基于柯勒照明的计算鬼成像方法，应用于上述的基于柯勒照明的计算鬼成像系统，所述方法包括步骤S1～S5：

S1，利用所述空间光调制器106对所述He-Ne激光器101产生的激光束进行整形产生洛伦兹非相干光场；

其中，步骤S1具体包括：

通过所述计算机115生成M张具有洛伦兹分布特性的随机散斑图，其中散斑图的尺寸为N₁×N₁，与所述空间光调制器106可加载图片的尺寸相对应，所述随机散斑图的中心是一个N₀×N₀的有效散斑区域，且N₀<N₁，有效散斑区域以外图像的灰度值为0；

在所述空间光调制器106上加载一幅具有洛伦兹分布特性的随机散斑图，调节所述He-Ne激光器101、所述扩束镜102、所述准直透镜103和所述光阑104的位置、方向及大小，使调节后的所述He-Ne激光器101可以完全覆盖所述空间光调制器106上加载散斑的有效区域；

通过连续不断的更新加载具有洛伦兹分布特性的随机散斑图，以产生洛伦兹非相干散斑光场。

下面以一实例进行说明，通过计算机115生成20000张800×800的具有洛伦兹分布特性的随机散斑图形，散斑图201的中心是一个400×400的有效散斑区域202和一个有效散斑的周边区域203，周边区域为黑色，如图3所示，图3中202为有效散斑区域，203为有效区域的周边区域。然后选取一幅具有洛伦兹分布特性的散斑图加载到空间光调制器106上，并调节He-Ne激光器101、扩束镜102、准直透镜103、光阑104，使扩束准直后的激光光斑301可以完全均匀地覆盖空间光调制器上的有效散斑加载区域202，如图4所示，图4中301为扩束准直后激光光束产生的光斑。成像过程中通过不断加载新的具有洛伦兹分布特性的随机散斑图，可以实现利用空间光调制器对He-Ne激光器产生的激光束进行整形产生洛伦兹非相干光场的目标。

S2，利用柯勒照明方式对所述待成像物体112进行均匀照明；

其中，步骤S2中，所述空间光调制器106的平面与所述视场光阑110平面相对于所述柯勒镜108构成理想物像关系，所述孔径光阑109平面与待成像物体112平面相对于所述聚光镜111构成理想物像关系，通过调节孔径光阑109与视场光阑100的大小以实现所述待成像物体112的高亮度均匀照明。

具体地，在空间光调制器106与待成像物体112之间依次设置柯勒镜108、孔径光阑109、视场光阑110、聚光镜111，并适当调节柯勒镜108、孔径光阑109、视场光阑110、聚光镜111以及待成像物体112的相对位置，使空间光调制器106与视场光阑110相对于柯勒镜108构成理想的物像关系，并使孔径光阑109与待成像物体112相对于聚光镜111构成理想的物像关系。然后通过调节孔径光阑109和视场光阑110的孔径大小可以实现待成像物体112的高对比度均匀照明，解决鬼成像过程中物平面照度不均匀的不足。

S3，通过数值计算方法获取参考光路上的强度分布信息；

其中，步骤S3具体包括：

当所述空间光调制器106上未加载图片时，所述空间光调制器106平面处的光场分布记为E₀(x,y)，其中x,y表示所述空间光调制器106平面处的二维坐标变量；当随机散斑图形加载到所述空间光调制器106时，经所述空间光调制器106调制后的光场分布记为：

上式中，代表第n次加载到所述空间光调制器106上的具有洛伦兹分布的随机散斑光场；

利用菲涅尔衍射公式，计算出第n幅随机散斑图形经自由空间传播后所对应的参考光路上光场强度分布信息，记为：

上式中，ξ,η表示参考光场处的二维坐标变量；λ表示激光的波长；d代表所述空间光调制器106与参考光场之间的距离。本实施例中，λ＝632.8nm，d＝200cm，由上式可计算出参考光路中的强度分布信息。

S4，利用所述桶探测器114采集测试光路上所述待成像物体112的总强度信息；

其中，步骤S4具体包括：

调整所述会聚透镜113和所述桶探测器144的位置，使所述桶探测器114位于所述会聚透镜113的后焦平面上，以接收到从所述待成像物体112透射过来的总光场强度；

通过控制所述计算机115的软件使所述空间光调制器106上散斑图片的加载速度与所述桶探测器114采集数据的速度保持同步，即所述空间光调制器106每更新加载一幅随机散斑图，所述桶探测器114正好更新采集一幅经所述待成像物体112透射后的总光场强度，记为O⁽ⁿ⁾，其中n代表第n次测量。

S5，通过强度涨落关联运算获取所述待成像物体112的图像信息。

其中，步骤S5具体包括：

采用下式对步骤S3得到的所述强度分布信息和步骤S4得到的所述总强度信息进行关联运算，以计算出所述待成像物体112的图像信息：

上式中， 表示第n幅随机散斑图形加载后所对应参考光路上的强度分布，M表示测量次数。

具体在本实施例中，

上式中，通过上式关联运算可以得到待成像物体112的图像信息。

本发明将柯勒照明方式与洛伦兹整形非相干光源引入到计算鬼成像过程中。一方面，将柯勒照明方式引入到计算鬼成像过程中，柯勒照明是微显成像中用来提高图像对比度的常用方式之一，主要由柯勒镜、孔径光阑、视场光阑、聚光镜组成。基于柯勒照明可以使光源发出的光以平行光束的方式均匀照亮物体，且可以避免光源对物体产生灼伤。故基于柯勒照明可以消除计算鬼成像过程中物平面光照不均匀的缺点，从而提高鬼成像系统的图像对比度。另一方面，洛伦兹光束具有无衍射特性，利用洛伦兹整形非相干光源可以提高计算鬼成像系统的分辨率。因此，将柯勒照明和洛伦兹整形非相干光源用于实现高对比度和高分辨率的计算鬼成像，对促进鬼成像技术在真实环境下的应用具有重要意义。

综上，根据本发明提供的基于柯勒照明的计算鬼成像系统，通过柯勒照明方式可以消除物平面光照度不均匀的缺点，实现待成像物体的高对比度成像，同时基于洛伦兹整形非相干光源，可以提高成像系统的分辨能力与成像距离，在真实环境下可实现待成像物体的高分辨率鬼成像，且图像对比度好，有效解决了鬼成像过程中图像对比度与分辨率之间存在相互制约的问题，此外，该系统还具有鲁棒性好、灵敏度高、安装方便的优点。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于柯勒照明的计算鬼成像系统，其特征在于，包括在光路上依次设置的He-Ne激光器、扩束镜、准直透镜、光阑、起偏器、空间光调制器、检偏器、柯勒镜、孔径光阑、视场光阑、聚光镜、待成像物体、会聚透镜、桶探测器，其中，所述空间光调制器和所述桶探测器分别与计算机电性连接，所述计算机用于通过计算鬼成像过程获取所述待成像物体的高对比度图像，其中，将柯勒照明方式与洛伦兹整形非相干光源引入到计算鬼成像过程中。

2.一种基于柯勒照明的计算鬼成像方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的基于柯勒照明的计算鬼成像系统，所述方法包括：

利用所述空间光调制器对所述He-Ne激光器产生的激光束进行整形产生洛伦兹非相干光场；

利用柯勒照明方式对所述待成像物体进行均匀照明；

通过数值计算方法获取参考光路上的强度分布信息；

利用所述桶探测器采集测试光路上所述待成像物体的总强度信息；

通过强度涨落关联运算获取所述待成像物体的图像信息。

3.根据权利要求2所述的基于柯勒照明的计算鬼成像方法，其特征在于，所述利用所述空间光调制器对所述He-Ne激光器产生的激光束进行整形产生洛伦兹非相干光场的步骤具体包括：

通过所述计算机生成M张具有洛伦兹分布特性的随机散斑图，其中散斑图的尺寸为N₁×N₁，与所述空间光调制器可加载图片的尺寸相对应，所述随机散斑图的中心是一个N₀×N₀的有效散斑区域，且N₀<N₁，有效散斑区域以外图像的灰度值为0；

在所述空间光调制器上加载一幅具有洛伦兹分布特性的随机散斑图，调节所述He-Ne激光器、所述扩束镜、所述准直透镜和所述光阑的位置、方向及大小，使调节后的所述He-Ne激光器可以完全覆盖所述空间光调制器上加载散斑的有效区域；

通过连续不断的更新加载具有洛伦兹分布特性的随机散斑图，以产生洛伦兹非相干散斑光场。

4.根据权利要求2所述的基于柯勒照明的计算鬼成像方法，其特征在于，所述利用柯勒照明方式对所述待成像物体进行均匀照明的步骤中，所述空间光调制器的平面与所述视场光阑平面相对于所述柯勒镜构成理想物像关系，所述孔径光阑平面与所述待成像物体平面相对于所述聚光镜构成理想物像关系，通过调节所述孔径光阑与所述视场光阑的大小以实现所述待成像物体的高亮度均匀照明。

5.根据权利要求2所述的基于柯勒照明的计算鬼成像方法，其特征在于，所述通过数值计算方法获取参考光路上的强度分布信息的步骤具体包括：

当所述空间光调制器上未加载图片时，所述空间光调制器平面处的光场分布记为E₀(x,y)，其中x,y表示所述空间光调制器平面处的二维坐标变量；当随机散斑图形加载到所述空间光调制器时，经所述空间光调制器调制后的光场分布记为：

上式中，代表第n次加载到所述空间光调制器上的具有洛伦兹分布的随机散斑光场；

利用菲涅尔衍射公式，计算出第n幅随机散斑图形经自由空间传播后所对应的参考光路上光场强度分布信息，记为：

上式中，ξ,η表示参考光场处的二维坐标变量；λ表示激光的波长；d代表所述空间光调制器与参考光场之间的距离。

6.根据权利要求5所述的基于柯勒照明的计算鬼成像方法，其特征在于，所述利用所述桶探测器采集测试光路上所述待成像物体的总强度信息的步骤包括：

调整所述会聚透镜和所述桶探测器的位置，使所述桶探测器位于所述会聚透镜的后焦平面上，以接收到从所述待成像物体透射过来的总光场强度；

通过控制所述计算机使所述空间光调制器上散斑图片的加载速度与所述桶探测器采集数据的速度保持同步，即所述空间光调制器每更新加载一幅随机散斑图，所述桶探测器正好更新采集一幅经所述待成像物体透射后的总光场强度，记为O⁽ⁿ⁾，其中n代表第n次测量。

7.根据权利要求6所述的基于柯勒照明的计算鬼成像方法，其特征在于，所述通过强度涨落关联运算获取所述待成像物体的图像信息的步骤具体包括：

采用下式对所述强度分布信息和所述总强度信息进行关联运算，以计算出所述待成像物体的图像信息：

上式中， 表示第n幅随机散斑图形加载后所对应参考光路上的强度分布，M表示测量次数。