CN110673330B - 基于散射的成像系统景深拓展装置及方法 - Google Patents

基于散射的成像系统景深拓展装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于散射的成像系统景深拓展装置及方法，该方法在光电探测器前放置一块散射截止，然后在物面光轴中心放置针孔，光束经过针孔以及散射介质，在探测面形成散斑，采集针孔形成的散斑以及物体产生的散斑，对探测器采集到的两幅图进行反卷积运算即可重建被测物。本发明能够以简单的光学手段实现景深拓展，且分辨率高，稳定性高，可靠性强，无需对光路结构进行改变，成本较低，实用性强。

Description

基于散射的成像系统景深拓展装置及方法
技术领域
本发明属于散射成像技术，具体为一种基于散射的成像系统景深拓展装置及方法。
背景技术
散射介质是生活中无处不在的物体，近年来，通过对散射介质的深入研究，发现光束在薄散射介质中的传播可以看做是一种线性的过程，从此散射介质开始被视作具有相当自由度的光学元件。
对于一个固定焦距、数值孔径的成像系统来说，在探测位置以被测物体位置无法改变的情况下，对其位于景深范围外的物体的成像往往是模糊不清的。通常来说增加景深可以通过减小数值孔径，但是随着通光孔径的缩小，其输出的光能量也会缩小，随之会降低成像系统的分辨率，在显微成像领域这是极难以接受的。
除此之外扩展景深的方法如下几种：(1)通过改变透镜与探测器的距离以获得被摄主体、近景以及远景，然后通过图片合成获得大景深图像的方法；(2)采用波前调制的方法，通过特制的相位掩模板，对光学系统的波前进行调制，使得其点扩散函数在较大范围内不变，以此来获得较大的景深。但是上述方法需要进行多次耗时的拍摄亦或是需要定制特殊的掩模板，同时对光路的准确度以及装调要求也极高。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种基于散射的成像系统景深拓展装置。
实现本发明的技术解决方案为：一种基于散射的成像系统景深拓展装置，包括光源、旋转毛玻璃、第一透镜、第一光阑、被测物面第二透镜、散射介质、第二光阑、光电探测器、计算机；
所述光源、第一透镜、第一光阑、第二透镜、散射介质、第二光阑、光电探测器依次沿光轴放置，被测物面设置在第一光阑和第二透镜之间的任意位置，旋转毛玻璃平行且半交于光轴放置在光源与第一透镜间，所述计算机用于记录光电探测器探测的光强信息并根据光强信息进行物体重建；
光源发出的相干光经旋转毛玻璃变为非相干光，经第一透镜扩束，以平行光出射经过第一光阑，然后光束入射在被测面上，经过被测物的光经第二透镜散射介质出射，出射的散射光经过光阑后被光电探测器接收。
优选地，所述第二透镜在未设置散射介质时像面位于光电探测器处。
优选地，所述光源为连续型激光器，发出的光为连续型可见激光。
优选地，所述散射介质为单透毛玻璃。
优选地，所述计算机根据光强信息进行物体重建的具体公式为：
Figure BDA0002188582810000021
式中，H(u，v)表示点扩散函数，H(u，v)2＝H*(u，v)H(u，v)，H*(u，v)表示H(u，v)的复共轭，k为信噪比，G(u，v)表示物体散斑。
优选地，点扩散函数的确定方法为：
在被测物面处放置针孔，针孔位于光轴中心，正面朝向光源，用光电探测器记录此时的散斑图案，所记录数据即为此处对应的点扩散函数H(u，v)。
优选地，物体散斑的确定方法为：
在所设置的被测物面处放置被测物，被测物位于光轴中心，正面朝向光源，用光电探测器记录此时的散斑图案，所记录数据即为此处对应的物体散斑F(u，v)。
本发明还提供了一种基于散射的成像系统景深拓展方法，具体步骤为：
在被测物面处放置针孔，针孔位于光轴中心，正面朝向光源，用光电探测器记录此时的散斑图案，所记录数据即为此处对应的点扩散函数H(u，v)；
在所设置的被测物面处放置被测物，被测物位于光轴中心，正面朝向光源，用光电探测器记录此时的散斑图案，所记录数据即为此处对应的物体散斑F(u，v)；
根据物体重建公式进行物体重建，物体重建公式具体为：
Figure BDA0002188582810000022
式中，H(u，v)表示点扩散函数，H(u，v)2＝H*(u，v)H(u，v)，H*(u，v)表示H(u，v)的复共轭，k为信噪比，G(u，v)表示物体散斑。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明对景深外物体重建效果好，有衍射极限分辨率，稳定性高，耗时短，在成像时无需对被测进行标记，且无需改动光路其他元件位置，且只需对被测物体成像一次即可。
(2)本发明将薄散射介质加入原始光学系统中，无需对原始光学系统进行结构上改变，无需定制相位掩模，无需复杂的光路设计，操作简单结构稳定，成本较低且实用性高。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1是一种基于散射的成像系统景深拓展装置示意图。
图2是点扩散函数和物体散斑图。
图3是被测物体重建图案。
具体实施方式
如图1所示，一种基于散射的成像系统景深拓展装置，包括光源1、旋转毛玻璃2、第一透镜3、第一光阑4、被测物面5第二透镜6、散射介质7、第二光阑8、光电探测器9、计算机10；
所述光源1、第一透镜3、第一光阑4、第二透镜6、散射介质7、第二光阑8、光电探测器9依次沿光轴放置，被测物面5设置在第一光阑4和第二透镜6之间的任意位置，旋转毛玻璃2平行且半交于光轴放置在光源1与第一透镜3间，所述计算机10用于记录光电探测器9探测的光强信息并根据光强信息进行物体重建；
光源1发出的相干光经旋转毛玻璃2变为非相干光，经第一透镜3扩束，以平行光出射经过第一光阑4，然后光束入射在被测面上，经过被测物的光经第二透镜6散射介质7出射，出射的散射光经过光阑8后被光电探测器9接收。
本发明在第二透镜6以及光电探测器9之间加入散射介质7，在散射介质7后放置一限制光束大小的第二光阑8。散射介质为原成像系统的成像波前加载了一个随机相位，利用所述光电探测器对像面进行探测，得到随机散斑。通过获取点扩散函数以及物体散斑图案，利用所述计算机进行反卷积运算即可重建原始成像系统景深外物体。
在某些实施例中，所有器件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。
进一步的实施例中，所述第二透镜6在未设置散射介质7时像面位于光电探测器9处。
进一步的实施例中，所述光源为连续型激光器，发出的光为连续型可见激光。
进一步的实施例中，所述散射介质7为单透毛玻璃。
进一步的实施例中，所述计算机10根据光强信息进行物体重建的具体公式为：
Figure BDA0002188582810000041
式中，H(u，v)表示点扩散函数，H(u，v)2＝H*(u，v)H(u，v)，H*(u，v)表示H(u，v)的复共轭，k为信噪比，G(u，v)表示物体散斑。
进一步的实施例中，点扩散函数的确定方法为：
在被测物面5处放置针孔，针孔位于光轴中心，正面朝向光源，用光电探测器9记录此时的散斑图案，所记录数据即为此处对应的点扩散函数H(u，v)。
进一步的实施例中，物体散斑的确定方法为：
在所设置的被测物面5处放置被测物，被测物位于光轴中心，正面朝向光源，用光电探测器9记录此时的散斑图案，所记录数据即为此处对应的物体散斑F(u，v)。
本发明的工作过程为：
在第一光阑4和第二透镜6之间的任意位置设置被测物面5，在所设置的被测物面5处放置针孔，针孔位于光轴中心，正面朝向光源，用光电探测器9记录此时的散斑图案，所记录数据即为此处对应的点扩散函数H(u，v)。
在所设置的被测物面5处放置被测物，被测物位于光轴中心，正面朝向光源，用光电探测器记录此时的散斑图案，所记录数据即为此处对应的物体散斑F(u，v)，如图2所示。
根据线性移位不变光学系统中，时域中的退化过程可以用以下公式给出：
g(x，y)＝h(x，y)*f(x，y)+η(x，y)
其中，h(x，y)是退化函数在时域下的表示，运算符*表示时域卷积，所以在频域上可以如下表示：
G(u，v)＝H(u，v)F(u，v)+N(u，v)
所以物体复原即可用下述公式表述：
Figure BDA0002188582810000042
式中H(u，v)表示退化函数，H(u，v)2＝H*(u，v)H(u，v)，H*(u，v)表示H(u，v)的复共轭，k为信噪比。
将点扩散函数H(u，v)，物体散斑G(u，v)带入计算机运算即可获得所述原始景深外物体重建图像F(u，v)，如图3所示即为重建对象。
本发明所提供的装置是在原光学系统中加入一块薄散射介质，无需对原光学系统中元件的位置进行改变，也无需定制特殊的掩模板，最简单的薄散射介质如毛玻璃即可，薄散射介质在一般成像系统被认为是降低成像质量的元件，但是研究表明，光在薄散射介质中是线性传播的，因此薄散射介质可以被视作是线性的光学元件，同时通过研究同一面相近位置的点所形成的散斑，表明光穿过薄散射介质时也有移位不变性。
本发明是基于加入散射介质之后点扩散函数不受离焦程度的影响，在传统的光学系统中，成像面离焦面越远，点扩散函数在成像面上的离散斑越来越大，从而导致成像效果越来越差，而加入散射介质之后，点扩散函数被散射成散斑图，从而对离焦程度的适应性更高，在景深之外采集的点扩散函数依旧能描述对应位置的光学传递函数，从而将成像系统的景深从原始的第二透镜6的焦面处拓展至第二透镜6与第一光阑4之间的任意位置均可清晰成像，实现了景深拓展。
一种基于散射的成像系统景深拓展方法，具体步骤为：
构建基于散射的成像系统景深拓展装置，即光源1、第一透镜3、第一光阑4、第二透镜6、散射介质7、第二光阑8、光电探测器9依次沿光轴放置，被测物面5设置在第一光阑4和第二透镜6之间的任意位置，旋转毛玻璃2平行且半交于光轴放置在光源1与第一透镜3间在被测物面5处放置针孔，针孔位于光轴中心，正面朝向光源，用光电探测器9记录此时的散斑图案，所记录数据即为此处对应的点扩散函数H(u，v)；针孔的直径为10μm-150μm。
在所设置的被测物面5处放置被测物，被测物位于光轴中心，正面朝向光源，用光电探测器9记录此时的散斑图案，所记录数据即为此处对应的物体散斑F(u，v)；
根据物体重建公式进行物体重建，物体重建公式具体为：
Figure BDA0002188582810000051
式中，H(u，v)表示点扩散函数，H(u，v)2＝H*(u，v)H(u，v)，H*(u，v)表示H(u，v)的复共轭，k为信噪比，G(u，v)表示物体散斑。

Claims (7)

1.一种基于散射的成像系统景深拓展装置，其特征在于，包括光源(1)、旋转毛玻璃(2)、第一透镜(3)、第一光阑(4)、被测物面(5)第二透镜(6)、散射介质(7)、第二光阑(8)、光电探测器(9)、计算机(10)；
所述光源(1)、第一透镜(3)、第一光阑(4)、第二透镜(6)、散射介质(7)、第二光阑(8)、光电探测器(9)依次沿光轴放置，被测物面(5)设置在第一光阑(4)和第二透镜(6)之间的任意位置，旋转毛玻璃(2)平行且半交于光轴放置在光源(1)与第一透镜(3)间，所述计算机(10)用于记录光电探测器(9)探测的光强信息并根据光强信息进行物体重建，具体公式为：
Figure FDA0003204829390000011
式中，H(u,v)表示点扩散函数，H(u,v)2＝H*(u,v)H(u,v),H*(u,v)表示H(u,v)的复共轭，k为信噪比，G(u,v)表示物体散斑；
点扩散函数的确定方法为：
在被测物面(5)处放置针孔，针孔位于光轴中心，正面朝向光源，用光电探测器(9)记录此时的散斑图案，所记录数据即为此处对应的点扩散函数H(u,v)；
光源(1)发出的相干光经旋转毛玻璃(2)变为非相干光，经第一透镜(3)扩束，以平行光出射经过第一光阑(4)，然后光束入射在被测面上，经过被测物的光经第二透镜(6)散射介质(7)出射，出射的散射光经过光阑(8)后被光电探测器(9)接收。
2.根据权利要求1所述的基于散射的成像系统景深拓展装置，其特征在于，所述第二透镜(6)在未设置散射介质(7)时像面位于光电探测器(9)处。
3.根据权利要求1所述的基于散射的成像系统景深拓展装置，其特征在于，所述光源为连续型激光器，发出的光为连续型可见激光。
4.根据权利要求1所述的基于散射的成像系统景深拓展装置，其特征在于，所述散射介质(7)为单透毛玻璃。
5.根据权利要求1所述的基于散射的成像系统景深拓展装置，其特征在于，物体散斑的确定方法为：
在所设置的被测物面(5)处放置被测物，被测物位于光轴中心，正面朝向光源，用光电探测器(9)记录此时的散斑图案，所记录数据即为此处对应的物体散斑G(u,v)。
6.基于权利要求1～5任一所述的景深拓展装置的方法，其特征在于，具体步骤为：
在被测物面(5)处放置针孔，针孔位于光轴中心，正面朝向光源，用光电探测器(9)记录此时的散斑图案，所记录数据即为此处对应的点扩散函数H(u,v)；
在所设置的被测物面(5)处放置被测物，被测物位于光轴中心，正面朝向光源，用光电探测器(9)记录此时的散斑图案，所记录数据即为此处对应的物体散斑G(u,v)；
根据物体重建公式进行物体重建，物体重建公式具体为：
Figure FDA0003204829390000021
式中，H(u,v)表示点扩散函数，H(u,v)2＝H*(u,v)H(u,v),H*(u,v)表示H(u,v)的复共轭，k为信噪比，G(u,v)表示物体散斑。
7.根据权利要求6所述的基于散射的成像系统景深拓展装置的方法，其特征在于，所述针孔的直径为10μm-150μm。
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