CN111141706A - 一种透过散射介质宽场的三维成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透过散射介质宽场的三维成像方法，包括：搭建透过散射介质的目标3D成像系统；根据所述目标3D成像系统得到第一散斑图像和第二散斑图像；根据所述第一散斑图像得到第一目标光场，并根据所述第二散斑图像得到第一背景光场；根据所述第一目标光场和所述第一背景光场得到第二目标光场；根据所述第二目标光场得到重构的三维光场。本发明提供的透过散射介质宽场的三维成像方法可以高效的重构出散射介质前表面三维光场，且不受光学记忆效应限制，能够实现宏观复杂多目标宽场三维成像，同时具有很高的鲁棒性、灵活性和精度。

Description

一种透过散射介质宽场的三维成像方法

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种透过散射介质宽场的三维成像方法。

背景技术

随着科技的进步，光学成像技术也得到了飞速发展。在光学成像中，由于介质内部(如生物组织、云雾等)或表面(如毛玻璃、粗糙墙面等)折射率分布不均匀，光波在透过介质内部传输或与其表面相互作用时会出现不同程度的散射，传统光学成像系统只能接收到由于散射光之间干涉而形成的散斑，无法通过直接观测获得隐藏在散射介质后的目标信息。透过散射介质的三维成像技术突破了传统的光学成像原理，利用光学干涉和衍射的原理来实现成像，其由于能够获取更高维度的目标信息，在生物医学成像、智能交通等领域得到广泛的应用。

目前，在实际应用当中，通常采用三维场景重构技术来实现透过散射介质的三维成像。比如基于相空间测量的三维散射重构技术、基于光学传输矩阵的三维散射重构技术、基于三维点扩展函数测量的三维散射重构技术、基于散射全息的三维散射重构技术以及基于单像素探测的三维散射重构技术。

然而，现有方法场重构度较低，重构耗时较长，不利于快速成像；同时，现有方法大多只能实现简单的二值目标成像，无法适用于复杂的宽场目标成像，限制了应用范围。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种透过散射介质宽场的三维成像方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种透过散射介质宽场的三维成像方法，包括：

搭建透过散射介质的目标3D成像系统；

根据所述目标3D成像系统得到第一散斑图像和第二散斑图像；

根据所述第一散斑图像得到第一目标光场，并根据所述第二散斑图像得到第一背景光场；

根据所述第一目标光场和所述第一背景光场得到第二目标光场；

根据所述第二目标光场得到重构的三维光场。

在本发明的一个实施例中，所述搭建透过散射介质的目标3D成像系统包括：

搭建光源模块；所述光源模块包括相干光源、衰减片以及扩束器；

搭建目标和散射介质；

搭建探测器模块；所述探测器模块包括探测器和位移平台；其中，

所述光源模块、所述目标、所述散射介质以及所述探测器模块沿同一光轴方向。

在本发明的一个实施例中，根据所述目标3D成像系统得到第一散斑图像和第二散斑图像包括：

打开所述相干光源；

对所述探测器进行N次等间距位移，并分别进行图像采集得到N幅第一散斑图像；

移除所述目标，对所述探测器再次进行N次等间距位移，并分别进行图像采集得到N幅第二散斑图像。

在本发明的一个实施例中，根据所述第一散斑图像得到第一目标光场，并根据所述第二散斑图像得到第一背景光场包括：

对所述第一散斑图像进行基于往返衍射传输的光场重构得到第一目标光场；

对所述第二散斑图像进行基于往返衍射传输的光场重构得到第一背景光场。

在本发明的一个实施例中，对所述第一散斑图像进行基于往返衍射传输的光场重构得到第一背景光场包括：

生成二维随机相位矩阵；

将所述二维随机相位矩阵与所述第一散斑图像中的第一个幅面强度振幅结合以形成初始场相位项；

利用自由空间衍射传输公式将所述初始场相位依次传输至所述第一散斑图像中的最后一个面，并依次由最后一个面向前传至第一幅散斑图得到最终的场相位项；

重复上一步，直至所述最终的场相位项误差小于预设误差；

根据所述最终的场相位项得到第一背景光场。

在本发明的一个实施例中，所述自由空间衍射传输公式为：

其中，U_i(x,y,z_i)表示第i幅散斑图的散斑场，1≤i≤N，U(x,y,z)表示第一个散斑场，F[·]表示二维傅里叶变换，F^-1[·]代表二维傅里叶逆变换，z_i表示第i幅散斑图到散射介质后表面的距离，k为波矢，α_x、α_y分别表示x，y方向的余弦。

在本发明的一个实施例中，根据所述第一目标光场和所述第一背景光场得到第二目标光场包括：

根据所述自由空间衍射传输公式计算第二背景光场；

将所述第一背景光场、所述第一目标光场以及所述第二背景光场代入映射关系公式，得到第二目标光场。

在本发明的一个实施例中，所述映射关系公式为：

U_{object_front}＝U_{object_back}×conj(U_{scatter_back}×conj(U_{scatter_front}))；

其中，U_{object_front}表示第二目标光场，U_{object_back}表示第一目标光场，U_{scatter_back}表示第一背景光场，U_{scatter_front}表示第二背景光场，conj(·)表示共轭算符。

在本发明的一个实施例中，根据所述第二目标光场得到重构的三维光场包括：

根据所述自由空间逆衍射传输的反演公式得到处在不同位置的目标场信息，从而得到透过散射介质重构的三维光场。

在本发明的一个实施例中，所述自由空间逆衍射传输的反演公式为：

其中，U_m(x,y,u_m)表示散射介质前的第m个目标场，u_m表示第m个目标距离散射介质前表面的距离。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的透过散射介质宽场的三维成像方法可以高效的重构出散射介质前表面三维光场；

2、本发明提供的透过散射介质宽场的三维成像方法基于衍射场传输机制，不受光学记忆效应限制，可以实现宏观复杂多目标宽场三维成像；

3、本发明提供的透过散射介质宽场的三维成像方法光路简单，并具有很高的鲁棒性、灵活性和精度。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种透过散射介质宽场的三维成像方法流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种透过散射介质的目标3D成像系统结构示意图；

图3是本发明实施例提供的往返衍射传输场重构技术仿真图；

图4是本发明实施例提供的多目标往返衍射传输场重构技术仿真图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种透过散射介质宽场的三维成像方法流程示意图，包括：

步骤一：搭建透过散射介质的目标3D成像系统；

在本实施例中，搭建透过散射介质的目标3D成像系统包括：

搭建光源模块；所述光源模块包括相干光源、衰减片以及扩束器；

搭建目标和散射介质；

搭建探测器模块；所述探测器模块包括探测器和位移平台；其中，

所述光源模块、所述目标、所述散射介质以及所述探测器模块沿同一光轴方向。

请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种透过散射介质的目标3D成像系统结构示意图。

在本实施例中，光源模块中的相干光源可以是氦氖激光器，其中心波长为632.8nm。其中，相干光源主要用于产生想干照明广元，衰减片主要用于调整光源亮度，扩束器主要用于扩展照明区域。

在本实施例中，目标可以采用标准分辨率靶标，例如USAF标准分辨率靶，散射介质可以采用诸如Edmund 220grids的毛玻璃。

探测器模块中的探测器主要用于接收散斑场图像，其可以采用像素为2048×2060的sCMOS相机；位移平台用于轴向移动探测器，其中探测器安装在位移平台上。

本发明提供的3D成像系统中无透镜参与，可以应用于无透镜波前感知，成像过程中无像差引入，因此无需像差校正过程，提高了成效效率；同时，该成像光路无需引入参考光，并且无光场调制元件，如SLM或DMD，光路简单容易设置，重构光场准确性更高。

步骤二：根据所述目标3D成像系统得到第一散斑图像和第二散斑图像；

在本实施例中，步骤二包括：

打开所述相干光源；

对所述探测器进行N次等间距位移，并分别进行图像采集得到N幅第一散斑图像；

移除所述目标，对所述探测器再次进行N次等间距位移，并分别进行图像采集得到N幅第二散斑图像。

具体的，首先打开透过散射介质的目标3D成像系统模块中的氦氖激光器，然后控制位移平台对探测器进行N次等间隔Δz位移，并使用探测器连续采集N幅携带目标信息的散斑图像I₁、I₂、……、I_N，即为第一散斑图像；接着将3D目标从光路系统中移去，再一次控制位移平台对探测器进行N次等间隔Δz位移，并使用探测器连续采集N幅携带背景信息的散斑图像B₁、B₂、……、B_N，即为第二散斑图像。

步骤三：根据所述第一散斑图像得到第一目标光场，并根据所述第二散斑图像得到第一背景光场；

在本实施例中，步骤三包括：

a)对所述第一散斑图像进行基于往返衍射传输的光场重构得到第一目标光场；

具体的，首先，生成一个二维随机相位矩阵φ；

其次，将所述二维随机相位矩阵与所述第一散斑图像中的第一幅散斑图I₁的面强度振幅

结合以形成初始场相位项

再次，利用自由空间衍射传输公式将所述初始场相位

依次传输至所述第一散斑图像中的最后一幅散斑I_N，并依次由最后一幅散斑图I_N向前传至第一幅散斑图得到最终的场相位项；

具体的，先利用自由空间衍射传输方法将此场由z传输到Δz，然后保留传输后场的相位项并用第二个面强度振幅

替换，重复传输替换，直至最后一个面的相位项，接着变换场传输方向，由最后一个面传输至第一个面，得到一个最终的场相位项。

重复上一步，直至所述最终的场相位项误差小于预设误差；

在本步骤中，需要对最终的场相位向进行误差判断，具体的，用第k次迭代出的场相位s(k)与第k-1次迭代出的场相位s(k-1)进行相减，若满足abs(s(k)-s(k-1))²<error，则停止更新，其中，error表示预设误差。

最后，根据最终的场相位项得到高精度的透过散射介质后的目标光场重构结果U_{scatter_back}，也即第一目标光场。

在本实施例中，所述自由空间衍射传输公式为：

其中，U_i(x,y,z_i)表示第i幅散斑图的散斑场，1≤i≤N，U(x,y,z)表示第一个散斑场，F[·]表示二维傅里叶变换，F^-1[·]代表二维傅里叶逆变换，z_i表示第i幅散斑图到散射介质后表面的距离，k为波矢，α_x、α_y分别表示x、y方向的余弦。

具体的，α_x、α_y分别可以表示为α_x＝2πf_x、α_y＝2πf_y，其中，f_x、f_y表示物光场经过傅立叶变换后的频域坐标。

b)对所述第二散斑图像进行基于往返衍射传输的光场重构得到第一目标光场。

在本实施例中，采用与构建第一目标光场相同的方法，将其中带有目标信息的第一散斑图像I₁、I₂、……、I_N换成带有背景信息的第二散斑图像B₁、B₂、……、B_N，然后进行基于往返衍射传输的光场重构得到透过散射介质后的背景光场重构结果U_{object_back}，也即第一背景光场。

步骤四：根据所述第一目标光场和所述第一背景光场得到第二目标光场；

具体的，先根据所述自由空间衍射传输公式计算第二背景光场；其中，第二背景光场为入射到散射介质前表面的背景光场U_{scatter_front}。

然后将所述第一背景光场、所述第一目标光场以及所述第二背景光场代入映射关系公式，得到第二目标光场。

在本实施例中，映射关系是指输入输出面间的映射关系，具体如下：

其中，U_{scatter_back}表示第一背景光场，U_{scatter_front}表示第二背景光场，U_{object_back}表示第一目标光场，U_{object_front}表示第二目标光场，

表示散射介质等效的相位分布。

根据映射关系重构出入射到散射介质前表面的目标光场U_{object_front}，也即第二目标光场，其表达式如下：

U_{object_front}＝U_{object_back}×conj(U_{scatter_back}×conj(U_{scatter_front}))；

其中，conj(·)表示共轭算符。

步骤五：根据所述第二目标光场得到重构的三维光场。

根据所述自由空间逆衍射传输的反演公式得到处在不同位置的目标场信息，从而得到透过散射介质重构的三维光场。

具体的，根据步骤四中得到的第二目标光场U_{object_front}结合自由空间逆衍射传输公式，反演出处在不同位置的目标场信息，进而实现透过散射介质的三维光场重构；其中，所述自由空间逆衍射传输的反演公式为：

其中，U_m(x,y,u_m)表示散射介质前的第m个目标场，u_m表示第m个目标距离散射介质前表面的距离。

进一步的，本实施例优选两个处于光轴不同位置的面目标，故需测量目标1到散射介质的距离u₁，目标2到散射介质的距离u₂。

本发明提供的透过散射介质宽场的三维成像方法可以高效的重构出散射介质前表面三维光场；同时，由于本发明是基于往返衍射光场传输物理模型实现空间光场恢复及目标三维解析的，其方法简单，鲁棒性更高，计算重建、快速有效，且不受光学记忆效应限制，可以实现宏观复杂多目标宽场三维成像。

实施例二

下面通过仿真实验对本发明的方法做进一步说明。

仿真实验一

请参见图3，图3是本发明实施例提供的往返衍射传输场重构技术仿真图，其中，图3中的(a)、(b)表示输入场的振幅和相位部分，图3中的(c)、(d)表示利用往返衍射传输场重构技术恢复的场振幅和相位部分。为了验证该场重构算法在含有散射介质的光路中可以使用，将输入场的相位部分更换为随机相位，图3中的(e)、图(f)表示含有散射介质时输入场的振幅和相位部分，图3中的(g)、(h)表示利用往返衍射传输场重构技术恢复的散射场振幅和相位部分。从实验结果可以得出，本发明提供的场重构算法在含有强散射介质的光路中可以使用。

仿真实验二

请参见图4，图4是本发明实施例提供的多目标往返衍射传输场重构技术仿真图；其中，图4中的(a)、(b)仿真了两种不同的三维场景中的多目标分布情形，(a)表示两个不同面的目标在光轴方向重叠，(b)表示两个不同面的目标在光轴方向分开；图4中的(c)、(d)表示重构出的靠前表面的光场振幅和相位部分，图4中的(e)、(f)表示重构出的靠前表面的光场振幅和相位部分，图4中的(g)、(h)表示重构出的靠后表面的光场振幅和相位部分；图4中的(i)、(j)表示重构出的靠后表面的光场振幅和相位部分。

从实验结果可以得出，本发明提供的透过散射介质宽场的三维成像方法基于衍射场传输机制，不受光学记忆效应限制，可以实现宏观复杂多目标宽场三维成像。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种透过散射介质宽场的三维成像方法，其特征在于，包括：

搭建透过散射介质的目标3D成像系统；

根据所述目标3D成像系统得到第一散斑图像和第二散斑图像；

根据所述第一散斑图像得到第一目标光场，并根据所述第二散斑图像得到第一背景光场；

根据所述第一目标光场和所述第一背景光场得到第二目标光场；

根据所述第二目标光场得到重构的三维光场。

2.根据权利要求1所述的三维成像方法，其特征在于，所述搭建透过散射介质的目标3D成像系统包括：

搭建光源模块；所述光源模块包括相干光源、衰减片以及扩束器；

搭建目标和散射介质；

搭建探测器模块；所述探测器模块包括探测器和位移平台；其中，

所述光源模块、所述目标、所述散射介质以及所述探测器模块沿同一光轴方向。

3.根据权利要求2所述的三维成像方法，其特征在于，根据所述目标3D成像系统得到第一散斑图像和第二散斑图像包括：

打开所述相干光源；

对所述探测器进行N次等间距位移，并分别进行图像采集得到N幅第一散斑图像；

移除所述目标，对所述探测器再次进行N次等间距位移，并分别进行图像采集得到N幅第二散斑图像。

4.根据权利要求1所述的三维成像方法，其特征在于，根据所述第一散斑图像得到第一目标光场，并根据所述第二散斑图像得到第一背景光场包括：

对所述第一散斑图像进行基于往返衍射传输的光场重构得到第一目标光场；

对所述第二散斑图像进行基于往返衍射传输的光场重构得到第一背景光场。

5.根据权利要求4所述的三维成像方法，其特征在于，对所述第一散斑图像进行基于往返衍射传输的光场重构得到第一背景光场包括：

生成二维随机相位矩阵；

将所述二维随机相位矩阵与所述第一散斑图像中的第一个幅面强度振幅结合以形成初始场相位项；

利用自由空间衍射传输公式将所述初始场相位依次传输至所述第一散斑图像中的最后一个面，并依次由最后一个面向前传至第一幅散斑图得到最终的场相位项；

重复上一步，直至所述最终的场相位项误差小于预设误差；

根据所述最终的场相位项得到第一背景光场。

6.根据权利要求5所述的三维成像方法，其特征在于，所述自由空间衍射传输公式为：

其中，U_i(x,y,z_i)表示第i幅散斑图的散斑场，1≤i≤N，U(x,y,z)表示第一个散斑场，F[·]表示二维傅里叶变换，F^-1[·]代表二维傅里叶逆变换，z_i表示第i幅散斑图到散射介质后表面的距离，k为波矢，α_x、α_y分别表示x，y方向的余弦。

7.根据权利要求6所述的三维成像方法，其特征在于，根据所述第一目标光场和所述第一背景光场得到第二目标光场包括：

根据所述自由空间衍射传输公式计算第二背景光场；

将所述第一背景光场、所述第一目标光场以及所述第二背景光场代入映射关系公式，得到第二目标光场。

8.根据权利要求7所述的三维成像方法，其特征在于，所述映射关系公式为：

U_{object_front}＝U_{object_back}×conj(U_{scatter_back}×conj(U_{scatter_front}))；

其中，U_{object_front}表示第二目标光场，U_{object_back}表示第一目标光场，U_{scatter_back}表示第一背景光场，U_{scatter_front}表示第二背景光场，conj(·)表示共轭算符。

9.根据权利要求1所述的三维成像方法，其特征在于，根据所述第二目标光场得到重构的三维光场包括：

根据所述自由空间逆衍射传输的反演公式得到处在不同位置的目标场信息，从而得到透过散射介质重构的三维光场。

10.根据权利要求9所述的三维成像方法，其特征在于，所述自由空间逆衍射传输的反演公式为：

其中，U_m(x,y,u_m)表示散射介质前的第m个目标场，u_m表示第m个目标距离散射介质前表面的距离。

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