CN111596465A

CN111596465A - 一种漂移光束计量超分辨鬼成像质量的装置

Info

Publication number: CN111596465A
Application number: CN202010594623.1A
Authority: CN
Inventors: 陈君; 张洋
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2020-06-28
Filing date: 2020-06-28
Publication date: 2020-08-28

Abstract

本发明公开了一种漂移光束计量超分辨鬼成像质量的装置。实施步骤是：用计算机制备一组全息相图序列并加载至空间光调制器以恒定速度播放；激光器照射空间光调制器，经孔径光阑选取其一级衍射级后照射CCD相机靶面；CCD相机以一定频率对入射光束进行拍摄并保存；待成像物体以数字矩阵形式加载在CCD相机靶面阵列中；利用该数字图像矩阵与所拍摄多帧光强数据矩阵进行运算并可重构出物体的形状并对分辨率定量分析；改变全息相图序列中的拓扑荷，重复上述步骤，直至最佳效果。以本发明所提供的装置可产生关联结构可控的部分相干光，产生的漂移光束可以在湍流环境下对标定物超分辨成像，而且装置光路简单，成像效率高，数据处理方便。

Description

一种漂移光束计量超分辨鬼成像质量的装置

技术领域

本发明提供一种漂移光束计量超分辨鬼成像质量的装置。该装置产生的特殊部分相干光在鬼成像系统中可突破瑞利衍射极限，可实现以虚拟物体为标定物的超分辨成像计量，属于光学成像计量领域。

背景技术

光学系统的分辨率指的是它能分辨开两个靠近的点物或物体细节的能力。光学系统对点物所成的像，因衍射的存在，总是具有一定大小的艾里斑。当两点物距离过近时，它们的像部分重叠，导致无法分辨两个点物。在远距离成像中，湍流及环境扰动会导致成像系统的分辨率大幅度下降。湍流作为一种特殊的传输介质，在现实中随处可见。当光束通过湍流传输时，由于湍流中折射率的随机不均匀分布，光束强度，相位，甚至传播方向都会受到影响，从而产生光束随机漂移、扩展、闪烁等现象。这些非理想环境因素极大破坏光学系统的成像效果。

鬼成像是一种利用两个相互关联却又相互独立的光场（信号光场和参考光场）复合探测并且重建待测物体空间信息的成像技术。与传统成像采用光场强度进行信号提取不同，鬼成像利用光强涨落信息来进行测量，对探测器空间分辨率要求低，是实现湍流及远距离成像的重要光学手段。鬼成像系统的成像质量会受到光源关联特性、物体形状、材质以及散射性质影响。因此，对复杂环境中鬼成像系统分辨率的计量和标定是对鬼像系统进行超分辨极限分析的重要前提。

漂移光束是激光进入大气湍流后所形成的一种部分相干光束。利用该光束进行鬼成像，是现实中实现湍流成像计量的合适选择。文献[G.Gbur, T. D.Visser, and E.Wolf,“Hidden’singularities in partially coherent fields,” J. Opt. A 6, S239(2004).]对漂移光束的理论模型进行了报道。然而，漂移光束的产生方法，以及漂移光束在超分辨鬼成像计量中的使用方案均未得到解决。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种漂移光束计量超分辨鬼成像质量的装置。本发明所提供的装置可产生漂移光束，对物体进行图像重建。通过调控漂移光束参数可实现对鬼成像系统分辨力的计量和优化。此外，在本发明所提供的实验装置中，光学器件数目少，布局简单，实验操作方便。

实现本发明目的的技术方案是提供一种漂移光束计量超分辨鬼成像质量的装置，包括以下步骤：

（1）计算机产生一种特殊的数字全息相图；该数字全息相图能够产生以下形式的随机光场：

其中表示的是拓扑荷为的完全相干涡旋场，表示空间任意一点的位置坐标，坐标是以特定概率函数分布在光场平面内的随机数，

是介于0至2π之间的随机相位；表示的是多个涡旋场的叠加，其中叠加次数为；

（2）将全息相图序列加载至空间光调制器，并以特定速度在液晶屏上播放；

（3）激光器产生与空间光调制器匹配的线偏振光；

（4）所述线偏振光束照射空间光调制器的液晶屏，用孔径光阑选取经液晶屏反射后的一级衍射光；

（5）所述一级衍射光射入CCD相机靶面；CCD相机以一定频率对入射光束进行拍摄并保存，其中上述CCD相机拍摄速率需要低于全息相图加载速率；

（6）待成像物体以数字矩阵形式加载在CCD相机靶面阵列中；利用该数字图像矩阵与所拍摄多帧光强数据矩阵进行乘积运算、光强矩阵平均运算、乘积矩阵平均运算、乘积矩阵和运算、桶关联运算，可通过HBT（Handury Brown Twiss）原理获得物体在桶探测器和面阵探测器之间二阶关联的空间分布，从而在关联空间重构出所述数字物体的形状；以重构物体与待成像物体的契合度为基础，可进行分辨率定量分析；

（7）调整拓扑荷，产生新的全息相图序列，重复上述步骤，直至获得突破瑞利衍射极限的鬼像分辨率。

本发明的有益效果是：

1.本发明提出一种漂移光束计量超分辨鬼成像质量的装置。该装置光路简单，成像效率高，数据处理方便。

2.本发明提出一种漂移光束计量超分辨鬼成像质量的装置，该装置产生的漂移光束在湍流环境下通过鬼成像系统可突破瑞利衍射极限，可实现以虚拟物体为标定物的超分辨成像。

3.本发明所提供的一种漂移光束计量超分辨鬼成像质量的装置可产生关联结构可控的部分相干光。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的一种漂移光束计量超分辨鬼成像质量的装置结构示意图。

图2 是本发明实施例中待成像物体以数字矩阵形式加载在CCD相机靶面阵列的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释，也是本发明较好的应用形式，但本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，它是本发明实施例中提供的一种漂移光束计量超分辨鬼成像质量的装置结构示意图：它包括激光器1；空间光调制器2；计算机3；孔径光阑4；CCD相机5；

如图2所示，它是本发明实施例中提供的一种漂移光束计量超分辨鬼成像质量的装置中待成像物体结构示意图：它包括CCD相机靶面阵列1；待成像物体阵列2；

本实施例中，计算机3按照公式来产生一组叠加态光场的全息相图序列，其中各张全息相图彼此之间独立；将上述全息相图序列加载至所述空间光调制器2的液晶屏上，并以特定速度播放；打开激光器1产生稳定的线偏振光，调整激光器1出射光的偏振面使其与空间光调制器2匹配；光束照射所述空间光调制器2的液晶屏，用孔径光阑4选取经液晶屏反射后的一级衍射光；所述一级衍射光射入CCD相机5靶面；CCD相机5以一定频率对入射光束进行拍摄并保存，并且确保该CCD相机拍摄速率低于全息相图加载速率；如图2所示，待成像物体被设计成一组大小相同的双孔并以数字矩阵形式加载在CCD相机靶面阵列中；利用待成像物体数字图像矩阵与所拍摄多帧光强数据矩阵进行乘积运算、光强矩阵平均运算、乘积矩阵平均运算、乘积矩阵和运算、桶关联运算，可通过HBT（Handury Brown Twiss）原理获得物体在桶探测器和面阵探测器之间二阶关联的空间分布，从而在关联空间重构出所述数字物体的形状；以重构物体与待成像物体的契合度为基础来进行分辨率定量分析；

本实施例中，调整拓扑荷，产生新的全息相图序列，重复上述步骤；直至获得突破瑞利衍射极限的鬼像分辨率。

Claims

1.一种漂移光束计量超分辨鬼成像质量的装置由激光器（1）、空间光调制器（2）、计算机（3）、孔径光阑（4）、CCD相机（5）；其特征在于：用计算机（3）制备一组全息相图序列并加载至空间光调制器（2）以恒定速度播放；用激光器（1）照射空间光调制器（2），所得反射光经孔径光阑（4）选取一级衍射光后将其照射CCD相机（5）靶面；CCD相机（5）以一定频率对入射光束进行拍摄并保存；待成像物体以数字形式加载在所述CCD相机（5）靶面阵列中；利用该数字图像矩阵与所拍摄多帧光强数据矩阵进行乘积运算、光强矩阵平均运算、乘积矩阵平均运算、乘积矩阵和运算、桶关联运算，可通过HBT（Handury Brown Twiss）原理获得物体在桶探测器和面阵探测器之间二阶关联的空间分布，从而在关联空间重构出所述数字物体的形状；以重构物体与待成像物体的契合度为基础，进行分辨率定量分析；改变全息相图序列中的拓扑荷，重复上述装置步骤，直到获取可用于制备超分辨成像的最佳拓扑荷值所对应的全息相图序列。

2.根据权利要求1所述的一种漂移光束计量超分辨鬼成像质量的装置，其特征在于：待成像物体以数字形式加载在所述CCD相机（5）靶面阵列中。

3.根据权利要求1所述的一种漂移光束计量超分辨鬼成像质量的装置，其特征在于：计算机（3）将数字图像矩阵与所拍摄多帧光强数据矩阵进行乘积运算、光强矩阵平均运算、乘积矩阵平均运算、乘积矩阵和运算、桶关联运算，通过HBT（Handury Brown Twiss）原理获得物体在桶探测器和面阵探测器之间二阶关联的空间分布，从而在关联空间重构出所述数字物体的形状；以重构物体与待成像物体的契合度为基础，进行分辨率定量分析。