CN112229822A - 对流动液体内多目标的反射式单帧散射成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对流动液体内多目标的反射式单帧散射成像装置，该装置包括：光源及调节单元用于提供激光相干光源并调节所述光源的强度；参考点源及散斑照明单元用于形成第一散斑照明光束和第二散斑照明光束，第一散斑照明光束照射至目标形成目标背向散射光，第二散斑照明光束照射至流动液体散射介质形成参考背向散射光；图像探测单元用于得到单帧散斑图像，并利用维纳辛钦定理对单帧散斑图像做傅里叶逆变换重建出流动液体散射介质内的若干目标的图像。本发明的反射式单帧散射成像装置结构简单、成本低廉，可以实现多目标的单帧散射成像，成像方法可极大地缩短成像时间，拓宽实际应用范围。

Description

对流动液体内多目标的反射式单帧散射成像装置及方法

技术领域

本发明属于成像技术领域，具体涉及一种对流动液体内多目标的反射式单帧散射成像装置及方法。

背景技术

动态散射介质是指散射介质内部颗粒随时间变化而进行高速、无序运动。根据动态散射介质发生的散射次数，可将其分为动态面散射介质和动态体散射介质。面散射是由具有随机高度的粗糙表面所形成的单次散射，其特点是散射主要来自其与空气接触的表面，例如旋转散射介质、粗糙的金属表面上发生的散射就主要是面散射。而体散射则主要是由介质内部随时间变化的散射子颗粒所引起的多次散射，其特点是光穿过介质表面后散射主要发生在介质的内部，例如烟尘、雾霾、流动水体等。实际情况中，动态面散射和体散射往往同时存在，比如人的皮肤与内部组织所发生的散射，既包括面散射也包括体散射。在成像过程中，动态面散射成像模型可以等效为简单的线性随机过程，而动态体散射过程中伴随着介质内部粒子的多次相互作用，随机性很容易因平均化而湮灭不见，导致成像结果丢失的信息更多，解译重建时更加困难。对于流动液体散射而言，其动态变化致使散射介质的传输平均自由程、去相关时间及去相关带宽等物理参量也发生了变化，导致目前透过静态散射介质的成像方法无法解决动态散射成像问题。然而在已有的动态散射成像方法中，依然存在很多问题使其无法满足在水下探测以及生物医学成像等领域的应用需求。

现有的关于透过动态散射介质成像的方法主要有以下三类：

(1)基于提取弹道光成像的思想。2011年，美国康涅狄格大学的Bahram Javidi等人基于合成孔径积分成像技术记录多幅不同视角的图像，实现了透过浑浊牛奶溶液中的三维观测。该方法对于非均匀浑浊液体适用性较差，且存在图像高频信息丢失等问题。2013年，美国洛克希德马丁公司的Mudge和Virgen利用自主研制的分振幅型偏振相机，在红外光下实现了透过雾霾实时成像，提升了图像对比度，但光学系统对入射光能量利用率低。2016年，韩国科学家Myungjin Cho的团队将光子计数技术应用于透过浑浊水体及浓雾成像，通过概率估计理论将混杂在散射场中的提取弹道光子，实现透过动态浑浊介质的三维成像，只有短曝光条件下，采集数据量大、处理时间长。2018年，麻省理工学院媒体实验室RameshRaskar等人提出了利用单光子雪崩二极管相机结合统计估计理论遴选出信号弹道光子，实现了透过厚度为35cm的浓雾成像。同年，中国宁波大学Peilong Hong利用非相干和相干双光子分别实现了振幅与相位目标成像，此方法由薄的动态散射层辅助，通过调制光的相长双光子干涉达到Heisenberg极限。2019年，波兰科学家Sudyka Julia基于压缩感知利用单像素相机实现了透过浑浊水体成像，采集数据量极大。然而，弹道光子数随着成像距离的增加呈指数衰减，故基于弹道光成像的方法无法实现透过动态散射介质的远距离成像，这就限制了其在实际生活中的应用。

(2)利用散射光成像的思想。2016年，美国马里兰大学的E.Edrei等人利用浴帘效应，通过多帧散斑照明目标图像叠加与维纳辛钦定理，估计出目标的自相关信息，结合相位恢复算法，实现了透过高速动态面散射介质成像。此方法只针对动态面散射介质，对类似流动液体的动态体散射介质未研究，且采集数据量较大耗时长，即无法对目标实时成像与跟踪，限制了其应用。2017年，南开大学的宋丽培课题组提出了基于浴帘效应的透过动态面散射介质的单帧散射成像方法，该方法结合了散斑场的全息干涉，与前者相比仅需要采集单帧散斑数据，但此方法也未拓展至动态体散射介质，并且单个目标在动态面散射介质外部，属于透射式散射成像，即该方法无法应用于观察生物组织内部的多细胞结构或者水下多目标的清晰探测。

(3)图像处理算法。近年来最火热的深度学习算法也可以对动态体散射介质内部及外部的目标实现清晰成像。2019年，上海交通大学Guihua Zeng课题组使用卷积神经网络，对放置在不同密度的牛奶与水混合液体内的目标进行了重建。同年，香港理工大学的Wen Chen课题组基于余弦相似度和卷积神经网络，对显示在数字微镜设备上并隐藏在脂肪乳剂溶液后的目标实现了重建。这些方法的缺点在于需要建立大量的数据库，即使提升算法的性能，也无法通过单帧图像重建出目标，这也极大地限制了其在实际生活中的应用。

因此，研究一种系统简单、成本低廉，对流动液体介质内多目标的反射式单帧散射成像的装置及方法具有重要的应用价值和前景。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种对流动液体内多目标的反射式单帧散射成像装置及方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种对流动液体内多目标的反射式单帧散射成像装置，包括：

光源及调节单元，用于提供激光相干光源并调节所述光源的强度；

参考点源及散斑照明单元，用于对所述光源及调节单元提供的所述光源通过反射的方式形成用于照射流动液体散射介质中的目标的第一散斑照明光束和用于照射流动液体散射介质的第二散斑照明光束，所述第一散斑照明光束照射至若干目标形成携带目标信息的目标背向散射光，所述第二散斑照明光束照射至流动液体散射介质形成参考背向散射光；

图像探测单元，用于根据目标背向散射光和参考背向散射光的交叠干涉的频谱信息进行成像得到单帧散斑图像，并利用维纳辛钦定理对所述单帧散斑图像做傅里叶逆变换重建出流动液体散射介质内的所述若干目标的图像。

在本发明的一个实施例中，所述光源及调节单元包括激光器和衰减片，其中，

所述激光器，用于提供光源；

所述衰减片，沿所述激光器发射的光源的光路进行设置，用于调整所述激光器发射的光源的强度。

在本发明的一个实施例中，所述参考点源及散斑照明单元包括第一反射镜、第二反射镜、分束镜、第三反射镜、扩束器、光阑和散射介质，其中，

所述第一反射镜，沿所述光源及调节单元提供的光源的光路进行设置，用于将所述光源及调节单元提供的光源反射至所述第二反射镜；

所述第二反射镜，沿所述第一反射镜反射的光路进行设置，用于将所述第一反射镜反射的光源反射至所述分束镜；

所述分束镜，沿所述第二反射镜反射的光路进行设置，用于对所述第二反射镜反射的光源进行分束，将透过所述分束镜的光源传输至所述第三反射镜，将所述分束镜反射的光源传输至所述扩束器；

所述第三反射镜，沿所述分束镜透射的光路进行设置，用于将透过所述分束镜的光源反射至所述散射介质；

所述扩束器，沿所述分束镜反射的光路进行设置，用于对所述分束镜反射的光源进行扩束；

所述光阑，沿所述扩束器扩束的光路进行设置，用于对所述扩束器扩束的光源的直径进行调节；

所述散射介质，沿所述光阑和所述第三反射镜的光路进行设置，用于使通过所述光阑传输至所述散射介质的光源转变成所述第一散斑照明光束，使通过所述第三反射镜传输至所述散射介质的光源转变成所述第二散斑照明光束，所述第一散斑照明光束照射至若干目标形成携带目标信息的目标背向散射光，所述第二散斑照明光束照射至流动液体散射介质形成参考背向散射光。

在本发明的一个实施例中，所述图像探测单元包括透镜、相机和计算机，其中，

所述透镜，用于将目标背向散射光和参考背向散射光的交叠干涉的频谱信息传输至所述相机；

所述相机，沿所述透镜透射的光路进行设置，用于根据所述透镜传输的交叠干涉的频谱信息进行成像得到单帧散斑图像；

所述计算机，用于利用维纳辛钦定理对所述单帧散斑图像做傅里叶逆变换重建出流动液体散射介质内的所述若干目标的图像。

本发明一个实施例还提供一种对流动液体内多目标的反射式单帧散射成像方法，所述成像方法利用上述任一项实施例所述的反射式单帧散射成像装置进行成像，所述成像方法包括：

通过上述任一项实施例所述的反射式单帧散射成像装置得到第一散斑照明光束和第二散斑照明光束；

根据所述第一散斑照明光束和所述第二散斑照明光束对应得到目标背向散射光和参考背向散射光；

根据所述目标背向散射光和所述参考背向散射光对应得到目标频谱信息和参考频谱信息；

根据所述目标频谱信息和所述参考频谱信息交叠干涉的频谱信息得到单帧散斑图像；

利用维纳辛钦定理对所述单帧散斑图像做傅里叶逆变换重建出流动液体散射介质内的所述若干目标的图像。

在本发明的一个实施例中，根据所述第一散斑照明光束和所述第二散斑照明光束对应得到目标背向散射光和参考背向散射光，包括：

所述第一散斑照明光束照射至流动液体散射介质中的若干目标形成携带目标信息的所述目标背向散射光；

所述第二散斑照明光束照射至流动液体散射介质中形成所述参考背向散射光。

在本发明的一个实施例中，根据所述目标背向散射光和所述参考背向散射光对应得到目标频谱信息和参考频谱信息，包括：

所述目标背向散射光传输至远场距离变为目标频谱信息；

所述参考背向散射光传输至远场距离变为参考频谱信息。

在本发明的一个实施例中，所述目标频谱信息表示为：

其中，

表示目标频谱信息，F{·}表示傅里叶变换，o(x,y)、o₂(x,y)至o_n(x,y)表示目标1、目标2至目标n，i表示虚部，s₁(x,y)表示散射介质引起的随机相位，s₂(x,y)表示流动液体散射介质引起的随机相位。

在本发明的一个实施例中，所述参考频谱信息表示为：

其中，

表示参考频谱信息，F{·}表示傅里叶变换，p(x,y)表示参考点源，i表示虚部，s′₁(x,y)表示散射介质引起的随机相位，s′₂(x,y)表示流动液体散射介质引起的随机相位。

在本发明的一个实施例中，所述单帧散斑图像表示为：

其中，I表示单帧散斑图像，F{·}表示傅里叶变换，p(x,y)表示参考点源，o(x,y)、o₂(x,y)至o_n(x,y)表示目标1、目标2至目标n，

表示随机项的指数项。

本发明的有益效果：

本发明的目的在于提出一种对流动液体介质内多目标的反射式单帧散射成像装置及成像方法，该反射式单帧散射成像装置结构简单、成本低廉，可以实现多目标的单帧散射成像，成像方法可极大地缩短成像时间，拓宽实际应用范围。

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对流动液体内多目标的反射式单帧散射成像装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种对流动液体内多目标的反射式单帧散射成像方法的流程示意图。

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

目前，现有的透射式动态面散射介质单帧成像是将一个参考参考点源和一束相干光同时经过散射介质后形成散斑照明，相干光通过物体透射形成的观测物散斑与参考参考点源形成的参考点源散射场相干叠加，再利用维纳辛钦定理即可获得物体的轮廓信息。但是，透射式动态面散射介质单帧成像无法广泛应用于流动水体等液体散射介质存在的环境中，并且透射式需要光源与探测器在散射介质异侧，即在生物医学成像、海洋观测等领域，如观测生物组织内部的细胞，监测跟踪海洋内目标等实际情况下难以实现。

目前，现有的反射式散斑相关技术实现散射介质成像是对探测器接收到的多幅散斑图样做自相关处理后求平均，即得到了目标的自相关信息，利用维纳辛钦定理，对自相关信息作傅里叶变换再开根得到目标在傅里叶域中的幅值，再通过相位恢复算法得到目标在傅里叶域的相位，最后对频域中的幅值和相位作傅里叶逆变换恢复出原目标。但是，反射式散斑相关技术实现成像要求散射介质必须是薄的且静止的散射体，且目标在介质外部，此方法的目标大小还受限于光学记忆效应，无法对超出记忆效应范围的多目标成像。

基于上述原因，本申请提供了一种对流动液体内多目标的反射式单帧散射成像装置。请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种对流动液体内多目标的反射式单帧散射成像装置的结构示意图，该反射式单帧散射成像装置包括光源及调节单元A、参考点源及散斑照明单元B和图像探测单元D，其中，光源及调节单元A用于提供激光相干光源并调节所述光源的强度；参考点源及散斑照明单元B用于对光源及调节单元A提供的光源通过反射的方式形成用于照射流动液体散射介质11中的目标10的第一散斑照明光束和用于照射流动液体散射介质11的第二散斑照明光束，第一散斑照明光束照射至若干目标10形成携带目标信息的目标背向散射光，第二散斑照明光束照射至流动液体散射介质11形成参考背向散射光；图像探测单元D，用于根据目标背向散射光和参考背向散射光的交叠干涉的频谱信息进行成像得到单帧散斑图像，并通过对单帧散斑图像做傅里叶逆变换重建出流动液体散射介质内的若干目标的图像。

在一个具体实施例中，光源及调节单元A包括激光器1和衰减片2，其中，激光器1用于提供光源；衰减片2沿激光器1发射的光源的光路进行设置，衰减片2用于调整激光器1发射的光源的强度，经过衰减片2的光源的功率例如为80mW左右。

在一个具体实施例中，参考点源及散斑照明单元B包括第一反射镜3、第二反射镜4、分束镜5、第三反射镜6、扩束器7、光阑8和散射介质9，其中，第一反射镜3沿光源及调节单元A提供的光源的光路进行设置，第一反射镜3用于将光源及调节单元A提供的光源反射至第二反射镜4；第二反射镜4沿第一反射镜3反射的光路进行设置，第二反射镜4用于将第一反射镜3反射的光源反射至分束镜5；分束镜5沿第二反射镜4反射的光路进行设置，分束镜5用于对第二反射镜4反射的光源进行分束，将透过分束镜5的光源传输至第三反射镜6，将分束镜5反射的光源传输至扩束器7；第三反射镜6沿分束镜5透射的光路进行设置，第三反射镜6用于将透过分束镜5的光源反射至散射介质9；扩束器7沿分束镜5反射的光路进行设置，扩束器7用于对分束镜5反射的光源进行扩束；光阑8沿所述扩束器7扩束的光路进行设置，光阑8用于对扩束器7扩束的光源的直径进行调节；散射介质9沿光阑8和第三反射镜6的光路进行设置，散射介质9用于使通过光阑8传输至散射介质9的光源转变成第一散斑照明光束，使通过第三反射镜6传输至散射介质9的光源转变成第二散斑照明光束，第一散斑照明光束照射至若干目标10形成携带目标信息的目标背向散射光，第二散斑照明光束照射至流动液体散射介质11形成参考背向散射光。

在一个具体实施例中，图像探测单元D包括透镜12、相机13和计算机14，其中，透镜12用于将目标背向散射光和参考背向散射光的交叠干涉的频谱信息传输至相机13；相机13沿透镜12透射的光路进行设置，相机13用于根据透镜12传输的交叠干涉的频谱信息进行成像得到单帧散斑图像；计算机14用于通过对单帧散斑图像做傅里叶逆变换重建出流动液体散射介质内的若干目标的图像。

也就是说，激光器1提供激光相干光源，衰减片2调节光源强弱；第一反射镜3和第二反射镜4调节光源高度，使其处于流动液体散射介质上方的合适位置进行照明；通过分束镜5产生参考点源与照射目标的光源，透过分束镜5的光源作为参考点源，第三反射镜6将参考点源反射至散射介质9，散射介质9如为毛玻璃，参考点源被毛玻璃散射的光束(即第一散斑照明光束)经过流动液体散射介质后会产生参考背向散射光，被分束镜5反射的光源进入如20倍的扩束器7中，经扩束器7、光阑8会扩大光束直径以及调节光源直径，经过扩束器7、光阑8的光束透过散射介质9可形成第一散斑照明光束，然后第一散斑照明光束透过流动液体散射介质11，再照射至目标10会产生携带目标信息的目标背向散射光，参考背向散射光和目标背向散射光再分别传输到远场距离后，参考背向散射光和目标背向散射光都会变为频谱信息，透镜12将交叠干涉的频谱信息成像至相机13的探测器靶面，相机13输出单帧散斑图像，最后通过计算机14对采集的单帧散斑图像进行傅里叶逆变换重建出目标。

本实施例的流动液体散射介质11为各向同性的均匀的流动液体散射介质，流速没有限制范围。

在进行试验时，其中本实施例采用的激光束的功率为100mw，流动液体散射介质11是配比的牛奶与水的混合物，流速在6m/s左右，此速度符合生物医学成像中细胞在组织液内的流动速度。目标大小不超过15mm×15mm，透镜12的焦距为100mm。

基于本实施例提供的对流动液体介质内多目标的反射式单帧散射成像装置，本实施例还提供该反射式单帧散射成像装置的使用方法，该方法包括：

步骤1：打开激光器1，激光器1发出激光光源，光源波长为532nm；

步骤2：调节衰减片2，并通过第一反射镜3和第二反射镜4将光源调节至合适高度，第一反射镜3和第二反射镜4的倾斜角度为45度；

步骤3：将第三反射镜6的角度调为45度；

步骤4：将扩束器7和光阑8调节为同轴，并调节光阑8大小；

步骤5：在合适的位置放置流动液体散射介质11和目标10，使得参考点源与扩束后的激光光束透过毛玻璃后，形成的散斑一部分照射至目标10，一部分传输至流动液体散射介质11以产生背向散射光；

步骤6：调节透镜12以及相机13的位置；

步骤7：打开相机13进行成像得到单帧散斑图像；

步骤8：利用计算机14对单帧散斑图像进行处理后得到目标图像；

其中步骤2中对第一反射镜3和第二反射镜4的调节，合适高度具体指要在流动液体散射介质11与目标10位置上方；

步骤3中对第三反射镜6角度的调节是为了将光束照射至物体上方，但是为了相机13可以接收到反射的散斑图样实际的角度在48度左右；

步骤4中光阑8的大小要确保被毛玻璃散射后的光束能够完全照明目标；

步骤5中毛玻璃与目标的距离在1-2cm左右，且目标的位置应使得参考点源被毛玻璃的散射光斑直接传输至流动液体散射介质11，不再经过目标；

步骤6中透镜12与流动液体散射介质11之间的距离应超过远场距离，第一散斑照明光束与第二散斑照明光束透过流动液体散射介质11分别产生参考背向散射光和目标背向散射光传输至远场处时，背向散射光和目标背向散射光会分别做一次傅里叶变换从而变为频谱信息，且两者的频谱信息会有交叠，透镜12满足高斯成像公式后，将交叠部分即散斑干涉区域成像至相机13的探测器靶面。

步骤8中得到的散斑图样利用维纳辛钦定理做一次傅里叶逆变换，便可重建出多目标。

本发明的反射式单帧散射成像装置可实现反射式成像，可以使得光源和图像探测系统在散射介质同侧，这种方式类似于绕墙成像的效果，在医学领域中可对皮肤组织内部的细胞进行非侵入式反射式成像，在水下探测、海洋监测等领域中对介质内部的目标进行成像及跟踪，拓宽了方法的应用范围。

本发明的反射式单帧散射成像装置只需采集单帧散斑图样，就可以重建出流动液体散射介质内部的目标，这种方式的数据采集与处理时间快，极大地缩短了数据采集及图像重建的时间，提高了成像的时间分辨率。

本发明的反射式单帧散射成像装置可以对流动液体散射介质内部的多个目标成像，为水下多目标或者组织内部多细胞进行探测与跟踪提供了可能性。

本发明的反射式单帧散射成像装置可以对流动液体散射介质内部的多个目标进行成像，扩大了成像的视场范围

本发明的反射式单帧散射成像装置结构简单、所使用的器件简单，且易搭建，成本低廉。

实施例二

请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种对流动液体内多目标的反射式单帧散射成像方法的流程示意图。本发明在上述实施例的基础上，还提供一种对流动液体内多目标的反射式单帧散射成像方法，该反射式单帧散射成像方法利用实施例一的反射式单帧散射成像装置进行成像，该反射式单帧散射成像方法包括：

S1、通过实施例一的反射式单帧散射成像装置得到第一散斑照明光束和第二散斑照明光束。

具体地，首先按照实施例一中的反射式单帧散射成像装置搭建基于流动液体介质的反射式单帧散射成像的光路，然后调整流动液体散射介质与透镜、相机的相对位置，确保收集到最多的背向散射光，然后通过反射式单帧散射成像装置得到用于照射流动液体散射介质中的目标的第一散斑照明光束和用于照射流动液体散射介质的第二散斑照明光束，其具体方式请参见实施例一，在此不再赘述。

S2、根据第一散斑照明光束和第二散斑照明光束对应得到目标背向散射光和参考背向散射光。

S2.1、第一散斑照明光束照射至流动液体散射介质中的若干目标形成携带目标信息的目标背向散射光。

具体地，本实施例的多个目标分别表示为o₁(x,y),o₂(x,y),,o_n(x,y)，激光光束经过分束镜后被反射的光束被扩束照射至毛玻璃形成第一散斑照明光束，第一散斑照明光束经流动液体散射介质和目标调制后，可以得到携带目标信息的目标背向散射光，目标背向散射光可以表示为：

A＝[o₁(x,y)+o₂(x,y)+…+o_n(x,y)]·exp{-i[s₁(x,y)+s₂(x,y)]}

其中，A表示目标背向散射光，o(x,y)、o₂(x,y)至o_n(x,y)表示目标1、目标2至目标n，i表示虚部，s₁(x,y)表示散射介质引起的随机相位，s₂(x,y)表示流动液体散射介质引起的随机相位。

S2.2、第二散斑照明光束照射至流动液体散射介质中形成参考背向散射光。

具体地，透过分束镜并被第三反射镜反射的参考点源p(x,y)经过毛玻璃后形成第二散斑照明光束，第二散斑照明光束再经流动液体散射介质调制后形成参考背向散射光，参考背向散射光可以表示为：

B＝p(x,y)·exp{-i[s′₁(x,y)+s′₂(x,y)]}

其中，B表示参考背向散射光，p(x,y)表示参考点源，i表示虚部，s′₁(x,y)表示散射介质引起的随机相位，s′₂(x,y)表示流动液体散射介质引起的随机相位。

S3、根据目标背向散射光和参考背向散射光对应得到目标频谱信息和参考频谱信息。

S3.1、目标背向散射光传输至远场距离变为目标频谱信息。

具体地，目标背向散射光A传输至远场距离，即满足

条件，其中，D是目标大小，λ是光源波长，R_c是散斑相关的半高全宽，在远场距离处目标背向散射光A变为目标频谱信息，目标频谱信息即为：

其中，

表示目标频谱信息，F{·}表示傅里叶变换。。

S3.2、参考背向散射光传输至远场距离变为参考频谱信息。

具体地，参考点源p(x,y)产生的参考背向散射光B也传输至远场距离，从而变为参考频谱信息，参考频谱信息即为：

其中，

表示参考频谱信息，F{·}表示傅里叶变换。

S4、根据目标频谱信息和参考频谱信息交叠干涉的频谱信息得到单帧散斑图像。

具体地，目标背向散射光和参考背向散射光的散斑图样在重叠的部分干涉，则透镜便会将目标频谱信息和参考频谱信息交叠干涉的频谱信息传输至相机进行成像从而得到单帧散斑图像。

进一步地，目标背向散射光和参考背向散射光的散斑图样在重叠的部分干涉，因此会形成新的散斑模式，即：

C＝F{[o₁(x,y)+o₂(x,y)+…+o_n(x,y)]·exp{-i[s₁(x,y)+s₂(x,y)]}}

+F{p(x,y)·exp{-i[s′₁(x,y)+s′₂(x,y)]}}

因为s₁(x,y)，s′₁(x,y)，s₂(x,y)，s′₂(x,y)都是随机项，因此本实施例将含有随机项的指数项记为

则有：

由于相机仅对强度敏感，则接收到的单帧散斑图像I可表示为：

S5、利用维纳辛钦定理对单帧散斑图像做傅里叶逆变换重建出流动液体散射介质内的若干目标的图像。

利用维纳辛钦定理对单帧散斑图像做傅里叶逆变换有：

其中，☆表示自相关运算符号，

的系数正比于δ函数，可近似为随机背景项ξ(x,y)。因为参考点源p(x,y)是点源，所以

和

以共轭的形式就能显示多目标信息。傅里叶逆变换后的0级图像为多目标自相关及互相关

与ξ(x,y)的乘积，而普通全息技术的0级为目标的自相关及互相关光晕

这表明此方法无法获得目标的相位信息，但可以获取目标的轮廓信息，因此通过实施例一的反射式单帧散射成像装置可以重建目标的图像。

本发明的反射式单帧散射成像方法可实现反射式成像，可以使得光源和图像探测系统在散射介质同侧，这种方式类似于绕墙成像的效果，在医学领域中可对皮肤组织内部的细胞进行非侵入式反射式成像，在水下探测、海洋监测等领域中对介质内部的目标进行成像及跟踪，拓宽了方法的应用范围。

本发明的反射式单帧散射成像方法只需采集单帧散斑图样，就可以重建出流动液体散射介质内部的目标，这种方式的数据采集与处理时间快，极大地缩短了数据采集及图像重建的时间，提高了成像的时间分辨率。

本发明的反射式单帧散射成像方法可以对流动液体散射介质内部的多个目标成像，为水下多目标或者组织内部多细胞进行探测与跟踪提供了可能性。

本发明的反射式单帧散射成像方法可以对流动液体散射介质内部的多个目标进行成像，扩大了成像的视场范围。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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、材料或者特数据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必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特数据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。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

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)

1.一种对流动液体内多目标的反射式单帧散射成像装置，其特征在于，包括：

光源及调节单元(A)，用于提供激光相干光源并调节所述光源的强度；

参考点源及散斑照明单元(B)，用于对所述光源及调节单元(A)提供的所述光源通过反射的方式形成用于照射流动液体散射介质(11)中的目标(10)的第一散斑照明光束和用于照射流动液体散射介质(11)的第二散斑照明光束，所述第一散斑照明光束照射至若干目标(10)形成携带目标信息的目标背向散射光，所述第二散斑照明光束照射至流动液体散射介质(11)形成参考背向散射光；

图像探测单元(D)，用于根据目标背向散射光和参考背向散射光的交叠干涉的频谱信息进行成像得到单帧散斑图像，并利用维纳辛钦定理对所述单帧散斑图像做傅里叶逆变换重建出流动液体散射介质内的所述若干目标的图像。

2.根据权利要求1所述的反射式单帧散射成像装置，其特征在于，所述光源及调节单元(A)包括激光器(1)和衰减片(2)，其中，

所述激光器(1)，用于提供光源；

所述衰减片(2)，沿所述激光器(1)发射的光源的光路进行设置，用于调整所述激光器(1)发射的光源的强度。

3.根据权利要求1所述的反射式单帧散射成像装置，其特征在于，所述参考点源及散斑照明单元(B)包括第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、分束镜(5)、第三反射镜(6)、扩束器(7)、光阑(8)和散射介质(9)，其中，

所述第一反射镜(3)，沿所述光源及调节单元(A)提供的光源的光路进行设置，用于将所述光源及调节单元(A)提供的光源反射至所述第二反射镜(4)；

所述第二反射镜(4)，沿所述第一反射镜(3)反射的光路进行设置，用于将所述第一反射镜(3)反射的光源反射至所述分束镜(5)；

所述分束镜(5)，沿所述第二反射镜(4)反射的光路进行设置，用于对所述第二反射镜(4)反射的光源进行分束，将透过所述分束镜(5)的光源传输至所述第三反射镜(6)，将所述分束镜(5)反射的光源传输至所述扩束器(7)；

所述第三反射镜(6)，沿所述分束镜(5)透射的光路进行设置，用于将透过所述分束镜(5)的光源反射至所述散射介质(9)；

所述扩束器(7)，沿所述分束镜(5)反射的光路进行设置，用于对所述分束镜(5)反射的光源进行扩束；

所述光阑(8)，沿所述扩束器(7)扩束的光路进行设置，用于对所述扩束器(7)扩束的光源的直径进行调节；

所述散射介质(9)，沿所述光阑(8)和所述第三反射镜(6)的光路进行设置，用于使通过所述光阑(8)传输至所述散射介质(9)的光源转变成所述第一散斑照明光束，使通过所述第三反射镜(6)传输至所述散射介质(9)的光源转变成所述第二散斑照明光束，所述第一散斑照明光束照射至若干目标(10)形成携带目标信息的目标背向散射光，所述第二散斑照明光束照射至流动液体散射介质(11)形成参考背向散射光。

4.根据权利要求1所述的反射式单帧散射成像装置，其特征在于，所述图像探测单元(D)包括透镜(12)、相机(13)和计算机(14)，其中，

所述透镜(12)，用于将目标背向散射光和参考背向散射光的交叠干涉的频谱信息传输至所述相机(13)；

所述相机(13)，沿所述透镜(12)透射的光路进行设置，用于根据所述透镜(12)传输的交叠干涉的频谱信息进行成像得到单帧散斑图像；

所述计算机(14)，用于利用维纳辛钦定理对所述单帧散斑图像做傅里叶逆变换重建出流动液体散射介质内的所述若干目标的图像。

5.一种对流动液体内多目标的反射式单帧散射成像方法，其特征在于，所述成像方法利用权利要求1至4任一项的所述反射式单帧散射成像装置进行成像，所述成像方法包括：

通过权利要求1至4任一项所述反射式单帧散射成像装置得到第一散斑照明光束和第二散斑照明光束；

根据所述第一散斑照明光束和所述第二散斑照明光束对应得到目标背向散射光和参考背向散射光；

根据所述目标背向散射光和所述参考背向散射光对应得到目标频谱信息和参考频谱信息；

根据所述目标频谱信息和所述参考频谱信息交叠干涉的频谱信息得到单帧散斑图像；

利用维纳辛钦定理对所述单帧散斑图像做傅里叶逆变换重建出流动液体散射介质内的所述若干目标的图像。

6.根据权利要求5所述的反射式单帧散射成像方法，其特征在于，根据所述第一散斑照明光束和所述第二散斑照明光束对应得到目标背向散射光和参考背向散射光，包括：

所述第一散斑照明光束照射至流动液体散射介质(11)中的若干目标(10)形成携带目标信息的所述目标背向散射光；

所述第二散斑照明光束照射至流动液体散射介质(11)中形成所述参考背向散射光。

7.根据权利要求5所述的反射式单帧散射成像方法，其特征在于，根据所述目标背向散射光和所述参考背向散射光对应得到目标频谱信息和参考频谱信息，包括：

所述目标背向散射光传输至远场距离变为目标频谱信息；

所述参考背向散射光传输至远场距离变为参考频谱信息。

8.根据权利要求5所述的反射式单帧散射成像方法，其特征在于，所述目标频谱信息表示为：

其中，

表示目标频谱信息，F{·}表示傅里叶变换，o(x,y)、o₂(x,y)至o_n(x,y)表示目标1、目标2至目标n，i表示虚部，s₁(x,y)表示散射介质引起的随机相位，s₂(x,y)表示流动液体散射介质引起的随机相位。

9.根据权利要求5所述的反射式单帧散射成像方法，其特征在于，所述参考频谱信息表示为：

其中，

表示参考频谱信息，F{·}表示傅里叶变换，p(x,y)表示参考点源，i表示虚部，s′₁(x,y)表示散射介质引起的随机相位，s′₂(x,y)表示流动液体散射介质引起的随机相位。

10.根据权利要求5所述的反射式单帧散射成像方法，其特征在于，所述单帧散斑图像表示为：

其中，I表示单帧散斑图像，F{·}表示傅里叶变换，p(x,y)表示参考点源，o(x,y)、o₂(x,y)至o_n(x,y)表示目标1、目标2至目标n，

表示随机项的指数项。

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