CN112882246A - 一种基于滤波非相干光场强度高阶自相关的超分辨成像系统及方法 - Google Patents

一种基于滤波非相干光场强度高阶自相关的超分辨成像系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于滤波非相干光场强度高阶自相关的超分辨成像系统及方法，包含非相干光源、成像透镜、面阵探测器和空间阈值滤波器以及高阶强度自关联运算系统。非相干光源发射出来的光照射到目标物体上，被物体透过或者反射散射的光通过焦距为F的透镜后，成像在具有空间分辨能力的面阵探测器上。面阵探测器通过外触发控制数据采集时序，每一时刻采集到即时面阵强度信号，输入到设定合适的阈值的强度空间滤波器进行滤波运算，并根据滤波后的空间强度分布面阵数据，进行高阶强度自关联运算重建目标物体的像。该方法具有抵抗大气扰动、湍流等影响恶劣天气影响的能力，能够实现超分辨率成像，在显微成像、遥感等各种需要高分辨成像领域具有重要意义。

Description

一种基于滤波非相干光场强度高阶自相关的超分辨成像系统 及方法
技术领域
本发明涉及非相干光的超分辨成像领域，特别涉及一种基于滤波非相干光场强度高阶自相关的超分辨成像系统和方法。
背景技术
在光学领域中，成像分辨率由于受到瑞利衍射极限的限制，不能在远处区域分辨小于半波长的两个点，也无法得到半波长以下大小的聚焦光斑，因此通常光学系统在可见光波段的空间分辨率都很低，大约在200nm的量级。而在实际应用中，成像分辨率还受到光学系统和探测系统的噪声和带宽的影响和限制，实际空间分辨率更低。随着纳米技术、医学成像技术等的显著发展，希望获得更高的空间分辨率的要求也变得更为突出。如何克服衍射限制超越传统光学系统的分辨极限，突破光学显微镜、遥感成像和天文探测等领域的性能瓶颈，实现亚波长的超分辨成像，提高成像系统分辨率的超分辨技术目前已成为所有成像科学领域都在进行的科学研究，是成像科学领域和现代光学高新技术领域重要的研究方向,也是光学界长期追求的目标。
目前在显微成像领域为了突破衍射极限，科研人员发明了受激辐射损耗显微镜、光激活定位显微镜、结构光照明荧光显微镜等一系列新型光学成像技术，极大地扩展了人类观测微小世界的能力。但是这些成像技术多采用时间换空间的方式，存在速度慢、需要荧光染色、外部激光激发，系统复杂，造价高等问题，使得这些超分辨显微镜在实际应用中存在一定局限性。而近十多年新兴的关联成像技术也是超分辨成像的重要候选者之一，它既可以像传统透镜成像系统那样实现有透镜成像，也可以实现无透镜成像。虽然关联成像技术在相同的条件下比传统成像具有更高的成像分辨率，但是依然受制于成像系统的衍射极限，同时关联成像技术的成像分辨率与对比度是相互制约的关系，通常情况下，高分辨率的成像会导致对比度很低，这是关联成像技术的不足之处。
发明内容
本发明的一个目的是将即时强度的阈值滤波技术和光学非相干光场强度高阶自相关应用于超分辨成像领域，突破瑞利衍射极限，从而提供一种基于滤波非相干光场强度高阶自相关的超分辨成像系统和方法。
为了实现上述目的，本发明创造采用了如下技术方案：
一种基于滤波非相干光场强度高阶自相关的超分辨成像系统，由非相干光源射出方向，依次设有目标物体、焦距为F的透镜、面阵探测器、阈值滤波器、高阶强度自关联系统；
所述的非相干光源发射出的光束照射到目标物体上，被物体透过或者反射散射的光打在焦距为F的透镜上，成像在面阵探测器上；面阵探测器发出的信号接入阈值滤波器进行滤波运算，将滤波后的信号在高阶强度自关联系统中进行高阶自关联符合测量。
所述的非相干光源为热光源、自然光源或人造赝热光源。
所述的焦距为F的透镜为凸透镜、凹面镜、望远镜、显微镜或相机镜头的组合。
所述的面阵探测器为具有空间分辨能力的面阵相机。
所述的面阵探测器为CCD、EMCCD、ICCD或CMOS面阵相机。
所述的阈值滤波器为高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、均值滤波器、中值滤波器、Lee局域统计自适应滤波器、Frost滤波器、Sigma滤波器、改良K-均值自适应滤波或Gamma滤波器。
利用所述超分辨成像系统进行超分辨成像的方法，其步骤为：
1)非相干光源发射出的光束照射到目标物体上，透射光或反射散射光通过焦距为F的透镜后被面阵探测器对光强信号进行收集；物体到焦距为F的透镜的距离、焦距为F的透镜到面阵探测器光敏面的距离与焦距为F的透镜的焦距满足高斯薄透镜成像关系；
2)根据光场强度的平均值、即时光场的最小值和最大值以及所采用的滤波器不同为阈值滤波器设定阈值；或根据深度学习算法训练选取为阈值滤波器的阈值；
3)将面阵探测器收集的信息接入强度空间阈值滤波器进行滤波运算；
4.1)经过阈值滤波处理的光束进入传统的自关联成像系统，利用MATLAB运算程序，按照光强高阶自关联成像原理进行处理，则对待成像物体实现超分辨关联成像；所述的传统的自关联成像系统为即时强度自相关运算系统。
4.2)经过阈值滤波处理的光束进入压缩感知成像系统，按照压缩感知成像的原理进行处理，对待成像物体实现超分辨关联成像。
所述阈值滤波器和高阶强度自关联系统采用硬件滤波处理或软件滤波处理。
本发明创造的有益效果：
1.本发明具有打破衍射极限的超分辨成像能力，可将分辨率提到传统成像的多倍；
2.本发明继承了传统成像技术的全部优势，可以用于升级各种非相干源元包括真热光源或者赝热光源以及基于计算机调制的空间调制光束的计算高阶自关联成像技术和压缩感知高阶自关联成像技术来提高关联成像系统的分辨率及成像对比度和信噪比；
3.本发明结构简单，易于操作，不增加高阶自关联成像系统的复杂程度和数据处理复杂度，仅在传统透镜成像系统基础上增加滤波器或者在传统探测方法的基础上利用计算软件对面阵数据进行数字化技术处理即可；
4.本发明也适用于光源发出的光场强度不稳定的情况；
5.本发明对光强的不稳定性不敏感，具有抵抗大气扰动、湍流等影响恶劣天气影响的能力，能够实现超分辨成像。特别是当选择合适的阈值时具有打破衍射极限的超分辨成像能力，可以抵消传统关联成像背景的影响，实现无背景的超分辨关联成像，获得比传统方法更好成像质量。
附图说明
图1是本发明基于滤波非相干光场强度高阶自相关的超分辨成像系统的原理框图。
图中：1、非相干光源；2、目标物体；3、焦距为F的透镜；4、面阵探测器；5、阈值滤波器；6、高阶强度自关联系统。
具体实施方式
下面将结合本发明创造实施例中的附图，对本发明创造实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：
图1是根据本发明一个实施例基于滤波非相干光场强度高阶自相关的超分辨成像系统及方法的示意性结构布置图。成像系统基本构成包括非相干光源1、目标物体2、焦距为F的透镜3、面阵探测器4、阈值滤波器5以及高阶强度自关联系统6。其中，具有空间分辨能力的面阵探测器4，通过外触发采集每一时刻目标物体2被非相干光源1照射或者被反射散射后经过焦距为F的透镜3的即时面阵强度信号。然后，将即时面阵强度信号，进行硬件滤波或者软件滤波操作，即可得到滤波后的空间强度分布面阵数据IF(x)。最后，按照热光关联成像的原理和方法，利用高阶强度涨落自关联函数
ΔG(n)(x)＝<(IF(x)-<(IF(x)>)n>
或高阶强度自关联函数
G(n)(x)＝<IF (n)(x)>
即可重现目标物体(1)的像。
以上是本发明的系统基本构成和主要方法，下面对于本发明的关键点进行进一步的详尽说明。
1.本成像系统中光学成像和探测部分与传统透镜成像系统相同。最大的不同在于探测器的输出信号按序列依次进行滤波操作，然后对每个序列点面阵数据信号按像素求和，所有的N帧像素取平均值；然后从每一帧中逐像素减去平均值，留下涨落项。再对所有N帧像素留下的波动项进行n次方再求和取平均值，给出高阶自关联的结果。或者直接计算高阶强度自关联函数G(n)(x)。
2.对于本发明中最为关键的滤波操作可以分为两种情况：硬件滤波和软件滤波。
1)硬件滤波就是按照图1所示的方法，将探测器的输出信号接入滤波器，滤波器按照人为设定的阈值或者预设的方法计算出阈值，对接入的信号进行滤波。具备上述功能的滤波器也可以是探测器的一部分，探测器光敏元件曝光采集到的原始数据直接通过滤波器后再输出。
2)如果采用软件滤波，就是在数据处理的过程中，将滤波操作编入软件程序中。具体的以高通通滤波为例，探测器输出面阵信号按序列存储于电脑硬盘，通过程序依次读入数据，然后计算每一个序列信号的平均值作为阈值信号，然后该面阵信号的每一个元素与该阈值信号进行比较，大于阈值的设为原值，小于阈值的等于阈值，从而达到对数据的高通通滤波操作。当然，滤波阈值也可以根据具体情况认为设定，但是阈值可以不同，甚至采用不同方法获得阈值。
3.滤波操作也可以在光路中进行，可在目标物体前加入一个光强空间强度滤波器。该种方法探测器可以像传统成像一样使用探测器。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本发明中所公开的实施例描述的示例及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了示例及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
虽然本发明的实施例仅列举了光源为热光源的形式，但本发明的关联成像系统同样适用于服从热光统计分布的自然光或人造赝热光源的成像方案。尽管本发明的实施例仅列举了一种基于滤波非相干光场强度高阶自相关的超分辨成像方案，但本发明的方法也适用计算成像系统和压缩感知成像系统。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的一个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (8)

1.一种基于滤波非相干光场强度高阶自相关的超分辨成像系统，其特征在于：由非相干光源(1)射出方向，依次设有目标物体(2)、焦距为F的透镜(3)、面阵探测器(4)、阈值滤波器(5)、高阶强度自关联系统(6)；
所述的非相干光源(1)发射出的光束照射到目标物体(2)上，被物体透过或者反射散射的光打在焦距为F的透镜(3)上，成像在面阵探测器(4)上；面阵探测器(4)发出的信号接入阈值滤波器(5)进行滤波运算，将滤波后的信号在高阶强度自关联系统(6)中进行高阶自关联符合测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于滤波非相干光场强度高阶自相关的超分辨成像系统，其特征在于：所述的非相干光源(1)为热光源、自然光源或人造赝热光源。
3.根据权利要求1所述的一种基于滤波非相干光场强度高阶自相关的超分辨成像系统，其特征在于：所述的焦距为F的透镜(3)为凸透镜、凹面镜、望远镜、显微镜或相机镜头的组合。
4.根据权利要求1所述的一种基于滤波非相干光场强度高阶自相关的超分辨成像系统，其特征在于：所述的面阵探测器(4)为具有空间分辨能力的面阵相机。
5.根据权利要求4所述的一种基于滤波非相干光场强度高阶自相关的超分辨成像系统，其特征在于：所述的面阵探测器(4)为CCD、EMCCD、ICCD或CMOS面阵相机。
6.根据权利要求1所述的一种基于滤波非相干光场强度高阶自相关的超分辨成像系统，其特征在于：所述的阈值滤波器(5)为高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、均值滤波器、中值滤波器、Lee局域统计自适应滤波器、Frost滤波器、Sigma滤波器、改良K-均值自适应滤波或Gamma滤波器。
7.利用所述超分辨成像系统进行超分辨成像的方法，其特征在于，其步骤为：
1)非相干光源(1)发射出的光束照射到目标物体(2)上，透射光或反射散射光通过焦距为F的透镜(3)后被面阵探测器(4)对光强信号进行收集；物体到焦距为F的透镜(3)的距离、焦距为F的透镜(3)到面阵探测器(4)光敏面的距离与焦距为F的透镜(3)的焦距满足高斯薄透镜成像关系；
2)根据光场强度的平均值、即时光场的最小值和最大值以及所采用的滤波器不同为阈值滤波器(5)设定阈值；或根据深度学习算法训练选取为阈值滤波器(5)的阈值；
3)将面阵探测器收集的信息接入强度空间阈值滤波器(5)进行滤波运算；
4.1)经过阈值滤波处理的光束进入传统的自关联成像系统，利用MATLAB运算程序，按照光强高阶自关联成像原理进行处理，则对待成像物体实现超分辨关联成像；
4.2)经过阈值滤波处理的光束进入压缩感知成像系统，按照压缩感知成像的原理进行处理，对待成像物体实现超分辨关联成像。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述阈值滤波器(5)和高阶强度自关联系统(6)采用硬件滤波处理或软件滤波处理。
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