CN113218914A - 一种非侵入式散射介质点扩展函数获取装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非侵入式散射介质点扩展函数获取装置及方法，包括同一直线上依次设置的光源、各种光路辅助器件、不透光薄板、散射介质辅助采集光路，所述不透光薄板中心设有透射型成像目标。方法包括：S1通过改变散射介质相对于中心位置的距离连续采集n次成像面的散斑；S2将采集到的散斑进行自相关表示；S3通过混合估计恢复算法对得到的自相关图案进行复原；S4利用混合估计恢复算法来对目标图像进行限制；S5获取散射介质的点扩展函数。上述技术方案在面对厚散射介质时，使用平移光学记忆效应替换传统光学记忆效应，克服了角度记忆效应的薄散射介质局限和自由衍射局限，能够突破传统记忆效应的限制，简化具体实验装置。

Description

一种非侵入式散射介质点扩展函数获取装置及方法

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种非侵入式散射介质点扩展函数获取装置及方法。

背景技术

目标物体通过散射介质成像是光学成像研究领域的重要组成部分，目标物体的反射光或者透射光在散射介质的强散射下，出射光线将会产生随机偏离。光的散射可以简单的描述为，当光束照射到非均匀介质上的时候，从该介质侧方向透出光的现象。即按照原来传输方向传输的光束，产生了除原来入射方向光束以外方向传输的光束。因此，原本的目标物体反射的光束经过散射介质后会产生对应的散斑，当散射介质为静止状态的时候，散斑由散射介质内部微粒的分布、入射光波长、散射介质厚度等几个方面决定。

近年来，发现了一种光学记忆效应的现象，即当目标物体的入射光角度发生微小变化的时候，其经过散射介质的出射光也会相应转动相同的角度，因此散射光形成散斑图案中存在于散射介质的记忆当中。

借助于新发现的光学记忆效应，以散射介质为代表的光学系统即存在着点扩展函数，该点扩展函数为空间弥散的散斑分布。在这种情况下，能实现复原目标物体的方法包括解散斑自相关的方法和解卷积的方法，这两种方法所依赖的物理特性就是散斑的相关性。在解散斑自相关的方法中，由于相位的随机初始猜想，不同次数测试的恢复结果的位置和形状都会发生很大的变化。因此相比较与解散斑自相关的相位恢复算法，基于散斑相关性的解卷积方法恢复更加实用。

散射介质点扩展函数的获取可以是直接获取和间接获取，直接获取散射介质点扩展函数通常是先在成像系统的物平面放置一个针孔或者引导星，但是直接获取散射介质的点扩展函数需要在成像前提前侵入系统，这导致在实际应用中系统的整体性不是很高。因此寻找更多的非侵入式获取散射介质点扩展函数的方法变得非常具有实际意义。记忆效应的角度范围随着散射介质厚度的增加而减小，因此当散射介质的厚度相对较大的时候，角度记忆效应的范围就变得非常小，不利于实际应用。

近年来，有科研人员研究出了在厚的样本介质中(如生物介质中)，也存在类似的散射介质传输矩阵(点扩展函数)的相关性，此即为平移光学记忆效应。与传统的角度光学记忆效应相比，平移记忆效应能用于厚散射介质和整个空间充满散射介质的情形，克服了传统角度记忆效应只能应用于薄散射介质的情形。

中国专利文献CN108801982A公开了一种“测量半透明介质各向异性散射特性的方法”。采用了以平行光通过以半透明介质后光斑的聚焦性能作为参考，通过调整相位型空间光调制器的相位调制量实现对光斑聚焦性能的改善，直至光斑收敛至可调整范围的最小值，此时空间光调制器上所加载的相位调制数据代表了半透明介质的各项异性散射性能。直接获取散射介质的点扩展函数需要在成像前提前侵入系统，在实际应用中系统的整体性不是很高，传统角度记忆效应只能应用于薄散射介质。

发明内容

本发明主要解决原有的技术方案传统角度记忆效应只能应用于薄散射介质的技术问题，提供一种非侵入式散射介质点扩展函数获取装置及方法，在面对厚散射介质时，使用平移光学记忆效应替换传统光学记忆效应，使用相对位移扫描替换角度扫描，同时利用收敛效果更好的混合估计恢复算法实现目标图像的还原以用来估计散射介质的点扩展函数，克服了角度记忆效应的薄散射介质局限和自由衍射局限，能够突破传统记忆效应的限制，简化具体实验装置。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种非侵入式散射介质点扩展函数获取装置，包括同一直线上依次设置的光源、各种光路辅助器件、不透光薄板、散射介质和辅助采集光路，所述不透光薄板中心设有透射型成像目标。当移动入射目标物体与成像中心轴线的相对位置，并且满足在光学记忆效应之内，能够实现采集到的各组散斑图像之间存在一定的相关性，即为与入射光线平移的相同方向上的不同散斑图案的等比例的平移。

作为优选，所述的散射介质下方设有输出端能够移动的电机，所述散射介质通过固定杆与电机输出端刚性连接。通过电机相连散射介质，散射介质能够在电脑连接的控制下，实现精确对散射介质的相对位移的控制，当采集完一组散斑之后，改变散射介质的相对位置继续进行下一组散斑的采集，由于散射介质的固定与由电脑控制，因此在整个采集过程中，能够以较高的集成度快速完成对不同相对位置多组成像散斑的采集。

作为优选，所述的各种光路辅助器件包括空间扩束系统、旋转的毛玻璃和前置显微镜，所述空间扩束系统由透镜组成。在入射光线和目标物体之间需要加入一些特定装置来实现入射光线的处理，减少光线的空间相干性以及聚焦。

一种非侵入式散射介质点扩展函数获取方法，包括以下步骤：

S1通过改变散射介质相对于中心位置的距离连续采集n次成像面的散斑；

S2将采集到的散斑进行自相关表示；

S3通过混合估计恢复算法对得到的自相关图案进行复原；

S4利用混合估计恢复算法来对目标图像进行限制；

S5获取散射介质的点扩展函数。

作为优选，所述的步骤S1散斑图案表示为：假设形成的散斑图案相对于中心轴线平移的距离为ΔS，其散斑相图案相对于x轴和y轴的平移距离为ΔX和ΔY，根据不同相对位移之后的目标物体，最终通过散射介质形成的散斑图案I表示为：

其中I表示采集获取的散斑图案，O表示目标物体的强度，S表示散射介质的点扩展函数，*代表卷积运算，(x,y)表示成像平面中的空间坐标，(ΔX,ΔY)表示在成像平面中目标物体相对于中心位置的偏移量，(Δx,Δy)表示目标物体的入射光线相对于中心位置的偏移量。假设目标的入射光线按照x轴和y轴进行相对平移Δx和Δy，那么其最终相对于中心轴线的相对平移距离可以表示为

其透过散射介质形成的散斑图案也会往相同的方向进行等比例的平移。

作为优选，所述的步骤S2将采集到的散斑进行自相关表示为目标物体的自相关和点扩展函数自相关的卷积，当物体移动的范围在平移光学记忆效应的范围内时，取自相关运算：

I■I(x+Δx,y+Δy)＝(O■O)*(S■S)(x+Δx,y+Δy)+N

其中■表示进行自相关运算，N即为相关操作中的统计噪声，同时忽略点扩展函数自相关相对于目标物体自相关：

I■I(x+ΔX,y+ΔY)≈(O■O)(x+ΔX,y+ΔY)+N。

通过此式可以明显地得到当忽略散射介质的点扩展函数的时候，其最终采集得到的散斑图案进行自相关运算，可以约等于目标图像的自相关加上相关操作种的统计噪声。当将采集得到的散斑图案减去统计噪声再进行自相关，即可初步估计出目标物体的自相关。

作为优选，所述的步骤S3根据得到的散斑图案自相关的大小进行目标物体尺寸的估计，并且有目的性的将估计区域内的需要复原的目标图像进行初始化，而估计区域外的初始化为0，综合以上估计方式，初步产生需要复原的图像o_t：

其中R为通过自相关图案估计的目标物体的大小区域，进行频域分析并且提取相位φ_t：

O_t＝FT(g_t)

φ_t＝arg(G_t)

对采集得到的散斑自相关进行二维傅里叶变换并取幅值A：

最终将得到的A与φ_t进行重新融合并进行二维傅里叶逆变换初步得到第一次迭代的目标图像o_t′。

以混合估计恢复算法为限制收敛因素进行收敛相比较于误差减小的方式或者是混合输入输出的方式作为为限制因素进行收敛效果更好。

作为优选，所述的步骤S4首先将混合输入输出的方式作为前1/4次迭代的结果限制条件，然后再将误差减小方式当做第二个1/4次迭代的结果限制条件，最后再将混合输入输出方式当作最后剩下迭代次数的结果限制条件，即：

(1)

(2)

(3)

其中Z为满足目标物体强度的值，Count为迭代的总次数，最终通过混合估计恢复算法得到最终的目标物体的复原成果o(k),(k＝1,2,3…N)。在得到每一次迭代形成的目标图像后需要利用混合估计恢复算法来对目标图像进行限制。

作为优选，所述的步骤S5根据等式I＝O*S并结合不同相对位置获取的目标物体散斑图案I(k)得到如下表达式：

I(k)＝o(k)*S+c(k)

其中k表示不同相对位置获取的结果，c(k)表示在不同相对位置下的得到的误差，o(k)即为通过上面混合估计恢复算法估计出来的目标图像，并且由于I(k)和o(k)已知，并且要求所要得到的误差c最小，最终通过如下表达式得到最终的估计的散射介质的点扩展函数：

其中

即为估计出来的散射介质的点扩展函数。

本发明的有益效果是：在面对厚散射介质时，使用平移光学记忆效应替换传统光学记忆效应，使用相对位移扫描替换角度扫描，同时利用收敛效果更好的混合估计恢复算法实现目标图像的还原以用来估计散射介质的点扩展函数，克服了角度记忆效应的薄散射介质局限和自由衍射局限，能够突破传统记忆效应的限制，简化具体实验装置。

附图说明

图1是本发明的一种获取装置图。

图2是本发明的一种流程图。

图3是本发明的一种散射介质平移效果图。

图4是本发明的一种散射介质平移图

图中1光源，2各种光路辅助器件，3不透光薄板，4透射型成像目标，5散射介质，6电机，7辅助采集光路，8采集面。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种非侵入式散射介质点扩展函数获取装置，如图1所示，包括同一直线上依次设置的光源1、各种光路辅助器件2、不透光薄板3、散射介质5和辅助采集光路7，不透光薄板3中心设有透射型成像目标4，所述辅助采集光路7包括光阑，用于限制成像范围的大小。当移动入射目标物体与成像中心轴线的相对位置，并且满足在光学记忆效应之内，能够实现采集到的各组散斑图像之间存在一定的相关性，即为与入射光线平移的相同方向上的不同散斑图案的等比例的平移。

如图4所示，散射介质5下方设有输出端能够移动的电机6，所述散射介质5通过固定杆与电机6输出端刚性连接。通过电机相连散射介质，散射介质能够在电脑连接的控制下，实现精确对散射介质的相对位移的控制，当采集完一组散斑之后，改变散射介质的相对位置继续进行下一组散斑的采集，由于散射介质的固定与由电脑控制，因此在整个采集过程中，能够以较高的集成度快速完成对不同相对位置多组成像散斑的采集。

各种光路辅助器件2包括空间扩束系统、旋转的毛玻璃和前置显微镜，所述空间扩束系统由透镜组成。在入射光线和目标物体之间需要加入一些特定装置来实现入射光线的处理，减少光线的空间相干性以及聚焦。

一种非侵入式散射介质点扩展函数获取方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1通过改变散射介质5相对于中心位置的距离连续采集n次成像面的散斑，其中，散斑图案表示为：如图3所示，假设形成的散斑图案相对于中心轴线平移的距离为ΔS，其散斑相图案相对于x轴和y轴的平移距离为ΔX和ΔY，根据不同相对位移之后的目标物体，最终通过散射介质形成的散斑图案I表示为：

其中I表示采集获取的散斑图案，O表示目标物体的强度，S表示散射介质的点扩展函数，*代表卷积运算，(x,y)表示成像平面中的空间坐标，(ΔX,ΔY)表示在成像平面中目标物体相对于中心位置的偏移量，(Δx,Δy)表示目标物体的入射光线相对于中心位置的偏移量。假设目标的入射光线按照x轴和y轴进行相对平移Δx和Δy，那么其最终相对于中心轴线的相对平移距离可以表示为

其透过散射介质形成的散斑图案也会往相同的方向进行等比例的平移。

S2对于一系列移动相对位置ΔS即(ΔX,ΔY)不同的采样I(k),(k＝1,2,3…n)，采集到的散斑进行自相关表示为目标物体的自相关和点扩展函数自相关的卷积，当物体移动的范围在平移光学记忆效应的范围内时，取自相关运算：

I■I(x+Δx,y+Δy)＝(O■O)*(S■S)(x+Δx,y+Δy)+N

其中■表示进行自相关运算，N即为相关操作中的统计噪声，同时忽略点扩展函数自相关相对于目标物体自相关：

I■I(x+ΔX,y+ΔY)≈(O■O)(x+ΔX,y+ΔY)+N。

通过此式可以明显地得到当忽略散射介质的点扩展函数的时候，其最终采集得到的散斑图案进行自相关运算，可以约等于目标图像的自相关加上相关操作种的统计噪声。当将采集得到的散斑图案减去统计噪声再进行自相关，即可初步估计出目标物体的自相关。

S3通过混合估计恢复算法对得到的自相关图案进行复原，以混合估计恢复算法为限制收敛因素进行收敛相比较于误差减小的方式或者是混合输入输出的方式作为为限制因素进行收敛效果更好。

根据得到的散斑图案自相关的大小进行目标物体尺寸的估计，并且有目的性的将估计区域内的需要复原的目标图像进行初始化，而估计区域外的初始化为0，综合以上估计方式，初步产生需要复原的图像o_t：

其中R为通过自相关图案估计的目标物体的大小区域，进行频域分析并且提取相位φ_t：

O_t＝FT(g_t)

φ_t＝arg(G_t)

对采集得到的散斑自相关进行二维傅里叶变换并取幅值A：

最终将得到的A与φ_t进行重新融合并进行二维傅里叶逆变换初步得到第一次迭代的目标图像o′_t。

S4在得到每一次迭代形成的目标图像后我们需要利用混合估计恢复算法来对目标图像进行限制，首先将混合输入输出的方式作为前1/4次迭代的结果限制条件，然后再将误差减小方式当做第二个1/4次迭代的结果限制条件，最后再将混合输入输出方式当作最后剩下迭代次数的结果限制条件，即：

(1)

(2)

(3)

其中Z为满足目标物体强度的值，Count为迭代的总次数，最终通过混合估计恢复算法得到最终的目标物体的复原成果o(k),(k＝1,2,3…N)。

S5获取散射介质的点扩展函数。根据等式I＝O*S并结合不同相对位置获取的目标物体散斑图案I(k)得到如下表达式：

I(k)＝o(k)*S+c(k)

其中k表示不同相对位置获取的结果，c(k)表示在不同相对位置下的得到的误差，o(k)即为通过上面混合估计恢复算法估计出来的目标图像，并且由于I(k)和o(k)已知，并且要求所要得到的误差c最小，最终通过如下表达式得到最终的估计的散射介质的点扩展函数：

其中

即为估计出来的散射介质的点扩展函数。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了散射介质、自相关图案等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (9)

1.一种非侵入式散射介质点扩展函数获取装置，其特征在于，包括同一直线上依次设置的光源(1)、各种光路辅助器件(2)、不透光薄板(3)、散射介质(5)和辅助采集光路(7)，所述不透光薄板(3)中心设有透射型成像目标(4)。

2.根据权利要求1所述的一种非侵入式散射介质点扩展函数获取装置及方法，其特征在于，所述散射介质(5)下方设有输出端能够移动的电机(6)，所述散射介质(5)通过固定杆与电机(6)输出端刚性连接。

3.根据权利要求1所述的一种非侵入式散射介质点扩展函数获取装置及方法，其特征在于，所述各种光路辅助器件(2)包括空间扩束系统、旋转的毛玻璃和前置显微镜，所述空间扩束系统由透镜组成。

4.一种非侵入式散射介质点扩展函数获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1通过改变散射介质(5)相对于中心位置的距离连续采集n次成像面的散斑；

S2将采集到的散斑进行自相关表示；

S3通过混合估计恢复算法对得到的自相关图案进行复原；

S4利用混合估计恢复算法来对目标图像进行限制；

S5获取散射介质的点扩展函数。

5.根据权利要求4所述的一种非侵入式散射介质点扩展函数获取方法，其特征在于，所述步骤S1散斑图案表示为：假设形成的散斑图案相对于中心轴线平移的距离为ΔS，其散斑相图案相对于x轴和y轴的平移距离为ΔX和ΔY，根据不同相对位移之后的目标物体，最终通过散射介质形成的散斑图案I表示为：

其中I表示采集获取的散斑图案，O表示目标物体的强度，S表示散射介质的点扩展函数，*代表卷积运算，(x,y)表示成像平面中的空间坐标，(ΔX,ΔY)表示在成像平面中目标物体相对于中心位置的偏移量，(Δx,Δy)表示目标物体的入射光线相对于中心位置的偏移量。

6.根据权利要求4所述的一种非侵入式散射介质点扩展函数获取方法，其特征在于，所述步骤S2将采集到的散斑进行自相关表示为目标物体的自相关和点扩展函数自相关的卷积，当物体移动的范围在平移光学记忆效应的范围内时，取自相关运算：

I■I(x+Δx,y+Δy)＝(O■O)*(S■S)(x+Δx,y+Δy)+N

其中■表示进行自相关运算，N即为相关操作中的统计噪声，同时忽略点扩展函数自相关相对于目标物体自相关：

I■I(x+ΔX,y+ΔY)≈(O■O)(x+ΔX,y+ΔY)+N。

7.根据权利要求4所述的一种非侵入式散射介质点扩展函数获取方法，其特征在于，所述步骤S3根据得到的散斑图案自相关的大小进行目标物体尺寸的估计，并且有目的性的将估计区域内的需要复原的目标图像进行初始化，而估计区域外的初始化为0，综合以上估计方式，初步产生需要复原的图像o_t：

其中R为通过自相关图案估计的目标物体的大小区域，进行频域分析并且提取相位φ_t：

O_t＝FT(g_t)

φ_t＝arg(G_t)

对采集得到的散斑自相关进行二维傅里叶变换并取幅值A：

最终将得到的A与φ_t进行重新融合并进行二维傅里叶逆变换初步得到第一次迭代的目标图像o′_t。

8.根据权利要求7所述的一种非侵入式散射介质点扩展函数获取方法，其特征在于，所述步骤S4首先将混合输入输出的方式作为前1/4次迭代的结果限制条件，然后再将误差减小方式当做第二个1/4次迭代的结果限制条件，最后再将混合输入输出方式当作最后剩下迭代次数的结果限制条件，即：

(1)

(2)

(3)

其中Z为满足目标物体强度的值，Count为迭代的总次数，最终通过混合估计恢复算法得到最终的目标物体的复原成果o(k),(k＝1,2,3…N)。

9.根据权利要求7所述的一种非侵入式散射介质点扩展函数获取方法，其特征在于，所述步骤S5根据等式I＝O*S并结合不同相对位置获取的目标物体散斑图案I(k)得到如下表达式：

I(k)＝o(k)*S+c(k)

其中k表示不同相对位置获取的结果，c(k)表示在不同相对位置下的得到的误差，o(k)即为通过上面混合估计恢复算法估计出来的目标图像，并且由于I(k)和o(k)已知，并且要求所要得到的误差c最小，最终通过如下表达式得到最终的估计的散射介质的点扩展函数：

其中

即为估计出来的散射介质的点扩展函数。

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