CN114240755A - 一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法，包括准直镜头、光纤束、位移驱动器、光电探测器、高压放大器、位移控制及数据采集装置。物体经准直镜头成像于其像方焦平面并被光纤束接收，位移控制装置产生电压信号，经高压放大器放大后，作用于位移驱动器，从而使光纤束面阵对目标物体所成的像进行微位移扫描，精确调节系统扫描步长，即可实现小于等于光学系统衍射极限的位移。本发明利用光纤束纤芯传像的特征并结合微扫描技术，打破目标探测与识别受探测器像元大小影响的限制，实现亚像素位移，补偿包层缺失的信息；并利用光电探测器阵列快速捕获光纤束输出端的光能量信息，减少信息丢失，可实现大视场超高分辨率成像。
Description
技术领域
本发明属于光学工程技术领域，具体涉及一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法，在医疗图像分析、工业故障检测、军事国防和航空航天等方面具有重要的应用前景。
背景技术
OCT医疗检测、金属表面探伤、望远探测等均需要用到图像传输技术。图像传输方式主要有传统光学成像系统、CCD相机、新兴CMOS以及光纤传像束等。传统光学成像系统由于刚性不易弯曲且结构复杂等特性的影响，在小型精密探测器等方面的使用受到限制，且成像质量不佳。目前获得高质量图像的直接方法是提高CCD及CMOS集成度，减小采样间距以提高采样率，目前通用工业相机CCD的像元尺寸最小为几微米，但难以大规模集成实现大视场成像，且受其工艺水平的制约，难以实现更高分辨率成像，成本较高。光纤束由于其柔性弯曲、抗电磁干扰且易于实现复杂空间结构等优势，在图像传输中得以迅速发展，但由于包层的存在，其成像质量略有不佳。
在20世纪50年代中期，美国人H.H.Hopkins和N.S.Kapany首次发表了利用光纤束传输图像的文章，提高图像透过率及分辨率成为技术难点和研究热点。“图像超分辨”的概念由Harris和Goodman首次提出，即在不改变设备硬件条件的情况下，利用多帧图像间的互补信息提高图像空间分辨率，而微扫描技术可实现对原始场景的亚像素位移并进行图像采集，优化成像质量。其通常通过移动光学元件改变光线从而间接实现扫描，但其体积大、惯性大、且容易引入像差，因此设计要求很高。
本发明基于光纤束再引入微扫描技术，利用光纤束及光电探测器等代替CCD传像，可降低工艺要求，同时利用微扫描技术直接驱动光纤束输入端实现亚像素位移，解决包层信息缺失问题，增加采样率，并由光电探测器快速捕捉光传递信息，后经图像重建，实现大视场超高分辨率图像采集及传输的研究。
由中国科学院光电技术研究所的耿超等人(C.Geng,X.Li,et al.,“Coherentbeam combination of an optical array using adaptive fiber opticscollimators,”Optics Communications 284,5531-5536(2011))独立研制的一种叫做自适应光纤准直器(Adaptive fiber-optics collimator，AFOC)的器件，已在小角度范围内自适应地精确控制出射准直光束的偏转角度，其控制方法可应用于光纤束的微扫描移动，使其扫描步长不大于光学系统的衍射极限分辨率，打破目标与探测手段不匹配的限制，可同时满足结构紧凑、体积小、重量轻，控制简单的需求，使其在生物医疗、军事国防及工业探测等方面具有巨大的应用发展潜能。
发明内容
本发明解决其技术问题的构思是：针对传统成像装置中大视场和高分辨率不可兼得的难点问题，同时解决典型光纤束系统传像质量不佳，以及传统CCD或CMOS相机无法达到更高分辨率成像以满足工业、军事等领域特殊要求等问题，创造性的将光纤束与微扫描技术相结合，装置如图1所示，该方法利用无源光纤束作为传像元件捕获目标物体光能信息，纤芯为获取图像信息的有效像元，通过位移驱动器驱动光纤束进行亚像素位移，对目标图像进行扫描，光纤束中每根光纤可同时获得目标不同位置信息，并采用光电探测器阵列代替CCD快速收集光纤束输出端传递的光能量信息，通过数据采集将图像信息进行集中处理，从而在补偿包层部分所缺失信息的同时减少传输过程中信息的丢失，实现图像数据的高效传输，再经图像重建处理后，得到目标物体的超分辨率图像。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法，包括准直镜头、位移驱动器、光纤束、光电探测器阵列、位移控制及数据采集装置多通道高压放大器，无穷远处目标物体通过准直镜头成像在其像方焦平面处，并被光纤束输入端接收，光纤束被固定在简易支撑结构中，连接结构与位移驱动器相连，位移控制及数据采集装置输出控制电压经多通道高压放大器放大后，作用于位移驱动器，从而控制光纤束输入端在x-y平面内任意方向产生位移，通过调节输出电压信号的大小，控制扫描步长，并利用光纤纤芯传光特性，在同一场景下进行扫描得到多张高分辨率图像，光电探测器阵列与光纤束输出端一一对应相连，可快速捕捉光纤中的光能量信息，通过位移控制及数据采集装置进行数据采集和图像处理，在包层缺失的像素信息被补偿的同时，进而利用光纤束结合微扫描技术方法实现大视场超高分辨率图像重建。
进一步地，所述的图像超分辨重建方法可应用于大、中、小、微型的探测系统或结构中。
进一步地，所述光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建不仅适用于可见光图像重建，同样适用于红外光图像重建。
进一步地，所述传像光纤束可选用单一波段工作的光纤，直接获得单色光图像，亦可选用多波段工作的光纤，并利用波分复用器、光栅、分光棱镜或光波导等手段同时获取不同波长下的高分辨图像。
进一步地，所述的光纤束输入端置于准直镜头的像方焦平面处，两者可集成为一个整体，亦可分为两个自由的独立个体进行图像信息传输，并且光纤束的数值孔径应大于等于准直镜头孔径角。
进一步地，所述的光纤束输入端是由多排光纤紧密排列形成的光纤面阵，输出端光纤可为离散、线阵或者面阵等，两端按照一一对应关系排列。
进一步地，所述光纤束的光纤数量、光纤间距、光纤芯包比等可根据具体要求进行设计。
进一步地，所述光纤束的排列方式可为六边形、矩形、圆形或环形。
进一步地，所述微扫描的移动路径有“弓”字型、“Z”字型、螺旋型、循环型。
进一步地，所述的控制光纤束面阵进行微扫描移动的位移驱动器可为双压电晶片驱动器，也可以使用压电叠堆驱动器、双金属片驱动器、静电梳齿驱动器和钛镍形状记忆合金等微驱动器件；
所述的光电探测器阵列可为光电二极管、光电三极管、雪崩光电二极管或光电倍增管等，光电探测器的工作波长范围应覆盖光纤束传输的光波长。
本发明相比于现有技术的优点在于：
(1)一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法，创造性将光纤束与微扫描技术相结合，可实现微位移步长小于等于光学系统的分辨率极限，解决目标与探测像元尺寸不匹配的问题，并充分发挥光纤束体积小、自由度大、抗电磁干扰、易于实现复杂空间结构等优势，建立小型轻量化超分辨系统。
(2)本发明一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法，解决了光纤束制作过程及传像过程中抗串扰与大芯包比难共存的技术难点问题。
(3)本发明一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法，采用光电探测器阵列代替CCD探测器，可高速探测并捕获图像传递的光信息数据，减少光信息传输过程中的丢失，降低制作成本和工艺难度。
(4)本发明一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法，可通过更换光纤束中光纤的类型进行不同波长范围的图像超分辨重建，灵活性较高，此外增加光纤束中光纤的数量即可实现百万像素、千万像素甚至更高像素的大视场超分辨清晰图像，扩束性较强。
附图说明
图1为本发明一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法的结构示意图。
图2为本发明一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法的工作状态示意图。
图3为本发明一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法中光纤传像束输入端光纤排列结构端面方案图，但不限于此。
图4为本发明一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法中微移动扫描路径方案图，但不限于此。
图5为本发明一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法中(a)原始图像；(b)光纤束直接传像；(c)MTF与微扫描步数(微扫描步长)对应曲线；(d)、光纤束微扫描步长4μm、(e)微扫描步长2μm、(f)微扫描步长1μm所得图像的理想仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法的系统结构及其工作状态示意图如图2所示，利用微位移驱动器控制光纤束在小角度范围内发生偏转与位移，扫描步长根据实际需求通过位移控制器进行设置，每扫描一步，图像信息立即被与光纤连接的光电探测器所接收，当扫描结束后，每根光纤都获得一幅高分辨的子图像，后经图像重建处理即可得到大视场超高分辨率的全幅图像。
物体首先经过光学系统会聚成像，像面由光纤束的输入端接收。光纤束是离散采样成像器件，由于单根光纤可视为局域等晕的，因此光纤束可视为空间不变线性系统，存在光纤纤芯的积分采样及各光纤密致排列的离散采样过程，故其传递函数MTFfib由光纤积分函数MTFfib-int与采样函数MTFfib-samp的乘积构成。经微扫描后，由光电探测器阵列采集接收图像信息并进行重建处理。因光纤传像微扫描系统属于离散采样过程，在光学系统不变的前提下，系统的像质取决于光纤束的传像质量，可用调制传递函数MTFfib评价：
MTFfib＝MTFfib-int·MTFfib-samp (1)
假设光纤束中光纤呈正方形密致排布(其余形状，计算方法类似)，在静态过程中所传图像如图4所示，单根光纤直径为d，纤芯直径为d0，光纤纤芯水平间隔与垂直间隔均为d，光纤束的积分函数MTFfib-int由圆形纤芯函数的傅里叶变换表示，假设系统微扫描采样步长为Δ，采样函数MTFfib-samp由矩形函数的傅里叶变换表示，则：
式中，曲率半径
fx,y为空间频率，J1为第一类一阶贝塞尔函数，Δ为扫描步长，x为横坐标，y为纵坐标，fx为x方向空间频率，fy为y方向空间频率，
为圆形纤芯函数的傅里叶变换，
为矩形函数的傅里叶变换，
为圆形纤芯函数，
为矩形函数。
在确定的光学系统中，光纤束纤芯与包层尺寸是固定的，那么在相同的空间频率下，系统的调制传递函数取决于光纤束采样函数MTFfib-samp，亦与扫描步长Δ有关。
本发明所述图像超分辨重建方法中，光纤束传像光纤可为多组分玻璃光纤、石英系光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤等。
所述方法中光纤束根据所选光纤材料性能，可进行不同波段光传像，包括传输可见光图像、近红外光图像和中红外光图像等。
所述方法中的光纤束的光纤数量、光纤间距、光纤芯包比等可根据具体要求进行设计。
所述方法中光纤束的输入端与输出端一一对应，光纤排列方式可以排成一条线，亦可叠加排列成一个面，当光纤排列为面阵时，其排列形状可为六边形、矩形或圆形，如图3所示，但不限于此。
所述方法采用位移控制装置精确控制光纤束输入端位移的步进长度，其扫描方式及路线可为正方螺旋型、六边螺旋型、“弓”字型、“Z”字跳跃型等，如图4(a)、图4(b)、图4(c)和图4(d)所示，但不仅限于此。
所述方法中的驱动装置为双压电晶片驱动器，也可以使用压电叠堆驱动器、双金属片驱动器、静电梳齿驱动器和钛镍形状记忆合金等微驱动器件，但不仅限于此。
按照图1的结构，一种超分辨光纤传像微扫描系统包括位移驱动器、光纤束、光电探测器阵列、多通道高压放大器和位移控制及数据采集装置。光纤束输入端置于准直镜头的像方焦平面处，物体通过准直镜头成像后被光纤束输入端接收，位移控制及数据处理装置输出电压信号并经由高压放大器放大，控制位移驱动器促使光纤束输入端在x-y平面内的任意方向产生微位移，对所成图像进行扫描，传输的光信息在输出端被光电探测器与位移控制及数据采集装置收集，通过重建处理得到超分辨图像。
本实验中选取分辨率板作为目标参考物，如图5(a)所示，光纤束由纤芯直径为d0＝4μm，包层直径为d＝80μm的光纤紧密排列组成，光纤束未经扫描直接成像所得图像如图5(b)所示，可见其模糊难以分辨。假设一根光纤所在区域看作一个像元大小，一根光纤纤芯的面积大小即对应一个有效像元大小，同时选取双压电晶片作为微位移驱动器，通过位移控制装置改变电压值使其发生形变进而改变光纤束位移方向与位置，产生微小移动，光纤束输出端分别一一对应连接光电探测器阵列。假设在奈奎斯特采样频率
下，按照图4中“弓”字型扫描方式进行全部扫描后，通过连接的数据采集装置分别记录光纤束在双压电晶片作用下扫描步长Δ＝4μm(扫描步数20)、步长Δ＝2μm(扫描步数40)和步长Δ＝1μm(扫描步数80)时的图像信息，采样函数MTFfib-samp为：
由数据可知，扫描步长Δ越小，采样函数MTFfib-samp数值越大，其对应曲线如图5(c)所示，即经过光纤束扫描系统所成图像的采样率越大，图像越清晰，分辨率越高。并且将以上扫描步长得到的图像信息按照位移距离顺序排列进入一个二维矩阵中，通过图像重建最终获得目标物体的图像，数值仿真结果如图5(c)、(d)、(e)所示，相比光纤束直接成像可明显观测目标特征，此外，从图中亦可明显看出扫描步长1μm的图像比扫描步长4μm、扫描步长2μm所得的图像清晰，从理论上证实了光纤束结合微扫描技术可实现图像超高分辨率重建方法的可行性。
至此，本发明完成了对一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法的详细描述。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法，其特征在于：包括用以成像的准直镜头(1)、位移驱动器(2)、光纤束(3)、光电探测器阵列(4)、位移控制及数据采集装置(5)多通道高压放大器(6)，无穷远处目标物体通过准直镜头(1)成像在其像方焦平面处，并被光纤束(3)输入端接收，光纤束(3)被固定在简易支撑结构中，连接结构与位移驱动器(2)相连，位移控制及数据采集装置(5)输出控制电压经多通道高压放大器(6)放大后，作用于位移驱动器(2)，从而控制光纤束(3)输入端在x-y平面内任意方向产生位移，通过调节输出电压信号的大小，控制扫描步长，并利用光纤纤芯传光特性，在同一场景下进行扫描得到多张高分辨率图像，光电探测器阵列(4)与光纤束(3)输出端一一对应相连，可快速捕捉光纤中的光能量信息，通过位移控制及数据采集装置(5)进行数据采集和图像处理，在包层缺失的像素信息被补偿的同时，进而利用光纤束结合微扫描技术方法实现大视场超高分辨率图像重建。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法，其特征在于：所述的图像超分辨重建方法可应用于大、中、小、微型的探测系统或结构中。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法，其特征在于：所述光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建不仅适用于可见光图像重建，同样适用于红外光图像重建。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法，其特征在于：所述光纤束可选用单一波段工作的光纤，直接获得单色光图像，亦可选用多波段工作的光纤，并利用波分复用器、光栅、分光棱镜或光波导等手段同时获取不同波长下的高分辨图像。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法，其特征在于：所述的光纤束输入端置于准直镜头的像方焦平面处，两者可集成为一个整体，亦可分为两个自由的独立个体进行图像信息传输，并且光纤束的数值孔径应大于等于准直镜头孔径角。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法，其特征在于：所述的光纤束输入端是由多排光纤紧密排列形成的光纤面阵，输出端光纤可为离散、线阵或者面阵等，两端按照一一对应关系排列。
7.根据权利要求1所述的一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法，其特征在于：所述光纤束的光纤数量、光纤间距、光纤芯包比等可根据具体要求进行设计。
8.根据权利要求1所述的一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法，其特征在于：所述光纤束的排列方式可为六边形、矩形、圆形或环形。
9.根据权利要求1所述的一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法，其特征在于：所述微扫描的移动路径有“弓”字型、“Z”字型、螺旋型、循环型。
10.根据权利要求1所述的一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法，其特征在于：所述的控制光纤束面阵进行微扫描移动的位移驱动器可为双压电晶片驱动器，也可以使用压电叠堆驱动器、双金属片驱动器、静电梳齿驱动器和钛镍形状记忆合金微驱动器件；
所述的光电探测器阵列可为光电二极管、光电三极管、雪崩光电二极管或光电倍增管，光电探测器的工作波长范围应覆盖光纤束传输的光波长。
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