CN114428395A - 一种基于带尾纤的光纤预制棒的内窥成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于带尾纤的光纤预制棒内窥成像的方法及装置，属于图像处理及光纤成像技术领域，该发明所涉装置由散斑图案生成模块、校准采集模块、成像探测模块、待测物体模块、计算成像控制中枢模块、显示模块六部分组成；该散斑图案生成模块使用的传光介质为一种带尾纤的光纤预制棒。

Description

一种基于带尾纤的光纤预制棒的内窥成像方法及装置

技术领域

本发明属于图像处理及光纤成像技术领域，主要涉及一种基于带尾纤的光纤预制棒的内窥成像的方法及采用该方法所需的预制棒结构及成像装置。

背景技术

传统光纤内窥镜基于光纤束，又称光纤传像束，其图像传输通道由单模光纤组成，即以单模光纤为基本像元构成被测物体图像。传统光纤内窥镜多用于生物上诸如肠道等腔类器官内窥或工业上一些常见成像器件无法触及的管道等狭窄空间，故需对传统光纤内窥镜进行改进以适应微型空间内窥应用场景。因此，减小成像装置尺寸是将光纤内窥镜往细胞成像等微型场景拓宽的一种有效途径，但该类成像器件的尺寸由单根光纤尺寸及光纤数量决定。其中，单根光纤的尺寸缩小对工艺要求高，相对于减少光纤数量难度较大。但对于传统光纤内窥镜而言，光纤数量减少需面对成像分辨率降低的问题。

近年来，将单像素成像技术与单根多模光纤结合的成像方法在小型化内窥成像器件方面具有应用潜力。在多模光纤单像素成像领域，需将一束经随机调制的空间光耦合入多模光纤以尽可能激发大量模式来产生成像所需的照明图案，传统多模光纤单像素成像是通过一系列透镜组合或耦合器来实现调制光的耦合缩束，但由于各光学元件参数的设计误差，导致耦合效率不高，此处耦合效率区别于传统光纤通信中的功率耦合效率。在多模光纤成像领域，其耦合效率是通过模式激发数、缩束空间光与光纤模场(或端面)之间的面积匹配程度来进行衡量。针对现有方法所存在的问题，本发明提出一种基于光纤预制棒的内窥成像方法及相应的装置来克服已有技术的不足，以改善多模光纤单像素成像中调制光耦合效率低的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种基于带尾纤的光纤预制棒的内窥成像方法及装置，其特征在于，所使用的光纤预制棒尾部为一段经拉丝而成的多模光纤段；依据方法中所述步骤采集光斑信号数据可将被测物体恢复；内窥成像方法由校准及成像两部分构成，

所说的采集校准方法包括以下步骤：

S1、初始化装置，启动光源发出空间光；

S2、使用空间光调制器对空间光进行M次调制，并将调制后的空间光耦合入带尾纤的光纤预制棒的光输入端；

S3、使用有空间分辨率的相机依次记录并保存调制光经带尾纤的光纤预制棒作用后在光输出端后出射的光斑图案信息，截取包含光子灯笼出射散斑图案，大小为N*N区域；

S4、将每幅图案以向量形式重新排列，记录的所有图案可构成行数为调制次数M、列数为单幅图案像素总数N2的测量矩阵A。

所说的实测成像方法包括以下步骤：

S5、保持基本装置部件不变，将相机更换为无空间分辨率的单像素探测器；

S6、在带尾纤的光纤预制棒后方放置物体，放置位置条件需满足S3中所述光斑可照射在物体上；

S7、使用空间光调制器对空间光进行M次调制，并将调制光依次耦合入带尾纤的光纤预制棒的光输入端，其中，此组M次调制需与校准方法中S2所述调制保持一致；

S8、依次记录并保存出射光照射在物体上并经物体作用后由单点光强探测器收集到的单值物体信号，可得到行数为调制次数M的测量值向量Y。

S9、使用矩阵求伪逆的方法将使用校准方法中经S4得到的测量矩阵A与使用成像方法中经S8得到的物体信号Y向量结合计算，依据关系Pinv(A)*Y＝X，重构真实物体图案X并显示，完成成像；

本发明设计的一种基于带尾纤的光纤预制棒的内窥成像装置，其特征在于该装置由散斑图案生成模块、校准采集模块、成像探测模块、待测物体模块、计算成像控制中枢模块、显示模块六部分组成；该散斑图案生成模块用于生成用于在带尾纤的光纤预制棒输出端输出单像素成像所需测量矩阵散斑，该校准模块用于散斑图案生成模块生成散斑图案采集，成像探测模块用于被测物体信号探测；计算成像控制模块用于收集校准采集模块及成像探测模块所测数据并进行单像素成像计算；显示模块用于显示计算成像控制中枢模块的反馈结果；该散斑图案生成模块由提供空间光的光源、对空间光进行调制的空间光调制器、能够生成测量矩阵所需散斑图案的带尾纤的光纤预制棒组成，其中空间光调制器与计算成像控制中枢模块连接并受其控制；该校准采集模块为具有空间分辨率的相机，采集散斑图案并将数据保存至计算成像控制中枢模块；该成像探测模块为无空间分辨率的桶探测器，在探测到散斑图案生成模块投射至待测物体模块并经其作用的物体信号后，保存该物体信号至计算成像控制中枢模块；该计算成像控制中枢模块为具有基本运算、存储、图像采集功能的计算机，其安装有控制校准采集模块的二维图像采集处理程序、控制成像探测模块的一维单像素信号采集处理程序、单像素成像计算程序。

本发明设计的带尾纤的光纤预制棒与本发明所述内窥成像方法配套，只采用本发明设计的带尾纤型光纤预制棒无法直接用于内窥成像。

附图说明

图1为带尾纤的光纤预制棒示意图。

图2为本发明的装置基本模块组成示意图

图3为本发明的实施例实施校准采集方法示意图

图4为本发明的实施例实施实测成像方法示意图

图5为本发明的实施例成像处理软件流程实施例图

具体实施方式

本发明提出的基于带尾纤的光纤预制棒内窥成像方法及采用该方法设计的带尾纤的光纤预制棒结合各附图及实施例详细说明如下。

本发明的带尾纤的光纤预制棒其组成如图1所示，在预制棒中11中传输的调制光到达拉丝而成的多模光纤段12后，激发多模光纤的光模式，模式之间会发生干涉形成散点光斑图案，记录并保存该图案生成用于单像素成像的测量矩阵A。由于本发明中包含单像素成像的方法，因此本发明的每一个实施例在第一次使用前需要校准，从而得到该实施例特定的测量矩阵A并将其存储在计算成像控制中枢模块处理模块中。待校准完成，只需收集被测物体信号Y，真实物体图案便可经计算成像控制中枢模块处理模块计算并于监视器处显示。

本发明各实施例在使用前需进行校准以获取单像素成像必备的测量矩阵信息，本发明各实施例实施校准采集方法装置的组成及原理如图3所示，其包括光源31、空间光调制器32、带尾纤的光纤预制棒33、CMOS相机34及计算成像控制中枢模块处理模块35。计算成像控制中枢模块处理模块35预存有一组M张互不相同的调制图案用于调制空间光。

光源31输出空间光并照射在空间光调制器32上，通过计算成像控制中枢模块处理模块36，依次加载预存好的互不相同的调制图案至空间光调制器32，由空间光调制器32对空间光进行调制，被调制后的空间光耦合入带尾纤的光纤预制棒，经多模光纤段作用后出射散点光斑，并由CMOS相机34依次记录并以数值矩阵的形式保存于计算成像控制中枢模块处理模块35中。其中，CMOS相机34只截取包含散点光斑的区域图像，所得图像大小为N*N。由于计算成像控制中枢模块处理模块35预存的M张调制图案之间互不相同，即空间光调制器对空间光进行M次不同的调制，则拍摄记录的M张散点光斑也互不相同。拍摄完成后，依次将所记录的光斑图案进行矩阵变换，形成行数为测量次数M、列数为N*N的测量矩阵，记为矩阵A。将单像素成像计算程序存储到该实施例的计算成像控制中枢模块处理模块35中，就能在实测成像中根据校准方法所获数值矩阵A及后续所测物体信号将真实物体图案进行重构。

本发明各实施例实施成像实测方法装置的组成及原理如图4所示，包括光源41、空间光调制器42、带尾纤的光纤预制棒43、单点光强探测器45、计算成像控制中枢模块处理模块46、监视器47。在对被测物体44成像时，计算成像控制中枢模块处理模块46分别与单点光强探测器45、空间光调制器42、监视器47相连。本发明是采用单像素成像算法对被测物体44的图案进行重构并于监视器47处显示，故本发明装置必须包括单点光强探测器45、计算成像控制中枢模块处理模块46和监视器47。其中，本发明的计算成像控制中枢模块处理模块46预存储有二维图像采集处理程序、一维单像素信号采集处理程序及单像素成像计算程序，以便采集被测物体44的物体信号并进行单像素成像。

光源41输出空间光并照射在空间光调制器42上，通过计算成像控制中枢模块处理模块46，依次加载预存好的互不相同的调制图案至空间光调制器42。此实施例中，预存好的调制图案与对应实施例校准装置中所存调制图案一致。由空间光调制器42对空间光进行调制，被调制后的空间光经带尾纤的光纤预制棒作用后形成散点光斑并投射至被测物体44，光斑经物体作用后的光信号由单点光强探测器45收集并保存。待M次调制后，计算成像控制中枢模块46中存有M*1维度的物体信号的一维向量Y。计算成像控制中枢模块处理模块46结合测量矩阵A及物体信号向量Y，通过矩阵求伪逆的方法求解方程Pinv(A)*Y＝X，此处X即为探测物体44成像结果。监视器47将成像结果显示。

采用本发明方法的光纤束成像装置的成像处理软件流程实施例如图5所示。该成像软件需完成的功能有控制校准采集模块的二维图像采集处理、控制成像探测模块进行一维单像素信号采集处理及单像素成像计算处理。首先执行二维图像采集处理，即发出指令将预存好的M张互不相同的调制图案加载于空间光调制器，控制相机依次拍摄融有光子灯笼光纤束的出射端的出射的二维光斑图案，截取光斑上包含散点状光斑的N*N像素大小区域，由M张像素大小为N2的光斑图案构成一个M*N2的测量矩阵A并保存。等待外部输入指令，判断是否将被测物体放置于散斑出射端后方及相机更换为单点光强探测器。接收物体放置及探测器更换完毕指令，开始执行一维单像素信号采集处理，即发出指令，加载预存好的与二维图像采集处理中保持一致的所述M张互不相同的调制图案于空间光调制器，控制单点光强探测器依次收集被测物体信号，经M次探测后获得维度为M*1的物体信号向量Y。待探测完毕后，执行单像素成像计算处理，即结合测量矩阵A与物体信号向量Y，通过Pinv(A)*Y＝X将被测物体X计算而出，并将其显示于监视器，完成成像。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用限制本发明。

显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改正，等同替换或者改进等，但是这些基本本发明思想的修正和改变均应包含在本发明的权利要求保护范围之类。

Claims (3)

1.一种基于带尾纤的光纤预制棒的内窥成像方法及装置，其特征在于，所使用的光纤预制棒尾部为一段经拉丝而成的多模光纤段；依据方法中所述步骤采集光斑信号数据可将被测物体恢复；内窥成像方法由采集校准及计算成像两部分构成，

所说的采集校准方法包括以下步骤：

S1、初始化装置，启动光源发出空间光；

S2、使用空间光调制器对空间光进行M次调制，并将调制后的空间光耦合入带尾纤的光纤预制棒的光输入端；

S3、使用有空间分辨率的相机依次记录并保存调制光经带尾纤的光纤预制棒作用后在光输出端后出射的光斑图案信息，截取包含光纤信息出射散斑图案，大小为N*N区域；

S4、将每幅图案以向量形式重新排列，记录的所有图案可构成行数为调制次数M、列数为单幅图案像素总数N2的测量矩阵A；

所说的实测成像方法包括以下步骤：

S5、保持基本装置部件不变，将相机更换为无空间分辨率的单像素探测器；

S6、在光纤束远端后方放置物体，放置位置条件需满足S3中所述光斑可照射在物体上；

S7、使用空间光调制器对空间光进行M次调制，并将调制光依次耦合入光纤束的光输入端，其中，此组M次调制需与校准方法中S2所述调制保持一致；

S8、依次记录并保存出射光照射在物体上并经物体作用后由单点光强探测器收集到的单值物体信号，可得到行数为调制次数M的测量值向量Y；

S9、使用矩阵求伪逆算法将使用校准方法中经S4得到的测量矩阵A与使用成像方法中经S8得到的物体信号Y向量结合计算，依据关系Pinv(A)*Y＝X，重构真实物体图案X并显示，完成成像。

2.一种采用如权利要求1所述方法的基于带尾纤的光纤预制棒的内窥成像装置，其特征在于，所述设计的光纤预制棒尾部为一段经拉丝而成的多模光纤段，所述成像装置包含出射多模光纤散斑图案的散斑图案生成模块、采集所需测量矩阵数据的校准采集模块、探测单像素信号的成像探测模块和从探测信号中恢复真实物体图案的计算成像控制中枢模块、显示成像结果的显示模块。

3.一种采用如权利要求1所述方法的基于带尾纤的光纤预制棒的内窥成像装置，其特征在于该装置由散斑图案生成模块、校准采集模块、成像探测模块、待测物体模块、计算成像控制中枢模块、显示模块六部分组成；该散斑图案生成模块用于生成用于在带尾纤的光纤预制棒输出端输出单像素成像所需测量矩阵散斑，该校准模块用于散斑图案生成模块生成散斑图案采集，成像探测模块用于被测物体信号探测；计算成像控制模块用于收集校准采集模块及成像探测模块所测数据并进行单像素成像计算；显示模块用于显示计算成像控制中枢模块的反馈结果；该散斑图案生成模块由提供空间光的光源、对空间光进行调制的空间光调制器、能够生成测量矩阵所需散斑图案的基于带尾纤的光纤预制棒组成，其中空间光调制器与计算成像控制中枢模块连接并受其控制；该校准采集模块为具有空间分辨率的相机，采集散斑图案并将数据保存至计算成像控制中枢模块；该成像探测模块为无空间分辨率的单点光强探测器，在探测到散斑图案生成模块投射至待测物体模块并经其作用的物体信号后，保存该物体信号至计算成像控制中枢模块；该计算成像控制中枢模块为具有基本运算、存储、图像采集功能的计算机，其安装有控制校准采集模块的二维图像采集处理程序、控制成像探测模块的一维单像素信号采集处理程序、单像素成像计算程序。

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