CN114488511A - 一种基于深度测量辅助成像的拓展景深光纤内窥成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于深度测量辅助成像的拓展景深光纤内窥成像方法，步骤如下：1、构建基于光纤束采样特征的深度相关的光场采样模型及系统点扩散函数D‑PSF；2、将测量模块集成在成像光纤束上；3、通过深度测量系统得到物体成像位置的绝对深度；4、采集离焦的图像信息；5、利用D‑PSF对于超出工作距离时记录的失焦模糊图进行去卷积重建。本发明提出的基于深度测量的大景深光纤内窥成像方法，证明了无透镜光纤内窥镜的工作距离可以从端面增加到几十微米处，在某些空间频率下景深甚至可以增加两倍以上，实现了光纤内窥镜景深的拓展，且重建图像的对比度也得到了显著改善；本发明无需预先校准即可快速实施，且对光纤弯曲具有弹性，因此可以进行实时检测。
Description
技术领域
本发明涉及光纤内窥成像方法，特别是一种基于深度测量辅助成像的拓展景深光纤内窥成像方法。
背景技术
基于光纤束的光纤内窥镜在医疗诊断、工业监测等领域有着广泛的应用。在人眼难以看到的区域，可以实现实时的内部测量与成像，如胃镜、喉镜、工业检修镜等。每根光纤束包含数千个甚至上万个相对独立的纤芯，由于包层和纤芯之间的对比度较大，这些纤芯可以以较低的串扰将光从一端传输到另一端，实现二维图像的传输。随着狭小空间探测的需求增加，传统光纤内窥镜的尺寸受到前端光学元件尺寸的限制难以再缩小，单透镜或无透镜的光纤内窥镜越来越引起人们的重视。
然而，光纤束本身通常具有较大的数值孔径(NA)，无透镜的光纤内窥镜的工作距离仅限于紧贴其远端面的一小段区域。一方面，较浅的景深使得当物体远离探测端面时，图像会产生严重的失焦，影响成像质量。另一方面，长时间近距离接触探测严重影响了内窥镜的使用寿命和被测物体的完好性。单透镜内窥镜的景深也往往限制在其焦距附近的一小段距离内，严重限制了其成像范围。所以拓展光纤内窥镜的景深，在内窥成像应用中有着十分重要的意义。
现有技术的缺点：
1、对比现有大景深镜头内窥镜：现有大景深镜头通常需要多层镜片复杂的镜头设计来实现景深的拓展。非球面镜的加工对加工工艺有着较高的要求，同时不可避免的，仍会存在一定的加工误差。昂贵的费用和较大的尺寸限制了其的广泛应用。
2、对比现有无透镜内窥镜方案：现有基于相干光传输矩阵和波前整形的聚焦扫描方案大多需要预先校准并需要一定的扫描时间，且对弯曲、温度等环境因素较为敏感。本发明基于距离测量对光场采样模型进行有效构建，通过去卷积技术对失焦模糊图像进行重建。且使用非相干光，对弯曲等环境因素不敏感。
3、对比现有显微成像失焦去卷积重建方案：现有方案大多是基于片上或空间的，三维解卷积的恢复效果依赖于前期对于系统点扩散函数的标定和复杂的计算，而本发明将基于光纤束具有角度滤波采样的特性，通过构建采样系统点扩散函数与成像距离的关系，无需标定和复杂的去卷积算法即可通过距离测量辅助重建图像。
4、对比现有内窥镜距离测定方案：现有方案大多是基于双目视觉和立体视觉的，不仅需要较大尺寸的探头和多通道探测的图像拍摄，有的甚至需要机械扫描转置。我们对于距离的测定方案是集成在成像光纤本身中的，且无需标定。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于深度测量辅助成像的拓展景深光纤内窥成像方法，实现光纤内窥镜景深的拓展。
技术方案：本发明所述的一种基于深度测量辅助成像的拓展景深光纤内窥成像方法，包括以下步骤：
(1)构建基于光纤束采样特征的深度相关的光场采样模型及系统点扩散函数D-PSF；
(2)将测量模块集成在成像光纤束上；
(3)通过深度测量系统得到物体成像位置的绝对深度；
(4)采集离焦的图像信息；
(5)利用D-PSF对于超出工作距离时记录的失焦模糊图进行去卷积重建。
步骤(1)所述的光场采样模型与采样系统结构相关，在无透镜内窥成像系统中，深度相关的系统点扩散函数通过光纤束的数值孔径构建近高斯模型，所述步骤(1)具体为：
(1.1)在显微镜下对光纤束端面进行照明，标记光纤束每个纤芯位置、半径、形状及间距；
(1.2)将点光源置于光纤束远端面一定距离，近端用成像系统对光纤束近端面进行图像采集记录，记录点光源距离光纤束前端面不同距离处时的光斑图案；
(1.3)对采集到的初始光斑进行处理，通过滤波和插值等方法去除光纤束固有蜂窝状图案的影响，对不同距离处采集的光斑分别沿X、Y方向进行近高斯拟合；
(1.4)基于光纤束数值孔径(NA)，构建数学模型对光纤束采集过程进行模拟，将构建模型与步骤(1.3)中得到的近高斯拟合模型进行比对修正数学模型参数；
(1.5)基于每个纤芯特征，对光纤束端面不同位置进行矫正，得到基于光纤束采样特征的深度相关的光场采样模型及系统点扩散函数D-PSF。
在单透镜内窥成像系统中，其特征在于，步骤(1)所述的光场采样模型与光纤束的纤芯特征和单镜头的调制传递函数有关，在步骤(1.1)-(1.5)之后，还需获取镜头的参数如材料的折射率、尺寸等，利用zemax等软件对镜头和光纤束采集模型进行进一步参数优化和构建。
步骤(2)所述的测量模块包括光纤束外部的测量模块和光纤束内部的测量模块。外部测量模块由一根单模光纤构成，为保持光纤探测尺寸小的优势，可以对单模光纤进行拉锥处理，获得较小的尺寸；内部测量时选取光纤束中一个纤芯作为深度测量通道，进行深度测量。
步骤(4)所述的深度测量系统进行深度测量所采用的原理包括相位法、三角法、干涉法和时间飞行法。
步骤(5)所述的去卷积采用的算法包括维纳滤波法、正则滤波法、露西理查德森法和盲去卷积法。
一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的一种基于深度测量辅助成像的拓展景深光纤内窥成像方法。
一种计算机设备，包括储存器、处理器及存储在存储器上并可再处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的一种基于深度测量辅助成像的拓展景深光纤内窥成像方法。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明提出的基于深度测量的大景深光纤内窥成像方法，证明了无透镜光纤内窥镜的工作距离可以从端面增加到几十微米处，在某些空间频率下景深甚至可以增加两倍以上，实现了光纤内窥镜景深的拓展，且重建图像的对比度也得到了显著改善；
2、本发明无需预先校准即可快速实施，且对光纤弯曲具有弹性，因此可以进行实时检测；
3、本发明对于单透镜光纤内窥镜，在已知镜头参数的情况下，绝对深度的测量提供了系统的点扩散函数，同样可以利用去卷积的方法实现图像的去模糊；
4、本发明构建的系统使得内窥镜在一毫米及以下狭小区域进行非接触探测变得十分方便，在医疗检测、工业监测中具备巨大的应用价值。
附图说明
图1为一种基于深度测量辅助成像的拓展景深光纤内窥成像方法的原理示意图；
图2为一种基于深度测量辅助成像的拓展景深光纤内窥成像方法的两种光纤探头方案的结构示意图，其中图2a为深度测量模块外部集成结构示意图，图2b为深度测量模块内部集成结构示意图；
图3为实施例的系统结构示意图；
图4为实施例中深度测量模块中基于F-P干涉仪的深度测量原理图；
图5为实施例中实现距离深度时的探测光谱的原始数据及处理图，其中图5a为探测的原始含噪数据，图5b是本发明距离测量模块中通过自适应平滑滤波处理消除芯间耦合影响的结果图，图5c是对图5b处理后数据求其自相关函数的示意图；
图6为实施例中不同测量深度下构建D-PSF的示意图；
图7为图像重建模块对失焦模糊的图像进行重建的结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明所述的基于主动深度测量辅助成像的大景深光纤内窥成像方法在测量中分别对深度和离焦的模糊图像进行采样，深度信息用来构建系统点扩散函数，模糊图像通过预处理、去卷积重建两个环节得到清晰的重聚焦图像。
图2展示了本发明所设计的两种光纤探头结构图，其中图2a中深度测量过程基于一根额外的光纤探针，包括但不限于普通单模光纤、单模光纤熔融拉锥的探针；图2b中深度测量模块被集成在光纤束本身的一个纤芯中。
为了更好的展示本发明的实现过程，这里提供一个具体实施案例。深度测量模块被集成在光纤束本身的一个纤芯中，通过纤芯远端面和物体的反射光构建一个法布里珀罗干涉仪，通过测量腔长来得到成像平面的深度信息。
图3展示了本发明提供案例所搭建的系统光路结构图。系统包括Laser宽带光源、SMF单模光纤、Circulator环形器、OSA光谱仪、CL准直器、CMOS工业相机、BS分束镜、OBJ物镜、FB光纤束和PC计算机。
在实时距离测量过程中，由宽带光源发出的测量光经过单模光纤、环形器。由准直器输出到空间，再由物镜耦合进入光纤束一个特定的纤芯(SC)中，如图4中橙色光线部分Pi，测量光一部分P1在远端面发生反射原路返回，另一部分从光纤束远端对应纤芯输出照射到样品上，再次耦合进入SC的反射光为P2，如黄色部分光线所示。两束反射光构成了F-P干涉仪，腔长即待测的深度。由于两反射面反射率均相对较低，可被认为是双光束干涉。其中腔长的测量公式为：
L是光学谐振腔的长度，λ代表测量光的波长，n代表空气折射率。FSR是一个自由光谱范围。通过求解光学谐振腔L的长度，可以获得样品的精确深度Z＝L。
准直器和物镜的组合，有效滤除了来自其他芯出射光的干扰，仅有从SC返回的信号光可以通过准直镜耦合进入单模光纤达到光谱仪OSA，从而实现对该点到待测平面对应垂直位置的距离测量。
图5是在光谱仪上测量得到的一组含有深度信息的干涉图。尽管来自其他纤芯的干扰已经被消除。不可避免的，光纤束因其自身特性，在波长较长时存在一定的芯间串扰，相邻纤芯构成耦合震荡器，能量在相邻纤芯中来回波动，这严重的影响了纤芯中能量的分布及测距信号的信噪比。其中图5a为探测得到的原始含噪数据。一个自适应的平滑滤波器被用来消除芯间耦合对测距信号能量的影响，因为微小的波长变化都会造成剧烈的能量变化。将平滑后的数据与原始数据的平均值做差可以得到图5b所示结果。周期信号初步显现但信噪比仍较低，对其求自相关函数得到图5c结果。自相关法是一种常用的从含噪信号中提取周期信号的方法。信号自相关函数的周期即为信号的周期。如图5c，FSR＝20.16nm，计算得到相应距离Z＝55.81um。
图6是测量深度为20um、30um和40um下构建D-PSF的结果图。基于光纤束中非相干光的传输特性，传输过程中每个纤芯的强度被认为是恒定的。对象平面和输出强度图案之间的关系可以表示为
其中Ii是第i个纤芯接收到的总光强度，Bk是物平面中第k个点的强度，PSFk(z，θ)表示传输距离z后耦合到光纤束中的第k个点的能量分布。θ是光传播方向和探测器平面之间的角度。在精确重建光场模型后，记录的重叠光场信息可以重新聚焦。当仅考虑非相干光时，点扩散函数(PSF)可由二维高斯模型构建，其尺度和方差随物体深度和入射角而变化
Z表示点光源的传播距离，x，y为光纤束端面上的平面坐标，tanθ＝NA为光纤束的数值孔径。注意，只有当θ<arctan(NA)时，其能量才能被接收和检测。如图6所示，PSF在不同深度处急剧变化。只有具有初始PSF的反褶积核才能有效地进行图像重建。因此，精确的深度定位是必要的。
在光纤束成像系统中，模糊函数被认为与成像深度相关的PSF有关。CMOS记录的模糊的图像可由下式表示，
g(x，y)＝h(x,y)*f(x,y)+n(x,y) (4)
其中g(x，y)是检测器记录的退化图像，f(x，y)是原始图像，h(x，y)表示时域中的退化函数，通常认为这与系统的点扩散函数有关。n(x，y)是噪声。运算符*表示时域卷积。
预处理过程中，一种在不规则纤芯之间插值或滤波的方法有效地去除了蜂窝图案，同时保留了纤芯位置处的原始图像信息。维纳滤波的方法被用来对去除蜂窝后的图像进行去卷积重建。其他反卷积的方法也是适用的。
图7展示了位于距离Z＝40um处的原始图像、预处理图像和重建图像。重建图像轮廓远清晰与原始图像，且具有较高的成像对比度。可见，对于分辨率为64lp/mm的物体，其工作距离增加至40um处，景深得到了拓展。
Claims (7)
1.一种基于深度测量辅助成像的拓展景深光纤内窥成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建基于光纤束采样特征的深度相关的光场采样模型及系统点扩散函数D-PSF；
(2)将测量模块集成在成像光纤束上；
(3)通过深度测量系统得到物体成像位置的绝对深度；
(4)采集离焦的图像信息；
(5)利用D-PSF对于超出工作距离时记录的失焦模糊图进行去卷积重建。
2.根据权利要求1所述的一种基于深度测量辅助成像的拓展景深光纤内窥成像方法，其特征在于，步骤(1)所述的光场采样模型与采样系统结构相关，在无透镜内窥成像系统中，深度相关的系统点扩散函数通过光纤束的数值孔径构建近高斯模型，所述步骤(1)具体为：
(1.1)在显微镜下对光纤束端面进行照明，标记光纤束每个纤芯位置、半径、形状及间距；
(1.2)将点光源置于光纤束远端面一定距离，近端用成像系统对光纤束近端面进行图像采集记录，记录点光源距离光纤束前端面不同距离处时的光斑图案；
(1.3)对采集到的初始光斑进行处理，通过滤波和插值等方法去除光纤束固有蜂窝状图案的影响，对不同距离处采集的光斑分别沿X、Y方向进行近高斯拟合；
(1.4)基于光纤束数值孔径(NA)，构建数学模型对光纤束采集过程进行模拟，将构建模型与步骤(1.3)中得到的近高斯拟合模型进行比对修正数学模型参数；
(1.5)基于每个纤芯特征，对光纤束端面不同位置进行矫正，得到基于光纤束采样特征的深度相关的光场采样模型及系统点扩散函数D-PSF。
3.根据权利要求1所述的一种基于深度测量辅助成像的拓展景深光纤内窥成像方法，其特征在于，步骤(2)所述的测量模块包括光纤束外部的测量模块和光纤束内部的测量模块；外部测量模块由一根单模光纤或由单模光纤拉锥探针构成。
4.根据权利要求1所述的一种基于深度测量辅助成像的拓展景深光纤内窥成像方法，其特征在于，步骤(4)所述的深度测量系统进行深度测量所采用的原理包括相位法、三角法、干涉法和时间飞行法。
5.根据权利要求1所述的一种基于深度测量辅助成像的拓展景深光纤内窥成像方法，其特征在于，步骤(5)所述的去卷积采用的算法包括维纳滤波法、正则滤波法、露西理查德森法和盲去卷积法。
6.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的一种基于深度测量辅助成像的拓展景深光纤内窥成像方法。
7.一种计算机设备，包括储存器、处理器及存储在存储器上并可再处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-5中任一项所述的一种基于深度测量辅助成像的拓展景深光纤内窥成像方法。
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