CN115327513A - 远距离超分辨三维成像测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种远距离超分辨三维成像测试装置，远距离超分辨三维成像系统包括激光器、收发同轴光路部和探测器，测试装置包括：三维分辨率板，光纤，设置在激光器至探测器之间的光路中，用于增加激光器至探测器之间的光程，实现室内远距离；平行光管，设置在三维分辨率板和收发同轴光路部之间的光路中，用于将通过收发同轴光路部的光束聚焦在三维分辨率板，并接收自三维分辨率板返回的回波光信号，回波光信号通过平行光管进入收发同轴光路部；处理器，基于Fisher信息理论，对探测器采集的光强分布数据进行处理，获得Fisher信息值，根据Fisher信息值评价远距离超分辨三维成像系统的轴向分辨率。

Description

远距离超分辨三维成像测试装置及方法

技术领域

本申请涉及光学技术领域，具体涉及一种远距离超分辨三维成像测试装置及方法。

背景技术

统计推断中的假设检验应用到成像分辨率的问题上，使用以下两种假设情况下统计决策的平均误差来作为非相干点光源分辨能力的表征：一个点源的假设和两个间距很小的非相干点源的假设。另外，统计推断中的参数估计也是一种常用的表征分辨率的方法。在参数估计的框架内，分辨率可以用对两个点源间距的估计准确程度来度量。

现有技术中，评价分辨率主要依靠瑞利判据。然而，根据瑞利判据，当两个非相干点光源像斑中心的距离小于其衍射图案(艾里斑)第一零点的半径时，则认为它们是不可分辨的。因此在亚瑞利区域(瑞利判据认为非相干点光源不在能被分辨的距离之内)的分辨率没有客观的评价标准。

因此，有必要提出一种技术方案，解决目前在亚瑞利区的分辨率缺少客观的评价标准的问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种远距离超分辨三维成像测试装置及方法，通过引入fisher信息理论对一个远距离超分辨三维成像系统轴向分辨率的准确程度进行精准评价。

基于以上目的，本申请提供一种远距离超分辨三维成像测试装置，所述测试装置用于评价所述远距离超分辨三维成像系统的轴向分辨率，所述远距离超分辨三维成像系统包括激光器、收发同轴光路部和探测器，所述激光器发射光束，所述光束通过所述收发同轴光路部对成像目标进行扫描并反射生成回波光信号，所述回波光信号通过所述收发同轴光路部进入所述探测器；

所述测试装置包括：

三维分辨率板，所述三维分辨率板作为成像目标；

光纤，设置在所述激光器至所述探测器之间的光路中，用于增加所述激光器至所述探测器之间的光程；

平行光管，设置在所述三维分辨率板和所述收发同轴光路部之间的光路中，用于将通过所述收发同轴光路部的光束聚焦在所述三维分辨率板，并接收自所述三维分辨率板返回的回波光信号，所述回波光信号通过所述平行光管进入所述收发同轴光路部；

处理器，基于Fisher信息理论，对所述探测器采集的光强分布数据进行处理，获得Fisher信息值，根据所述Fisher信息值评价所述远距离超分辨三维成像系统的轴向分辨率。

进一步的，所述平行光管包括：

聚光单元，设置在所述收发同轴光路部和所述三维分辨率板之间的光路上，用于接收来自所述收发同轴光路部的光束，并使所述光束变为会聚光束；

所述三维分辨率板设置于所述聚光单元的焦面处。

进一步的，所述聚光单元包括至少一个曲面反射元件，所述曲面反射元件为凹球面反射镜或非球面反射镜，其中，所述非球面反射镜为离轴抛物面反射镜，或超环面反射镜。

进一步的，所述收发同轴光路部包括发射光路单元，所述激光器发射的光束通过所述发射光路单元扫描所述三维分辨率板，所述光纤设置在所述激光器与所述发射光路单元之间。

进一步的，所述测试装置还包括：

第一聚焦透镜，设置在所述激光器与所述光纤之间的光路中，接收并会聚所述激光器发射的光束，所述激光器发射的光束经过所述第一聚焦透镜耦合入所述光纤，光束通过所述光纤进入所述发射光路单元。

进一步的，所述收发同轴光路部包括接收光路单元，所述接收光路单元接收来自所述三维分辨率板的回波光信号，所述光纤设置在所述探测器与所述接收光路单元之间。

进一步的，所述测试装置还包括：

第二聚焦透镜，设置在所述接收光路单元与所述光纤之间的光路中，接收并会聚所述回波光信号，并将会聚后的所述回波光信号耦合入所述光纤；

第三聚焦透镜，接收并会聚经过所述光纤的回波光信号，并将所述回波光信号耦合入所述探测器。

进一步的，所述测试装置还包括：

门控电路，与所述探测器连接，用于设置所述探测器的采样频率和单次采样时长。

进一步的，所述门控电路设置的单次采样时长与激光在所述测试装置中的总光程相关，在单个采样周期中，当时刻大于t_s时所述探测器开始采样，t_s表示如下：

其中，L_Fn表示光纤长度，L₁表示测试装置中除光纤外其余部分激光器至探测器的光程长度，c表示光速。

本申请还提供一种远距离超分辨三维成像系统的评价方法，用于评价所述远距离超分辨三维成像系统的轴向分辨率，所述方法包括以下步骤：

通过所述远距离超分辨三维成像系统对所述三维分辨率板进行扫描，采集光强分布数据；

对所述光强分布数据进行预处理，剔除奇异点；

对所述光强分布数据进行归一化处理，获得归一化光强概率分布；

基于Fisher信息理论对所述归一化光强概率分布进行处理，获得Fisher信息值，根据所述Fisher信息值评价所述远距离超分辨三维成像系统的轴向分辨率，所述Fisher信息值表示如下：

其中，

表示Fisher信息值，P(t)表示归一化光强概率分布，t表示时间。

本申请提供一种远距离超分辨三维成像测试装置，使用平行光管和光纤组合在室内模拟远距离效果，并在平行光管的焦面处放置三维分辨率板，测量光强分布数据，并基于Fisher信息理论，对所述探测器采集的光强分布数据进行处理，获得Fisher信息值，根据所述Fisher信息值评价所述远距离超分辨三维成像系统的轴向分辨率，从而实现了对一个远距离超分辨三维成像系统轴向分辨率的准确程度进行精准评价。该评价方法为在亚瑞利区域的轴向分辨率评价提供了客观的评价标准。

附图说明

图1为现有技术中远距离超分辨三维成像系统的工作示意图；

图2为本申请实施例提供的三维分辨率板示意图；

图3为本申请实施例提供的平行光管的示意图；

图4为本申请一种实施例提供的测试装置示意图；

图5为本申请另一种实施例提供的测试装置示意图；

图6为本申请实施例提供的远距离超分辨三维成像系统的评价方法示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图1所示，其示出了现有技术中远距离超分辨三维成像系统的工作示意图。远距离超分辨三维成像系统包括收发同轴光路部11和探测器12。提供一激光器21，激光器21可以是皮秒激光器21。远距离超分辨三维成像系统工作时，激光器21所发射的激光通过收发同轴光路部11照射在成像目标表面，并在成像目标表面发生反射形成回波光信号。回波光信号沿原光路返回，并由收发同轴光路部11接收。回波光信号经过收发同轴光路部11后进入探测器12，被探测器12识别。

以上说明为现有远距离超分辨三维成像系统的大致工作方法。在利用远距离超分辨三维成像系统进行成像时，根据瑞利判据，当两个非相干点光源像斑中心的距离小于其衍射图案(艾里斑)第一零点的半径时，则认为它们是不可分辨的。因此，在亚瑞利区(瑞利判据认为非相干点光源不在能被分辨的距离之内)内，远距离超分辨三维成像系统的轴向分辨率极限的准确程度没有客观的评价标准。为此，本申请提供一种远距离超分辨三维成像测试装置，用于评价远距离超分辨三维成像系统轴向分辨率。

其中，为了对远距离超分辨三维成像系统的轴向分辨率提供统一的评价标准，在采用本申请实施例提供的测试装置对远距离超分辨三维成像系统进行评价时，采用统一的、可以作为参照的三维分辨率板作为成像目标。本申请实施例所说的“远距离超分辨三维成像系统的轴向分辨率”是指远距离超分辨三维成像系统在对成像目标采集深度信息时的分辨率。作为一种可选的实现方式，本申请实施例提供的测试装置包括：

三维分辨率板，所述三维分辨率板作为成像目标；

光纤，设置在激光器至探测器之间的光路中，用于增加激光器至探测器之间的光程；

平行光管，设置在三维分辨率板和收发同轴光路部之间的光路中，用于将通过收发同轴光路部的光束聚焦在三维分辨率板，并接收自三维分辨率板返回的回波光信号，回波光信号通过平行光管进入收发同轴光路部；

处理器，基于Fisher信息理论，对探测器采集的光强分布数据进行处理，获得Fisher信息值，根据Fisher信息值评价远距离超分辨三维成像系统的轴向分辨率。

如图2所示，其示出了本申请实施例提供的三维分辨率板示意图。作为一种可选的实现方式，本申请实施例提供的三维分辨率板为具有不平整的被测面的物体，其被测面包括多种周期性结构的组合。便于在对远距离超分辨三维成像系统进行测试时，可以收集到深度信息。

如图3所示，其示出了本申请实施例提供的平行光管23的示意图。作为一种可选的实现方式，本申请实施例提供的平行光管23包括聚光单元231。聚光单元231设置在收发同轴光路部11和三维分辨率板之间的光路上，用于接收来自收发同轴光路部11的光束，并使光束变为会聚光束。并且，将三维分辨率板设置在聚光单元的焦面处。

作为一种可选的实现方式，聚光单元231包括至少一个曲面反射元件。例如，曲面反射元件为凹球面反射镜或非球面反射镜。

作为一种可选的实现方式，非球面反射镜可以是离轴抛物面反射镜，或超环面反射镜。

如图3所示，作为一种可选的实现方式，本申请实施例提供的平行光管23还可以包括至少一个平面反射元件，用于调节光路。具体的，在本申请实施例中，平行光管23包括第一平面反射元件232，第一平面反射元件232设置在聚光单元231与三维分辨率板之间的光路中，通过调节第一平面反射元件232在光路中的位置和/或角度，可以实现调节聚光单元231所发出的会聚光束的焦点位置。

在本申请实施例中，仅提供了平行光管23包括一个平面反射元件的示例性实施方式，但是，对于本领域技术人员应当知道，通过一个或多个平面反射元件来调整聚光单元231焦点的位置是可以实现的。类似的，本申请实施例仅提供了聚光单元231包括一个曲面反射元件的示例性实施方式，但是，对于本领域技术人员应当知道，通过一个曲面反射元件或者多个曲面反射元件相互组合的方式来聚焦是可以实现的。

本申请实施例提供的平行光管23的工作原理可以参照现有的远距离超分辨三维成像系统。如前述，对于远距离超分辨三维成像系统，通过收发同轴光路部11出射的激光照射在三维分辨率板表面，并在三维分辨率板表面发生反射形成回波光信号，回波光信号沿原光路返回进入收发同轴光路部11。

根据以上说明，可以理解的，当本申请实施例在收发同轴光路部11和三维分辨率板之间设置了平行光管23时，自收发同轴光路部11发出的光束进入平行光管23，由聚光单元231聚焦后照射在三维分辨率板表面，或者先由聚光单元231聚焦，再通过平面反射元件调节焦点位置使聚焦后的光束照射在三维分辨率板表面。

激光照射在三维分辨率板表面发生反射形成回波光信号。回波光信号沿原光路返回进入平行光管23，由于三维分辨率板位于聚光单元231的焦点处，因此回波光信号在经过聚光单元231反射后发生准直。准直的回波光信号由收发同轴光路部11接收，最终进入探测器12。

作为一种可选的实现方式，本申请还在激光器21至探测器12之间的光路中设置了光纤22，用于增加激光器21至探测器12之间的光程，从而在室内环境模拟出远距离的效果，因此，本申请提供的测试装置可以在室内便利的对远距离成像装置的轴向分辨率进行评价。

对于现有的远距离成像装置，其收发同轴光路部11可以进一步细分为发射光路单元111和接收光路单元112。具体的，远距离超分辨三维成像系统工作时，激光器21所发射的激光通过收发同轴光路部11中的发射光路单元111照射在三维分辨率板表面，并在三维分辨率板表面发生反射形成回波光信号。回波光信号沿原光路返回，并由收发同轴光路部11中的接收光路单元112接收。回波光信号经过收发同轴光路部11后进入探测器12，被探测器12识别。

因此，参照远距离超分辨三维成像系统工作时的光路，作为一种可选的实现方式，光纤22可以设置在激光器21与发射光路单元111之间，或者，光纤22还可以设置在探测器12与接收光路单元112之间。

如图4所示，其示出了本申请一种实施例提供的测试装置示意图。具体的，光纤22设置在激光器21与发射光路单元111之间。测试装置还包括：第一聚焦透镜24。

其中，第一聚焦透镜24设置在激光器21与光纤22之间的光路中，接收并会聚激光器21发射的光束。激光器21发射的光束经过第一聚焦透镜24耦合入光纤22，光束通过光纤22进入发射光路单元111。

图4中仅示出了测试装置工作时完整光路中的发射光路部分。应当知道，在本申请这一实施例中，测试装置工作时，由激光器21发射的激光首先经过第一聚焦透镜24，由第一聚焦透镜24对激光进行会聚并耦合入光纤22的一端，之后再从光纤22的另一端出射进入发射光路单元111。接着，从发射光路单元111射出的光束进入平行光管23，由平行光管23中的聚光单元231聚焦到三维分辨率板表面。在三维分辨率板表面，光束发生反射形成回波光信号，回波光信号沿原光路返回通过平行光管23，并由收发同轴光路部11中的接收光路单元112接收。回波光信号经过收发同轴光路部11后进入探测器12，被探测器12识别。

作为一种可选的实现方式，光纤22长度可以根据需求进行选择，例如，光纤22可以是长度为20km或50km或100km的多模光纤22。

如图5所示，其示出了本申请另一种实施例提供的测试装置示意图。具体的，光纤22设置在探测器12与接收光路单元112之间。测试装置还包括：第二聚焦透镜26、第三聚焦透镜27。

其中，第二聚焦透镜26设置在接收光路单元112与光纤22之间的光路中，接收并会聚回波光信号，并将会聚后的回波光信号耦合入光纤22；

第三聚焦透镜27用于接收并会聚经过光纤22的回波光信号，并将回波光信号耦合入探测器12。

图5中仅示出了测试装置工作时完整光路中的接收光路部分。应当知道，在本申请这一实施例中，测试装置工作时，激光器21所发射的激光通过收发同轴光路部11中的发射光路单元111，经过平行光管23中的聚光单元231聚焦照射在三维分辨率板表面，并在三维分辨率板表面发生反射形成回波光信号。回波光信号沿原光路返回通过平行光管23，并由收发同轴光路部11中的接收光路单元112接收。回波光信号经过接收光路单元112后，通过第二聚焦透镜26进行会聚，并将会聚后的回波光信号耦合入光纤22的一端。自光纤22的另一端射出的回波光信号通过第三聚焦透镜27会聚并将回波光信号耦合入探测器12。

如图5所示，还可以在探测器12和接收光路单元112之间设置一个或多个平面反射元件来调整光路，从而有效利用室内空间。

根据以上说明，对本申请实施例提供的测试装置工作时的光路结构进行了详细说明，以下，将进一步对如何利用该测试装置对远距离超分辨三维成像系统进行评价做出解释。

作为一种可选的实现方式，本申请实施例提供的测试装置还包括处理器。该处理器基于Fisher信息理论，对探测器12采集的光强分布数据进行处理，获得Fisher信息值，根据Fisher信息值评价远距离超分辨三维成像系统的轴向分辨率。

具体的，利用本申请实施例提供的测试装置，将测试装置与待评价的远距离超分辨三维成像系统组合构成完整的实验光路，启动激光器21扫描位于平行光管23焦面处的三维分辨率板，产生的回波光信号最终由探测器12接收。

作为一种可选的实现方式，本申请实施例提供的探测器12可以采用单光子雪崩二极管，提高探测器12的灵敏度。

作为一种可选的实现方式，本申请实施例提供的测试装置还包括门控电路29。门控电路29与探测器12连接，用于设置探测器12的采样频率和单次采样时长。

具体的，探测器12的采样频率和单次采样时长可以根据激光在测试装置中的总光程进行设计。

在测试装置中，激光的总光程可以表示如下：

L＝L₁+L_Fn

其中，L_Fn表示光纤22长度，L₁表示测试装置中除光纤22外其余部分激光器21至探测器12的光程长度。

因此，激光从激光器21到探测器12的用时约为：

其中，L_Fn表示光纤22长度，L₁表示测试装置中除光纤22外其余部分激光器21至探测器12的光程长度，c表示光速。

作为一种可选的实现方式，本申请实施例中，在激光器21发射激光时关闭探测，等激光完全射出后开启探测，每周期的t_s至10t_s进行探测，这样可以避免探测到由于本地光学器件带来的本地回波。

作为一种可选的实现方式，可以利用激光器21的上升沿信号作为触发信号，对探测器12实现时间门控，在单个周期中，对小于t_s时间内关闭探测器12，其他时间打开探测器12，减少漫反射光的进入。

作为一种可选的实现方式，在本申请实施例中，处理器包括：

预处理模块，预处理模块用于对光强分布数据进行预处理，剔除奇异点；

归一化处理模块，归一化处理模块用于对光强分布数据进行归一化处理，获得归一化光强概率分布；

Fisher信息处理模块，基于Fisher信息理论对归一化光强概率分布进行处理，获得Fisher信息值，根据Fisher信息值评价远距离超分辨三维成像系统的轴向分辨率，Fisher信息值表示如下：

其中，

表示Fisher信息值，P(t)表示归一化光强概率分布，t表示时间。

如图6所示，本申请还提供一种远距离超分辨三维成像测试方法，用于评价远距离超分辨三维成像系统的轴向分辨率。

作为一种可选的实现方式，由探测器12采集光强分布数据；

对光强分布数据进行预处理，剔除奇异点，可以得到光强分布数据的时间分布直方图I(θ，t)。

其中，θ表示远距离超分辨三维成像系统扫描三维分辨率板表面时振镜扫描的角度，t表示激光飞行时间，I是对应θ和t所统计到的单光子个数。

对光强分布数据进行归一化处理，获得归一化光强概率分布。具体的，归一化光强概率分布可以表示如下：

其中，I表示对应θ和t所统计到的单光子个数，I_MAX表示对应θ和t所统计到的最大单光子个数。

基于Fisher信息理论对所述归一化光强概率分布进行处理，获得Fisher信息值，根据所述Fisher信息值评价远距离超分辨三维成像系统的轴向分辨率。

具体的，对归一化光强概率分布函数取对数得到：ln P(t)。

然后再对ln P(t)取关于Δt的二阶偏导数：

则，Fisher信息值表示如下：

其中，

表示Fisher信息值，P(t)表示归一化光强概率分布。

对Fisher信息值取倒数即：

该倒数可以表示为该远距离超分辨三维成像系统轴向分辨率极限的误差值，该值越小，即Fisher信息值越大，说明远距离超分辨三维成像系统测得的轴向分辨率极限更加准确。

根据以上说明，本申请提供一种远距离超分辨三维成像测试装置，使用平行光管23和光纤22组合在室内模拟远距离效果，并在平行光管23的焦面处放置三维分辨率板，测量光强分布数据，并基于Fisher信息理论，对所述探测器12采集的光强分布数据进行处理，获得Fisher信息值，根据所述Fisher信息值评价所述远距离超分辨三维成像系统的轴向分辨率，从而实现了对一个远距离超分辨三维成像系统轴向分辨率的准确程度进行精准评价。该评价方法为在亚瑞利区域的轴向分辨率评价提供了客观的评价标准。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，然其并非用以限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种远距离超分辨三维成像测试装置，所述测试装置用于评价远距离超分辨三维成像系统的轴向分辨率，所述远距离超分辨三维成像系统包括激光器、收发同轴光路部和探测器，所述激光器发射光束，所述光束通过所述收发同轴光路部对成像目标进行扫描并反射生成回波光信号，所述回波光信号通过所述收发同轴光路部进入所述探测器；

其特征在于，所述测试装置包括：

三维分辨率板，所述三维分辨率板作为成像目标；

光纤，设置在所述激光器至所述探测器之间的光路中，用于增加所述激光器至所述探测器之间的光程；

平行光管，设置在所述三维分辨率板和所述收发同轴光路部之间的光路中，用于将通过所述收发同轴光路部的光束聚焦在所述三维分辨率板，并接收自所述三维分辨率板返回的回波光信号，所述回波光信号通过所述平行光管进入所述收发同轴光路部；

处理器，基于Fisher信息理论，对所述探测器采集的光强分布数据进行处理，获得Fisher信息值，根据所述Fisher信息值评价所述远距离超分辨三维成像系统的轴向分辨率。

2.根据权利要求1所述的远距离超分辨三维成像测试装置，其特征在于，所述平行光管包括：

聚光单元，设置在所述收发同轴光路部和所述三维分辨率板之间的光路上，用于接收来自所述收发同轴光路部的光束，并使所述光束变为会聚光束；

所述三维分辨率板设置于所述聚光单元的焦面处。

3.根据权利要求2所述的远距离超分辨三维成像测试装置，其特征在于，所述聚光单元包括至少一个曲面反射元件，所述曲面反射元件为凹球面反射镜或非球面反射镜，其中，所述非球面反射镜为离轴抛物面反射镜，或超环面反射镜。

4.根据权利要求1所述的远距离超分辨三维成像测试装置，所述收发同轴光路部包括发射光路单元，所述激光器发射的光束通过所述发射光路单元扫描所述三维分辨率板，其特征在于，所述光纤设置在所述激光器与所述发射光路单元之间。

5.根据权利要求4所述的远距离超分辨三维成像测试装置，其特征在于，所述测试装置还包括：

第一聚焦透镜，设置在所述激光器与所述光纤之间的光路中，接收并会聚所述激光器发射的光束，所述激光器发射的光束经过所述第一聚焦透镜耦合入所述光纤，光束通过所述光纤进入所述发射光路单元。

6.根据权利要求1所述的远距离超分辨三维成像测试装置，所述收发同轴光路部包括接收光路单元，所述接收光路单元接收来自所述三维分辨率板的回波光信号，其特征在于，所述光纤设置在所述探测器与所述接收光路单元之间。

7.根据权利要求6所述的远距离超分辨三维成像测试装置，其特征在于，所述测试装置还包括：

第二聚焦透镜，设置在所述接收光路单元与所述光纤之间的光路中，接收并会聚所述回波光信号，并将会聚后的所述回波光信号耦合入所述光纤；

第三聚焦透镜，接收并会聚经过所述光纤的回波光信号，并将所述回波光信号耦合入所述探测器。

8.根据权利要求1所述的远距离超分辨三维成像测试装置，其特征在于，所述测试装置还包括：

门控电路，与所述探测器连接，用于设置所述探测器的采样频率和单次采样时长。

9.根据权利要求8所述的远距离超分辨三维成像测试装置，其特征在于，所述门控电路设置的单次采样时长与激光在所述测试装置中的总光程相关，在单个采样周期中，当时刻大于t_s时所述探测器开始采样，t_s表示如下：

其中，L_Fn表示光纤长度，L₁表示测试装置中除光纤外其余部分激光器至探测器的光程长度，c表示光速。

10.一种远距离超分辨三维成像测试方法，用于评价所述远距离超分辨三维成像系统的轴向分辨率，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

通过所述远距离超分辨三维成像系统对三维分辨率板进行扫描，采集光强分布数据；

对所述光强分布数据进行预处理，剔除奇异点；

对所述光强分布数据进行归一化处理，获得归一化光强概率分布；

基于Fisher信息理论对所述归一化光强概率分布进行处理，获得Fisher信息值，根据所述Fisher信息值评价所述远距离超分辨三维成像系统的轴向分辨率，所述Fisher信息值表示如下：

其中，

表示Fisher信息值，P(t)表示归一化光强概率分布，t表示时间。

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