CN115496653A - 基于psf缩放的散射介质深度分辨成像方法 - Google Patents

Abstract

一种基于系统点扩散函数(PSF)缩放的散射介质深度分辨成像方法，该方法使用非相干光源照明，在探测器与放置在轴向导轨上的可移动物面之间引入一块毛玻璃，光束分别照射不同轴向位置的物体并经过散射介质后在探测面上形成各轴向位置处的物体散斑；用针孔代替物体，在初始轴向位置探测面上观测到点光源所形成的散斑，即系统的PSF。操控单一位置PSF，通过不同轴向位置PSF之间的变换关系，对探测器采集到的不同位置的物体散斑图和对应轴向深度变换后的PSF进行反卷积运算，实现不同轴向深度的物体重建。本方法不仅能够延拓景深，对于三维成像技术有一定的应用前景，成本低，重建图像速度快，重建质量高。

Description

基于PSF缩放的散射介质深度分辨成像方法

技术领域

本发明涉及散射介质光学成像领域，具体地，涉及一种基于系统点扩散函数缩放的深度分辨成像方法及系统。

背景技术

在传统可见光成像的基本模型中，光是沿直线传播的，利用传统的光学成像系统，能够直接实现清晰的成像目标。但在现实情况下，由于环境复杂，光子与复杂环境中的不均匀介质发生多次相互作用从而改变其传输方向变得随机化，放置在散射介质后的目标无法被清晰观测。为了克服散射现象引起的成像问题，穿透散射介质成像成了光学成像领域的重点和难点。

透过散射介质成像的方法有很多，通过控制光场分布，波前调制技术已经能够有效克制介质的散射作用。然而，现有的波前调制技术需要复杂的反馈调制或校准过程，成像过程耗时且复杂；同时，波前调制技术的实现需要参考点，因此需要侵入散射体内部或后方，不满足于实际应用的需求。

1988年，科研人员发现厚度较薄的散射介质具有光学记忆效应。随后，科研人员利用散射介质的光学记忆效应，提出了具有非侵入特性的散射成像技术。基于光学记忆效应的散射成像技术发展迅速，且具有成像恢复速度快、分辨率高等特点。散斑自相关在非侵入的情况下能够重建散射介质后的物体，但由于相位恢复算法具有一定的局限性；解卷积成像恢复技术在光学记忆效应的基础上，当能够获取成像系统的PSF时，就可以通过解卷积运算实现散射介质后的目标成像。

基于解卷积实现透过散射介质成像技术，需要在待恢复目标所在的轴向深度平面放置针孔来采集散射成像系统的PSF，针孔与目标在同一平面及同一记忆效应范围内，当目标轴向深度发生变化，此时系统的PSF也会发生改变，因此理论上只能实现对应一个固定轴向深度的目标成像。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提出了一种基于系统点扩散函数缩放的深度分辨散射成像方法及系统，用于改善解卷积散射成像技术中成像景深的限制，在延拓景深的同时还保证了成像精度。本发明的基于系统点扩散函数缩放的深度分辨散射成像方法，主要包括了光场调制及探测和图像重建恢复两个过程。

光场调制及探测过程：光源经过旋转毛玻璃后变成非相干光，光阑滤除周围杂散光，放置于焦平面的透镜对光束进行扩束，在被测物面上分别放置针孔和待测目标，扩束后的平行光照射到物面上，经过散射介质后形成散斑；光电探测器需要采集不同轴向深度的物面信息，因此在透镜与散射介质之间放置一个移动导轨，待测目标放置在导轨上，移动待测目标来获取不同深度的目标信息，用光电探测器记录其光强信号。

图像重建恢复过程：不同轴向深度的系统PSF之间具有一定的缩放关系，根据探测器所探测的位于初始物面上的针孔经过散射介质形成的散斑及不同轴向深度的目标散斑信息，利用重建公式进行解卷积运算，对待测物体进行恢复，实现不同轴向深度的散射介质成像。

优选地，所述光场调制及探测过程，具体包括以下步骤：

(1)所述光源为连续型激光器，发出的光为532nm波长的可见激光，激光出射后经过旋转毛玻璃，使光源变成非相干光源，利用透镜进行准直操作，得到平面光场，照射待测物面；

(2)在被测物面上放置直径100μm的针孔，光照射针孔在散射介质毛玻璃上形成一个点光源，用光电探测器记录所形成的光强信息，此散斑图案即为该初始轴向位置对应的点扩散函数PSF；

(3)将针孔以一定步长向远离散射介质的方向进行轴向移动，针孔中心保持在光轴中心上，用光电探测器分别记录不同轴向深度的点扩散函数PSF′；

(4)将待测目标代替针孔放置在初始被测物面上，非相干光照射目标经过散射介质后形成散斑，用光电探测器记录物体散斑信息；

(5)以和针孔相同的步长及方向移动待测目标，也分别记录移动后的待测目标散斑信息，记录多组数据。

优选地，所述图像重建恢复过程，具体包括以下步骤：

将散射介质视作一层随机相位掩膜TM(x_s，y_s)，光经过散射介质后在探测面上的光场分布为：

可以简写为：

式子中，F{·}表示傅里叶变换，d_i和d_o分别表示像距和物距，将散射介质看作是散射透镜，f为其焦距。则焦距满足物像距离的公式，可以表示为：

在非相干照明情况下，散射成像系统的PSF可以写成光场的模的平方：

PSF(x_i，y_i；x_o，y_o)＝|h(x_i，y_i；x_o，y_o)|²

将该式代入光场分布中：

将自相关定理与上述推论相结合，将PSF写成以下形式：

式中，

当物距从初始位置变为d′_o时，所对应的新的PSF可以表示为：

式中f′可通过

来表示。

不同轴向位置PSF可以利用初始位置处的点扩散函数通过变量代换得到：

PSF′(x_i，y_i)＝m²PSF(mx_i，my_i)

m为缩放比例因子，

测得初始位置处的点扩散函数，利用式中不同轴向位置点扩散函数之间的变换关系可以得到其他深度的点扩散函数。

根据物体重建公式进行物体重建，物体重建公式具体为：

其中，I为被测物体的散斑观测信号，O为待恢复目标图像，PSF表示点扩散函数，

R_SN是信噪比，k为常数项且取值取决于实验条件。

与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

1.本发明在散射介质存在的情况下，结合解卷积算法与非侵入式散射成像体制，基于光学记忆效应，恢复重建了具有高分辨率的清晰目标图像。

2.本发明基于系统点扩散函数缩放的深度分辨散射成像技术方案能够非侵入式的实现散射介质成像。

3.本发明利用不同轴向深度的系统PSF之间的关系，通过对单个轴向深度的PSF进行缩放，实现了超出原始散射成像系统景深的成像恢复，延拓了景深大小。

4.本发明无需对原始光学系统进行任何改变，光路设计简单，结构稳定，成本较低且具有相对较高的实际应用价值。

附图说明

通过阅读参照以下附图说明，本发明的其他特征、目的和优点将更加明显：

图1为基于PSF缩放的深度分辨成像系统示意图。

图2为不同轴向深度PSF经缩放处理后的示意图。

图3为初始位置PSF与不同轴向深度目标散斑解卷积重建示意图。

图4为缩放后PSF与对应轴向深度目标散斑解卷积重建示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于系统点扩散函数缩放的散射介质深度成像方法及系统，实现了超出原始散射成像系统景深的成像恢复，延拓了景深大小。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：不同轴向深度的系统PSF之间具有一定的缩放关系，根据探测器所探测的位于初始物面上的针孔经过散射介质形成的散斑及不同轴向深度的目标散斑信息，利用重建公式进行解卷积运算，对待测物体进行恢复，实现不同轴向深度的散射介质成像。

根据本发明提供的一种基于系统点扩散函数缩放的散射介质深度分辨成像方法，包括：

光场调制及探测步骤：光电探测器需要采集不同轴向深度的物面信息，因此在透镜与散射介质之间放置一个移动导轨，待测目标放置在导轨上，移动待测目标来获取不同深度的目标信息，用光电探测器记录其光强信号；

具体地，所述光场调制及探测步骤包括：实验搭建了图1所示的散射成像系统，光源经过旋转毛玻璃后变成非相干光，光阑滤除周围杂散光，放置于焦平面的透镜对光束进行扩束，在被测物面上分别放置针孔和待测目标，扩束后的平行光照射到物面上，经过散射介质后形成散斑；

在被测物面上放置直径100μm的针孔，光照射针孔在散射介质毛玻璃上形成一个点光源，用光电探测器记录所形成的光强信息，此散斑图案即为该初始轴向位置对应的点扩散函数PSF；将针孔以一定步长向远离散射介质的方向进行轴向移动，针孔中心保持在光轴中心上，用光电探测器分别记录不同轴向深度的点扩散函数PSF′；将待测目标代替针孔放置在初始被测物面上，非相干光照射目标经过散射介质后形成散斑，用光电探测器记录物体散斑信息；以和针孔相同的步长及方向移动待测目标，也分别记录移动后的待测目标散斑信息，记录多组数据。

图像重建恢复步骤：不同轴向深度的系统PSF之间具有一定的缩放关系，根据探测器所探测的位于初始物面上的针孔经过散射介质形成的散斑及不同轴向深度的目标散斑信息，利用重建公式进行解卷积运算，对待测物体进行恢复，实现不同轴向深度的散射介质成像。

具体地，所述图像重建恢复步骤包括：根据光场分布及一些理论知识，不同轴向深度的系统点扩散函数之间存在的缩放关系以函数形式表达如下：

PSF′(x_i，y_i)＝m²PSF(mx_i，my_i)

其中，PSF为初始轴向位置的系统点扩散函数，PSF′为移动针孔后的其他轴向深度系统点扩散函数，m为缩放因子，m值与初始物距，像距及变换后的物距有关，

测得初始位置处的点扩散函数，利用上式中不同轴向位置点扩散函数之间的变换关系可以得到其他深度的点扩散函数。图2给出了不同轴向深度PSF经缩放处理后的验证示意图。

由初始轴向位置PSF经缩放处理后得到其他轴向深度PSF，已知变换后的某一轴向深度PSF及此时的待恢复目标散斑，再根据物体重建公式进行物体重建，物体重建公式具体为：

其中，I为被测物体的散斑观测信号，O为待恢复目标图像，PSF表示点扩散函数，

R_SN是信噪比，k为常数项且取值取决于实验条件。

通过物体重建公式，就可以重建恢复出不同轴向深度的待测物体。图3给出了利用初始位置PSF与不同轴向深度目标散斑解卷积的恢复结果。与之具有较为明显的改善对比，图4给出了初始位置PSF经过缩放后与对应轴向深度目标散斑解卷积的目标恢复效果。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定的实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，但并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种基于PSF缩放的散射介质深度分辨成像方法，其特征是：包括光场调制及探测和图像重建恢复两个过程；

所述光场调制及探测过程：光源经过旋转毛玻璃后变成非相干光，光阑滤除周围杂散光，放置于焦平面的透镜对光束进行扩束，在被测物面上分别放置针孔和待测目标，扩束后的平行光照射到物面上，经过散射介质后形成散斑；光电探测器需要采集不同轴向深度的物面信息，因此在透镜与散射介质之间放置一个移动导轨，待测目标放置在导轨上，移动待测目标来获取不同深度的目标信息，用光电探测器记录其光强信号。

所述图像重建恢复过程：不同轴向深度的系统PSF之间具有一定的缩放关系，根据探测器所探测的位于初始物面上的针孔经过散射介质形成的散斑及不同轴向深度的目标散斑信息，利用重建公式进行解卷积运算，对待测物体进行恢复，实现不同轴向深度的散射介质成像。

2.根据权利要求1所述的一种基于PSF缩放的散射介质深度分辨成像方法，其特征是：所述光场调制及探测过程，具体包括以下步骤：

所述光源为连续型激光器，发出的光为532nm波长的可见激光，激光出射后经过旋转毛玻璃，使光源变成非相干光源，利用透镜进行准直操作，得到平面光场，照射待测物面；

在被测物面上放置直径100μm的针孔，光照射针孔在散射介质毛玻璃上形成一个点光源，用光电探测器记录所形成的光强信息，此散斑图案即为该初始轴向位置对应的点扩散函数PSF；

将针孔以一定步长向远离散射介质的方向进行轴向移动，针孔中心保持在光轴中心上，用光电探测器分别记录不同轴向深度的点扩散函数PSF′；

将待测目标代替针孔放置在初始被测物面上，非相干光照射目标经过散射介质后形成散斑，用光电探测器记录物体散斑信息；

以和针孔相同的步长及方向移动待测目标，也分别记录移动后的待测目标散斑信息，记录多组数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于PSF缩放的散射介质深度分辨成像方法，其特征是：所述图像重建恢复过程，具体包括以下步骤：

将散射介质视作一层随机相位掩膜TM(x_s，y_s)，光经过散射介质后在探测面上的光场分布为：

可以简写为：

式子中，F{·}表示傅里叶变换，d_i和d_o分别表示像距和物距，将散射介质看作是散射透镜，f为其焦距。则焦距满足物像距离的公式，可以表示为：

在非相干照明情况下，散射成像系统的PSF可以写成光场的模的平方：

PSF(x_i，y_i；x_o，y_o)＝|h(x_i，y_i；x_o，y_o)|²

将该式代入光场分布中：

将自相关定理与上述推论相结合，将PSF写成以下形式：

式中，

当物距从初始位置变为d′_o时，所对应的新的PSF可以表示为：

式中f′可通过

来表示。

不同轴向位置PSF可以利用初始位置处的点扩散函数通过变量代换得到：

PSF′(xi_，y_i)＝m²PSF(mx_i，my_i)

m为缩放比例因子，

测得初始位置处的点扩散函数，利用上式中不同轴向位置点扩散函数之间的变换关系可以得到其他深度的点扩散函数。

根据物体重建公式进行物体重建，物体重建公式具体为：

其中，I为被测物体的散斑观测信号，O为待恢复目标图像，PSF表示点扩散函数，

R_SN是信噪比，k为常数项且取值取决于实验条件。

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