CN115509023B - 一种去相干偏振门成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于偏振门成像技术领域，提出了一种去相干偏振门成像装置及方法，包括沿光路方向依次设置的起偏器、检偏器以及弱散射介质；本发明中，在采用单光束成像光路的基础上，在检偏器后引入弱散射介质，增加了透射光的出射角度以及透射光的偏振方向，进而降低了透射光的相干性，克服了传统偏振门成像装置中，泄露散射光子在成像面形成的散斑的部分影响，抑制了成像中的散斑，成像对比度更高，系统分辨率也更高；在混浊介质内部目标物体成像时，无需引入更多的光学器件，即可保证成像质量，这保证了门选通结构的简洁性，有助于该门结构的推广与应用。

Description

一种去相干偏振门成像装置及方法

技术领域

本发明属于偏振门成像技术领域，尤其涉及一种去相干偏振门成像装置及方法。

背景技术

激光成像作为一种重要的物体图像信息获取手段，在目标识别、生物医学以及工业制造等领域有着广泛应用。多数情况下，对大气、海水以及生物组织等混浊介质内部目标物体直接成像时，由于散射体密度、折射率、介电常数的空间随机分布，少量光子没有被散射或经历少次散射，大量光子将经历多次散射。激光直接成像时携带物体成像信息的光子淹没在由大量多次散射光子构成的背景噪声中，导致图像质量降低。因此，混浊介质对入射激光的散射制约了激光成像技术在大气探测、海洋遥感、生物医学光子学等领域的应用。

发明人发现，在传统激光成像技术中，成像质量的好坏取决于光学系统能否将物方的入射光波按照预期的几何光学路径进行传播。因此研究者通过提高光学成像元件材料的均匀性，改进设计方案，提高加工精度，来提高成像质量。然而，在大气光学、海洋光学、生物医学成像等领域所涉及的混浊介质中，光波传播过程并非都能简单地用几何光学来描述，传统提高激光成像质量的方法很难起到作用；比如，在对深层生物组织进行成像过程中，生物组织结构非均匀特性将导致入射激光被多次散射，引起成像质量随着成像深度的增加而显著退化。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种去相干偏振门成像装置及方法，在混浊介质内部目标物体成像时，能够提高成像穿透深度和成像对比度。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种去相干偏振门成像装置，采用如下技术方案：

一种去相干偏振门成像装置，包括沿光路方向依次设置的起偏器、检偏器以及弱散射介质；

所述光路为单光束成像光路；所述起偏器的偏振方向与所述光路中入射光的偏振方向相同，所述检偏器的偏振方向与所述光路中入射光的偏振方向平行。

进一步的，所述起偏器和所述检偏器的通过孔径大于光路中透射光束的横向尺寸。

进一步的，所述起偏器和所述检偏器为棱镜偏振器或消光比大于10⁴：1的薄膜偏振器。

进一步的，所述弱散射介质包括聚苯乙烯微球溶液、二氧化硅微球溶液、二氧化钛微球溶液、牛奶溶液或脂肪乳。

进一步的，沿所述光路方向，在所述起偏器前设置有衰减片、扩束镜、反射镜和半导体激光器。

进一步的，沿所述光路方向，在所述起偏器和所述检偏器之间设置有第一胶合透镜和第二胶合透镜。

进一步的，待测目标设置在所述起偏器和所述第一胶合透镜之间；所述待测目标设置在所述第一胶合透镜的一倍焦距处。

进一步的，所述待测目标和所述第一胶合透镜之间设置有混浊介质。

进一步的，沿所述光路方向，在所述检偏器后设置有所述弱散射介质和CCD相机。

为了实现上述目的，第二方面，本发明还提供了一种去相干偏振门成像方法，采用如下技术方案：

一种去相干偏振门成像方法，采用了如第一方面中所述的去相干偏振门成像装置，包括：

半导体激光器出射光照射到衰减片上，调整入射光的光强；

激光照射到待测目标上，携带待测目标形貌信息后，顺次经过混浊介质、胶合透镜、检偏器和弱散射介质；

最后出射光在CCD相机上成像，获得目标物体的成像信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明中，在采用单光束成像光路的基础上，在检偏器后引入弱散射介质，增加了透射光的出射角度以及透射光的偏振方向，进而降低了透射光的相干性，克服了传统偏振门成像装置中，泄露散射光子在成像面形成的散斑的部分影响，抑制了成像中的散斑，成像对比度更高，系统分辨率也更高；在混浊介质内部目标物体成像时，无需引入更多的光学器件，即可保证成像质量，这保证了门选通结构的简洁性，有助于该门结构的推广与应用；

2、本发明提供的去相干偏振门成像装置，采用的是单光束成像光路，在成像光路中依次设置待测目标、起偏器、透镜组、弱散射介质、检偏器和CCD相机，能够使待测目标清晰的成像在CCD相机上；

3、本发明提供的去相干偏振成像方法中，通过在传统的偏振门后引入弱散射介质，增加了透射光的出射角度以及透射光的偏振方向，进而降低了透射光的相干性，克服了传统偏振门成像装置中，泄露散射光子在成像面形成的散斑的部分影响，一定程度上抑制了成像中的散斑，成像对比度更高，系统分辨率也更高；可以实现在大气、海水以及生物组织等混浊介质内部目标物体高质量成像的目的。

附图说明

构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例1的分辨率板；

图3为本发明实施例1的无偏振门时的透射成像图像；

图4为本发明实施例1的传统偏振门选通时的图像；

图5为本发明实施例1的去相干偏振门成像装置测得的选通图像；

其中，1、半导体激光器；2、反射镜；3、扩束镜；4、衰减片；5、起偏器；6、目标物体；7、混浊介质；8、第一胶合透镜；9、第二胶合透镜；10、检偏器；11、弱散射介质；12、CCD相机。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1：

正如背景技术中记载的，在大气光学、海洋光学、生物医学成像等领域所涉及的混浊介质中，光波传播过程并非都能简单地用几何光学来描述，传统提高激光成像质量的方法很难起到作用；比如，在对深层生物组织进行成像过程中，生物组织结构非均匀特性将导致入射激光被多次散射，引起成像质量随着成像深度的增加而显著退化；针对上述问题，如图1所示，本实施例提供了一种去相干偏振门成像装置，包括沿光路方向依次设置的起偏器5、检偏器10以及弱散射介质11，所述散射介质11的散射系数可以为1左右；可以理解的额，所述光路方向可以理解为进行成像时激光光束的方向，装置在不工作时，不存在光路，此时光路仅是一种用于限定方向的依据，也就是说，所述起偏器5在位置上位于所述检偏器10的前面，所述检偏器10在位置上为所述弱散射介质11的前面；

可选的，所述光路为单光束成像光路，也可以设置为多光束成像光路；所述起偏器5的偏振方向与所述光路中入射光的偏振方向相同，所述检偏器10的偏振方向与所述光路中入射光的偏振方向平行。

基于偏振门选通信号光的成像技术，根据出射光子的不同偏振特性，通过对光子的偏振状态进行合适的筛选能够有效降低多次散射光子对成像质量的影响。偏振门选通成像技术能够有效选通携带成像信息的单次散射光子和少次散射光子，滤除大量的多次散射光子，进而得到目标物体的高信噪比图像。该技术具有较强抑制散射光的能力，能够获得具有较高空间对比度和分辨率的图像，适于生物组织等混浊介质内部目标物体成像。

目前基于偏振门的成像技术一般用于对生物组织表面或亚表面成像；然而，在对生物组织内部深层目标物体成像时，入射光中大量光子被多次散射后，多次散射光子数量明显增多，偏振门选通成像技术在选通成像信息的光子时也选通了大量多次散射光子，而选通的多次散射光子导致成像对比度降低，影响对高混浊介质中深层目标物体的识别，限制了该技术在高混浊介质内深层目标物体成像的应用；基于此，本实施例中，在传统的偏振门后引入弱散射介质，增加了透射光的出射角度以及透射光的偏振方向，进而降低了透射光的相干性，克服了传统偏振门成像装置中，泄露散射光子在成像面形成的散斑的部分影响，一定程度上抑制了成像中的散斑，成像对比度更高，系统分辨率也更高；可以实现在大气、海水以及生物组织等混浊介质内部目标物体高质量成像的目的；具体的，透过检偏器的光束具有相同的偏振特性，透射光中含有弹道光子(没有被散射的光子)、残留的弱散射光子、以及多次散射光子，这三类光子在像平面上干涉会形成散斑，进而降低目标物体的成像质量。散斑对成像的影响可以由如下公式反应：

式中，R_λ代表波长的多样性；R_σ代表偏振多样性；R_Ω代表角度多样性。

为了降低散斑对成像质量的影响，本实施例在CCD相机12前引入弱散射介质11，通过此介质对透射光的弱散射，增加透射光中不同光子的出射角度以及偏振方向，降低透射光的空间相干性，使得不同光子之间的相干更加随机，进而匀化成像中的散斑，提高成像质量。

可选的，所述弱散射介质11是一种散射程度弱且均匀的散射介质，可以是液体材料、薄膜材料、玻璃或其它材料；具体的，为液体材料时，可为聚苯乙烯微球溶液、二氧化硅微球溶液和二氧化钛微球溶液等；为薄膜材料时，可以是聚苯乙烯薄膜、二氧化硅薄膜和二氧化钛薄膜等；为玻璃时，可以是石英毛玻璃、重火石毛玻璃和铋酸盐毛玻璃等；为其它材料时，可以是牛奶和脂肪乳等。

所述起偏器5和所述检偏器10的通过孔径大于光路中透射光束的横向尺寸。

所述起偏器5和所述检偏器11可以为棱镜偏振器或消光比大于10⁴：1的薄膜偏振器。其中，所述棱镜偏振器包括尼科尔棱镜偏振器、格兰泰勒棱镜偏振器或渥拉斯顿棱镜偏振器。

所述弱散射介质10可以包括聚苯乙烯微球溶液、二氧化硅微球溶液、二氧化钛微球溶液、牛奶溶液或脂肪乳。

沿所述光路方向，在所述起偏器5前设置有衰减片4、扩束镜3、反射镜2和半导体激光器1，所述半导体激光器1还可以替换为He-Ne激光器。沿所述光路方向，在所述起偏器5和所述检偏器10之间设置有第一胶合透镜8和第二胶合透镜9。待测目标6设置在所述起偏器5和所述第一胶合透镜8之间；所述待测目标6设置在所述第一胶合透镜8的一倍焦距处，所述待测目标6、第一胶合透镜8、第一胶合透镜9和CCD相机12构成4f成像系统。

所述待测目标6和所述第一胶合透镜8之间设置有混浊介质7。沿所述光路方向，在所述检偏器10后设置有所述弱散射介质11和CCD相机12。具体的，在所述半导体激光器1的发射光路上设有所述反射镜2、所述扩束镜3、所述衰减片4、所述起偏器5、所述待测目标6、所述混浊介质7、所述第一胶合透镜8、所述第一胶合透镜9、所述检偏器10、所述弱散射介质11和所述CCD相机12，并使所述待测目标6清晰的成像在所述CCD相机12上；所述第一胶合透镜8和所述第二胶合透镜9的透光孔径均为5～10cm；所述CCD相机12可以为科研相机或者工业相机等。

本实施例的工作过程或原理为：

将所述半导体激光器1出射光照射到所述衰减片4上，调整入射光的光强；

合适光强的激光照射到所述待测目标6上，携带所述待测目标6形貌信息后，顺次经过所述混浊介质7、所述第一胶合透镜8、所述第二胶合透镜9、所述检偏器10和所述弱散射介质11，其中，所述起偏器5、所述检偏器10以及所述弱散射介质11构成去相干偏振门，且所述起偏器5以及所述检偏器10的偏振方向均与入射光的偏振方向相同；

透过去相干门偏振门的出射光在所述CCD相机12上成像，获得目标物体的成像信息。

所述弱散射介质11的光学深度可以根据成像环境中混浊介质的特性进行优化。透镜组至少包括两块透镜，比如包括所述第一胶合透镜8和所述第二胶合透镜9透镜，采用胶合透镜，减少了成像系统中透镜带来的像差。可以通过调节所述衰减片4的衰减程度，避免所述CCD相机12出现饱和状态，影响实际目标的成像质量。

实施例2：

本实施例提供了一种去相干偏振门成像方法，采用了如实施例1中所述的去相干偏振门成像装置，包括：

半导体激光器1出射光照射到衰减片4上，调整入射光的光强；

激光照射到待测目标6上，携带待测目标6形貌信息后，顺次经过混浊介质7、胶合透镜、检偏器10和弱散射介质11；

最后出射光在CCD相机12上成像，获得带待测目标6的成像信息。

以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种去相干偏振门成像装置，其特征在于，包括沿光路方向依次设置的起偏器、检偏器以及弱散射介质；

所述光路为单光束成像光路；所述起偏器的偏振方向与所述光路中入射光的偏振方向相同，所述检偏器的偏振方向与所述光路中入射光的偏振方向平行；

沿所述光路方向，在所述起偏器和所述检偏器之间设置有第一胶合透镜和第二胶合透镜；

待测目标设置在所述起偏器和所述第一胶合透镜之间；所述待测目标设置在所述第一胶合透镜的一倍焦距处；

所述待测目标和所述第一胶合透镜之间设置有混浊介质；

沿所述光路方向，在所述检偏器后设置有所述弱散射介质和CCD相机。

2.如权利要求1所述的一种去相干偏振门成像装置，其特征在于，所述起偏器和所述检偏器的通过孔径大于光路中透射光束的横向尺寸。

3.如权利要求1所述的一种去相干偏振门成像装置，其特征在于，所述起偏器和所述检偏器为棱镜偏振器或消光比大于10⁴：1的薄膜偏振器。

4.如权利要求1所述的一种去相干偏振门成像装置，其特征在于，所述弱散射介质包括聚苯乙烯微球溶液、二氧化硅微球溶液、二氧化钛微球溶液、牛奶溶液或脂肪乳。

5.如权利要求1所述的一种去相干偏振门成像装置，其特征在于，沿所述光路方向，在所述起偏器前设置有衰减片、扩束镜、反射镜和半导体激光器。

6.一种去相干偏振门成像方法，其特征在于，采用了如权利要求1-5任一项所述的去相干偏振门成像装置，包括：

半导体激光器出射光照射到衰减片上，调整入射光的光强；

激光照射到待测目标上，携带待测目标形貌信息后，顺次经过混浊介质、胶合透镜、检偏器和弱散射介质；

最后出射光在CCD相机上成像，获得目标物体的成像信息。