CN116385578A - 单像素衍射成像方法 - Google Patents

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CN116385578A CN202310205230.0A CN202310205230A CN116385578A CN 116385578 A CN116385578 A CN 116385578A CN 202310205230 A CN202310205230 A CN 202310205230A CN 116385578 A CN116385578 A CN 116385578A
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刘诚
齐乃杰
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Abstract

本申请提出了一种单像素衍射成像方法及其装置，属于相干衍射成像及计算摄像学领域，其中方法包括：(1)在所搭建的单像素成像光路中，利用不同的调制序列来调制目标场景中照明的照明光束，使用单像素探测器记录相对应一维序列的强度值；(2)利用不同调制序列所对应的强度值，在探测器平面上，将重建衍射光场的振幅值替换，然后交替迭代计算，直到重建出目标场景。本发明不仅具有结构简单、可操作性强的显著特点，还具有广阔的应用范围及较强的可拓展性。通过本发明，既可以降低单像素衍射成像的成本，也实现了对目标场景的快速、精确测量，为实现高质量的单像素成像带来便利。

Description

单像素衍射成像方法
技术领域
本发明涉及一种单像素衍射成像方法，属于相干衍射成像及计算摄像学领域。
背景技术
单像素成像(SPI)作为一种仅用单个单元光电探测器来成像探测的计算成像方式，其成像机制解决了传统成像技术所无法解决的很多问题，使得其在现今许多领域得到了广泛地应用。单像素成像主要是有单像素探测器和相关光束调制器组成，其典型的操作是：先使用序列的调制光场对物体进行照明，然后使用单像素探测器记录对应序列的一维强度值，最后将掩膜信息和相对应的记录强度结合起来从而重构出相应物体的二维信息。因此，相较于使用阵列探测器的传统成像技术，单像素成像具有如下几点优势：(1)单像素成像中的单点探测器较阵列探测器有更好的探测器特性、更高的探测效率和灵敏度，即使在极弱光、大气湍流和散射介质条件下也可以进行成像探测；(2)单像素探测器的发展总是先于阵列探测器，且较于阵列探测器，单像素探测器具有更为广阔的探测波段；(3)压缩感知和深度学习的相关算法，可以让单像素成像更有效率。
在单像素成像的相关技术中，主要是利用调制掩膜和所记录的一维强度序列，然后根据相关算法来实现对相应二维场景的重构。传统的重建算法包括：非迭代重构方法、深度学习重构方法、迭代重构方法等。非迭代的重构方法主要有涨落关联成像、快速沃尔什哈达玛变换、傅里叶域正则化逆变换等方法。涨落关联成像主要是利用光场涨落特性的关联成像方法，相比直接关联成像，涨落关联成像消除了背景项，可以显著改善成像的质量；快速沃尔什哈达玛变换算法是利用了哈达玛矩阵的二值正交化特性，通过快速沃尔什哈达玛变换不仅可以加速计算出重构物体，还能够降低算法的空间复杂度以及操作难度；傅里叶域正则化逆变换重构方法克服了大多数非迭代法难以在欠采样条件下完成单像素图像重构的难题，从而实现对物体场景的实时成像。深度学习重构方法在单像素成像的相关技术中得到了逐步的应用，且被证明在低采样率的条件下基于深度学习的线性重构算法和压缩感知算法在成像速度和成像质量上具有很大的优势。迭代重构算法中，梯度下降法是将单像素成像的重构问题建模为二次优化问题，需要较高的采样率，收敛较慢；交替投影法是将所使用的每一个掩膜矩阵和探测器强度值分别作为空域和频域的约束，在两个空间交替投影施加约束，从而实现待测物体的场景重构，该方法虽然可以消除背景噪声，但是重建质量对于采样率有一定要求，鲁棒性较差。
专利文献CN110864817公开了一种基于单像素探测器的非干涉定量相位成像方法，通过在在单色照明下进行独立的相位和振幅调制，测量物体在远场中的直流分量，通过分别在相位和振幅上进行调制，检测其相关性，获得对象的相位信息，并且由对象本身确定恒定的相移，消除了定量相位成像中干涉测量。但是，在该专利技术中，不仅需要对照明光场分别进行振幅和相位调制以记录不同的强度来分别解出振幅和相位，还需要利用4f系统来对照明光的衍射频级进行滤波处理。本文所提出的单像素衍射成像方法，除了所提及的调制器(DMD及SLM)外，则无需其他空间或者频域的相关调制，可以同时实现对所探测目标场景振幅和相位的重建。
发明内容
为克服上述现有技术在迭代算法的单像素成像技术中，由于梯度下降法需要有较高的采样率，而交替投影的方法又有鲁棒性差的缺点，本发明提出一种单像素衍射成像方法，实现在低采样率条件下对待测样品的复振幅精确重建。
本发明的技术解决方案如下：
一种单像素衍射成像方法，其特点在于，包括光场调制探测和计算解调重建两个过程；
(1)光场调制探测过程：在单像素衍射成像的探测中使用单色平面光作为探测的照明光源，用数字微镜器件(Digital Micromirror Devices,DMD)和空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)分别对入射光场作振幅和相位调制。在DMD和SLM上分别加载调制矩阵
Figure BDA0004110618600000021
入射光场经过振幅和相位调制后出射到目标场景上，然后再经目标场景的透射到目标场景后的汇聚透镜处，最后由汇聚透镜聚焦到被放置在该汇聚透镜后焦点处的单像素探测器探测上，最终从而得到关于目标场景的光场强度序列Ii；
(2)计算解调重建过程：将光场强度序列和对应的调制矩阵分别输入重建算法，设定目标场景重建的初始猜测为随机分布，在目标场景平面和记录平面以及空间域和频域之间来回变换传输，交替循环迭代计算以重建目标场景，待到迭代计算的结果符合预期则停止计算。
进一步，所述重建算法，具体步骤如下：
①设置目标场景的初始猜测go(u,v)，输入对应的振幅调制矩阵
Figure BDA0004110618600000031
和位相调制矩阵/>
Figure BDA0004110618600000032
②目标场景的照明分布表示为
Figure BDA0004110618600000033
初始猜测目标场景的出射光束为φi(u,v)＝pi(u,v)×go(u,v)；
③单像素探测器的记录面光场强度表示为：
Figure BDA0004110618600000039
其中，
Figure BDA0004110618600000034
为衍射传播符号；
④使用记录光场的强度值来约束所猜测的记录面光场，即用所记录强度值的平方根作为光场中约束区域的振幅替代，得到新的光场：
Figure BDA0004110618600000035
其中，δ是与单像素探测器面元相关的孔函数，
Figure BDA0004110618600000036
⑤将替代后的光场传递回到目标场景平面，得到：
Figure BDA00041106186000000310
即：
Figure BDA0004110618600000037
其中，
Figure BDA00041106186000000311
为逆向衍射传播符号；
⑥然后在目标场景平面上对光场进行更新：
Figure BDA0004110618600000038
其中，*为共轭符号，α为常数0.01；
⑦重复步骤②-⑥直到获得与预期相符合的重建结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明相较于其他方法结构简单，易于操作：(i)在调制记录的过程中，只需要通过电脑改变DMD和SLM的调制输入就可以实现对目标场景上照明光场的变换；(ii)在实际的操作中，所需要的调制输入图样可以通过相对应的控制软件自动生成；(iii)在重建的过程中，只需要将所记录的强度值与对应的调制图像分别输入所提及的重建算法，就可以实现对复振幅场景的重建。
(2)本发明相较其他方法，探测过程简单，无需对入射光场进行复杂操作：(i)在所提出的单像素衍射成像方法中，由于是同时对照明光场进行振幅和相位调制，所以在记录相应的衍射强度后，通过所提及的重建方法就可以同时实现对目标场景的复振幅重建，而无需将目标场景的振幅和相位拆分开进行重建；(ii)所使用的照明光场中，仅需要对激光器作较为简单的初始滤波调制以得到照明所需的平行照明光；(iii)在本方法中，除所提出的调制器(DMD及SLM)外，无需再对后续的照明光束进行任何空间或者频域调制。
(3)通过改进本发明的装置还可以获得较高的测量精度和灵敏度，增加了该装置的实用性：(i)由于整个操作系统仅通过联机电脑改变调制输入来改变光场，所以本发明减少或者尽量避免因机械变动导致的记录误差；(ii)通过更换更短波长的照明光源及更好调制器件，可以获得更高的测量精度和灵敏度。
附图说明
图1是本发明单像素衍射成像装置光路示意图，图中：1-氦氖激光器、2-衰减片、3-光束准直和扩束系统、4-DMD、5-SLM、6-汇聚透镜、7-单像素探测器；
图2是本发明单像素衍射成像方法的流程示意图；
图3是本发明中重建方法示意图；
图4是采用本发明单像素衍射成像方法的效果图，其中，(a)为目标场景图像，(b)为单像素探测器记录的强度序列，(c)为重建后目标场景图像。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施的示例在附图中如图所示，其中具体的实施元件与上述描述中的元件相同。需要说明的是，参考附图所描述的实例是对所提出发明的一种说明，该实例具有示例性，是旨在解释本发明的内容及原理。
需要说明的是，在本实施例中所使用的目标场景图像的分辨率为128×128，且在计算中分别用u、v和x、y表示物体平面和探测器平面的空间坐标。
一种单像素衍射成像方法，包括如下步骤：
S1.搭建单像素衍射成像系统：如图1所示，放置氦氖激光器1，沿该氦氖激光器1的输出光束传输方向依次放置的衰减片2、光束准直和扩束系统3、DMD4、SLM5、汇聚透镜6和单像素探测器7，该单像素探测器7位于所述汇聚透镜6的焦点处。调整光束准直和扩束系统3，使经该整光束准直和扩束系统3出射的相干光束为平行光束；再经DMD4改变所输入的图案以实现对光场的振幅调制后，照射在所述SLM5，经SLM改变输入的图案以实现对光场的相位调制后的出射光，由汇聚透镜6汇聚后的光场强度可被单像素探测器7接收；
S2.将目标场景图像放置在汇聚透镜6入射光的光路上，照射到目标场景图像的出射光，由汇聚透镜6汇聚后，被单像素探测器7接收，改变DMD和SLM的加载矩阵
Figure BDA0004110618600000051
和
Figure BDA0004110618600000052
并通过单像素探测器7记录对应的强度值数据Ii[如图四(b)所示]，其中i＝1,2,3,…,1.6×104。需要说明的是，下标i表示所记录强度序列的序列值，由于演示中所采用的物体图像的分辨率为128×128，为实现对物体的充分采样，所以需要记录16384次。
S3.将所记录的一维强度序列数据Ii、对应的调制矩阵
Figure BDA0004110618600000053
和相应的计算算法相结合，流程图如图3所示，具体过程如下：
(a)设置物体的初始猜测go(u,v)为128×128的随机分布矩阵，输入对应的振幅调制矩阵
Figure BDA0004110618600000054
和位相调制矩阵/>
Figure BDA0004110618600000055
(b)物体的照明分布可以表示为
Figure BDA0004110618600000056
因此初始猜
测物体后的出射光束为φi(u,v)＝pi(u,v)×go(u,v)；
(c)单像素探测器记录面上的光场可以表示为：
Figure BDA0004110618600000057
其中，
Figure BDA0004110618600000058
为衍射传播符号；
(d)使用所记录的强度来约束所猜测的记录面光场，即用所记录强度值的平
方根作为光场的振幅值替代，得到新的光场：
Figure BDA0004110618600000059
其中δ是与探测器面元相关的孔函数，
Figure BDA00041106186000000510
(e)将替代后的光场回传到物体平面，从而得到：
Figure BDA0004110618600000064
即：
Figure BDA0004110618600000061
其中，
Figure BDA0004110618600000062
为逆向衍射传播符号；
(f)然后在物体平面上对光场进行更新：
Figure BDA0004110618600000063
其中*为共轭符号，α为常数0.01；
(g)重复(b)-(f)的过程，直到获得与预期相符合的结果[如图四(c)所示]。

Claims (2)

1.一种单像素衍射成像方法，其特征在于，包括光场调制探测和计算解调重建两个过程；
(1)光场调制探测过程：在单像素衍射成像的探测中使用单色平面光作为探测的照明光源，用数字微镜器件(Digital Micromirror Devices,DMD)和空间光调制器(SpatialLight Modulator,SLM)分别对入射光场作振幅和相位调制。在DMD和SLM上分别加载调制矩阵
Figure FDA0004110618590000011
入射光场经过振幅和相位调制后出射到目标场景上，然后再经目标场景的透射到目标场景后的汇聚透镜处，最后由汇聚透镜聚焦到被放置在该汇聚透镜后焦点处的单像素探测器探测上，最终从而得到关于目标场景的光场强度序列Ii；
(2)计算解调重建过程：将光场强度序列和对应的调制矩阵分别输入重建算法，设定目标场景重建的初始猜测为随机分布，在目标场景平面和记录平面以及空间域和频域之间来回变换传输，交替循环迭代计算以重建目标场景，待到迭代计算的结果符合预期则停止计算。
2.根据权利要求1所述的单像素衍射成像方法，其特征在于，所述重建算法，具体步骤如下：
①设置目标场景的初始猜测go(u,v)，输入对应的振幅调制矩阵
Figure FDA0004110618590000012
和位相调制矩阵/>
Figure FDA0004110618590000013
②目标场景的照明分布表示为
Figure FDA0004110618590000014
初始猜测目标场景的出射光束为φi(u,v)＝pi(u,v)×go(u,v)；
③单像素探测器的记录面光场强度表示为：
Figure FDA0004110618590000015
其中，
Figure FDA0004110618590000016
为衍射传播符号；
④使用记录光场的强度值来约束所猜测的记录面光场，即用所记录强度值的平方根作为光场中约束区域的振幅替代，得到新的光场：
Figure FDA0004110618590000017
其中，δ是与单像素探测器面元相关的孔函数，
Figure FDA0004110618590000018
⑤将替代后的光场传递回到目标场景平面，得到：
Figure FDA0004110618590000021
即：
Figure FDA0004110618590000022
其中，/>
Figure FDA0004110618590000023
为逆向衍射传播符号；
⑥然后在目标场景平面上对光场进行更新：
Figure FDA0004110618590000024
其中，*为共轭符号，α为常数0.01；
⑦重复步骤②-⑥直到获得与预期相符合的重建结果。
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