[发明专利]利用空间光调制器实现基于相位多样性的散射介质成像

说明书

本发明提出了一种利用空间光调制器实现基于相位多样性的散射介质成像方法，属于散射介质成像领域。通过调制空间光调制器来改变成像系统的孔径函数，记录每次改变时相应的散斑图和孔径函数的变化，然后对记录的多帧散斑图采用最大似然估计法和拟牛顿算法重建散射介质后方的目标图像。与以往基于相位多样性的散射介质成像方法相比，本发明不是通过移动相机位置来达到调制系统孔径函数的目的，因而不会出现由于相机位置改变而导致的散斑扩散问题；并且可以在多帧散斑图上任意选取同一位置来截取子散斑图，重建目标图像的效果也更好。

技术领域

本发明属于散射介质成像领域，具体说是一种利用空间光调制器实现基于相位多样性的散射介质成像方法。

背景技术

传统的光学成像方法通常无法直接获得隐藏在散射介质后方的物体像，因此如何利用光学技术实现穿透散射介质对后方物体进行成像，是长久以来光学成像技术领域的重要研究课题。随着研究的深入，人们陆续提出了许多实验方案，如经典的鬼成像方法、散斑相关方法、波前校正方法等等。这些方法虽然在一定条件下可以得到较好的结果，但是都有其自身的局限性，并且这些方法都专注于如何成功地重建物体图像，而忽略了获得成像系统自身的点扩散函数。1992年，Paxman首次提出了相位多样性理论。该理论主要是为了解决天文学中由于大气扰动而引起的成像质量降低的问题，受到了相关领域学者的密切关注，其后许多基于该理论的实验方案被提出以解决相位畸变引起的成像问题。2016年，这种理论被应用到透过散射介质进行成像的实验研究中。其具体做法是：紧贴着散射介质后表面放置一个孔径光阑，通过纵向移动相机的方式改变整个散射成像系统的孔径函数；记录多组相机移动位置及其对应的散斑图像；然后在所记录的多帧散斑图像中心部位各自截取子散斑图，并通过适当算法从这些具有相位多样性的子散斑图中重建出物体信息。相比于其它透过散射介质进行成像的方法，这种基于相位多样性的散射介质成像方法不需要在目标物体附近设置参考点，即可以实现非侵入式成像，并且由于获得了成像系统的局部点扩散函数，只要散射介质等条件没有变化，如果后方目标物体发生更换，都可以通过简单的解卷积运算从散斑图中解出其像。然而这种方法也存在着明显的缺点，比如纵向移动相机虽然可以达到改变成像系统的孔径函数的目的，但同时也会引入新的问题，即散斑扩散带来的误差。这导致了对于所得到的多帧散斑图，只能在其中心部分截取子散斑图用来重建目标物体，且重建效果不佳。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服已有技术存在的不足，提出一种利用空间光调制器实现基于相位多样性的散射介质成像方法，简化实验步骤，提高成像速度和成像质量。

为了实现上述目的，本发明采用图1所示的系统结构，主要装置包括：非相干光源，准直透镜，目标物体，散射介质，孔径光阑，空间光调制器和CCD相机；目标物体的大小和位置必须满足没有超出散射介质光学记忆效应范围的条件；光阑的孔径大小决定了整个成像系统的主孔径；空间光调制器用来调节系统孔径函数的相位函数；每次改变空间光调制器的相位控制矩阵后，拍摄一张相应的散斑图。

本发明所述的一种利用空间光调制器实现基于相位多样性的散射介质成像方法，包括以下步骤：

(1)拍摄一张空间光调制器的相位控制矩阵全部为0，即没有引入相位变化时的散斑图；

(2)随机改变空间光调制器的相位控制矩阵，并记录其矩阵数据及相应的散斑图，多次重复此步骤，一般拍摄的散斑图数量越多，重建目标图像的效果越好；

(3)确定一个合适的尺寸，然后按照该尺寸在多帧散斑图上的某个固定位置截取子散斑图；(4)将记录的相位控制矩阵矩阵数据和子散斑图输入算法程序，重建出目标物体图。

其中，上述步骤(3)的具体实现过程如下：

(3a)确定一个尺寸，该尺寸要求不能小于目标物体自相关图像的大小；

(3b)在步骤(2)得到的多帧散斑图上，按步骤(3a)确定的尺寸截取子散斑图，要求在每一帧散斑图上截取子散斑图的位置都相同；