[发明专利]基于散射介质和空间光调制器共同调制的单像素成像系统

说明书

本发明公开了基于散射介质和空间光调制器共同调制的单像素成像系统，包括：激光器、扩束器、空间光调制器、雾室、分光棱镜、CCD相机、光电倍增管和成像模块；激光器用于发射激光；扩束器用于对激光进行扩束；空间光调制器用于利用预注入的Hadamard矩阵的调制样式对扩束后的激光进行调制；雾室用于对空间光调制器调制后的激光再进行一次散射介质的调制；分光棱镜用于将空间光调制器和水雾联合调制后的光场分为两条光路；CCD相机用于通过一条光路拍摄调制的样式；光电倍增管，用于收集另一条光路照射目标后的光强信号；成像模块用于将光电倍增管收集到的光强信息转化为电压信号，结合CCD相机拍摄的调制样式，经过压缩感知算法将目标图像重建出来。

技术领域

本发明涉及光学成像，具体涉及基于散射介质和空间光调制器共同调制的单像素成像系统。

背景技术

透过时变散射介质成像是许多重要领域都需要克服的难题。例如军事上的对地观测、雾霾中自动驾驶、浑浊的水下成像等等。在透明介质中，光线是沿着直线传播，所以携带的目标信息没有被破坏，能够直接进行清晰的成像。但是当光透过浑浊的散射介质时，光线不再沿着直线传播，而是跟着散射路径随机传播，这会造成像质量下降，甚至当散射严重的时候，根本无法获得图像。

由于透过散射介质成像具有十分重要的应用，所以近年来成为了科学家们的研究热点。当散射作用较弱的时候，可以通过提取弹道光子来进行成像。相关的方法有：利用各类门技术，如时间门、空间门、偏振门及相干门等；设计合适的调制光源，如时间调制的照明和结构光照明等。但是，在传输的过程中，弹道光子的数量会随着传播距离呈指数下降，这会使得提取弹道光子的成像方法失效。后来有相关研究人员提出经过散射介质后的散射光子仍然包含了有效的目标信息，因此利用散射介质来进行目标反演成像逐渐成为一种有效的新方法。目前应用较为广泛的成像方法有波前整形、散斑相关成像和基于深度学习的散射成像。波前整形的方法主要是通过先验信息来实现任意期望位置的聚焦和成像，包括基于反馈的波前整形、传输矩阵和光学相位共轭等等，但是该类方法对成像器件像波前调制器等具有一定的要求；散斑相关的方法主要是利用散斑的一些特性(浴帘效应、记忆效应)来对图像进行反演成像，该类方法适用于散射介质较薄的情况；深度学习具有强大的端到端的拟合能力，能够自主的学习散射介质系统的散斑输入和图像输出之间的复杂函数映射关系，极大的简化了透过散射介质成像的过程。但是该类方法的局限是对训练集过度的依赖，且无法说明其中物理的机理。综上所述，对于时变强散射介质的光学成像的问题，目前还没有十分有效的解决方法。

发明内容

针对时变强散射介质下光学成像的难题，本发明提出基于散射介质和空间光调制器共同调制的单像素成像系统及方法；首先是DMD对准直扩大后的激光光源进行调制，然后穿过充满水雾的烟雾箱(1×0.8×0.6m³)被时变散射介质调制，最后分光棱镜将联合调制后的光一分为二，一路被工业相机CCD拍摄作为调制矩阵，另外一路到达目标后被单像素探测器收集，将两路探测器采集到的相关信息配合单像素算法重构出目标图像。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于散射介质和空间光调制器共同调制的单像素成像系统，所述系统包括：激光器、扩束器、空间光调制器、雾室、分光棱镜、CCD相机、光电倍增管和成像模块；

所述激光器，用于发射激光；所述扩束器，用于对激光进行扩束；

所述空间光调制器，用于利用预注入的Hadamard矩阵的调制样式对扩束后的激光进行调制；

所述雾室，用于对空间光调制器调制后的激光再进行一次散射介质的调制；雾室里充满水雾，并设置一个能够360度旋转的风扇，用于增加水雾变化强度；

所述分光棱镜，用于将空间光调制器和水雾联合调制后的光场分为两条光路；

所述CCD相机，用于通过一条光路拍摄联合调制样式，发送至成像模块；

所述光电倍增管，用于收集另一条光路照射目标后的光强信号，发送至成像模块；