[发明专利]一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法

说明书

本发明公开了一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法，包括准直镜头、光纤束、位移驱动器、光电探测器、高压放大器、位移控制及数据采集装置。物体经准直镜头成像于其像方焦平面并被光纤束接收，位移控制装置产生电压信号，经高压放大器放大后，作用于位移驱动器，从而使光纤束面阵对目标物体所成的像进行微位移扫描，精确调节系统扫描步长，即可实现小于等于光学系统衍射极限的位移。本发明利用光纤束纤芯传像的特征并结合微扫描技术，打破目标探测与识别受探测器像元大小影响的限制，实现亚像素位移，补偿包层缺失的信息；并利用光电探测器阵列快速捕获光纤束输出端的光能量信息，减少信息丢失，可实现大视场超高分辨率成像。

技术领域

本发明属于光学工程技术领域，具体涉及一种基于光纤束结合微扫描技术的图像超分辨重建方法，在医疗图像分析、工业故障检测、军事国防和航空航天等方面具有重要的应用前景。

背景技术

OCT医疗检测、金属表面探伤、望远探测等均需要用到图像传输技术。图像传输方式主要有传统光学成像系统、CCD相机、新兴CMOS以及光纤传像束等。传统光学成像系统由于刚性不易弯曲且结构复杂等特性的影响，在小型精密探测器等方面的使用受到限制，且成像质量不佳。目前获得高质量图像的直接方法是提高CCD及CMOS集成度，减小采样间距以提高采样率，目前通用工业相机CCD的像元尺寸最小为几微米，但难以大规模集成实现大视场成像，且受其工艺水平的制约，难以实现更高分辨率成像，成本较高。光纤束由于其柔性弯曲、抗电磁干扰且易于实现复杂空间结构等优势，在图像传输中得以迅速发展，但由于包层的存在，其成像质量略有不佳。

在20世纪50年代中期，美国人H.H.Hopkins和N.S.Kapany首次发表了利用光纤束传输图像的文章，提高图像透过率及分辨率成为技术难点和研究热点。“图像超分辨”的概念由Harris和Goodman首次提出，即在不改变设备硬件条件的情况下，利用多帧图像间的互补信息提高图像空间分辨率，而微扫描技术可实现对原始场景的亚像素位移并进行图像采集，优化成像质量。其通常通过移动光学元件改变光线从而间接实现扫描，但其体积大、惯性大、且容易引入像差，因此设计要求很高。

本发明基于光纤束再引入微扫描技术，利用光纤束及光电探测器等代替CCD传像，可降低工艺要求，同时利用微扫描技术直接驱动光纤束输入端实现亚像素位移，解决包层信息缺失问题，增加采样率，并由光电探测器快速捕捉光传递信息，后经图像重建，实现大视场超高分辨率图像采集及传输的研究。

由中国科学院光电技术研究所的耿超等人(C.Geng,X.Li,et al.,“Coherentbeam combination of an optical array using adaptive fiber opticscollimators,”Optics Communications 284,5531-5536(2011))独立研制的一种叫做自适应光纤准直器(Adaptive fiber-optics collimator，AFOC)的器件，已在小角度范围内自适应地精确控制出射准直光束的偏转角度，其控制方法可应用于光纤束的微扫描移动，使其扫描步长不大于光学系统的衍射极限分辨率，打破目标与探测手段不匹配的限制，可同时满足结构紧凑、体积小、重量轻，控制简单的需求，使其在生物医疗、军事国防及工业探测等方面具有巨大的应用发展潜能。

发明内容

本发明解决其技术问题的构思是：针对传统成像装置中大视场和高分辨率不可兼得的难点问题，同时解决典型光纤束系统传像质量不佳，以及传统CCD或CMOS相机无法达到更高分辨率成像以满足工业、军事等领域特殊要求等问题，创造性的将光纤束与微扫描技术相结合，装置如图1所示，该方法利用无源光纤束作为传像元件捕获目标物体光能信息，纤芯为获取图像信息的有效像元，通过位移驱动器驱动光纤束进行亚像素位移，对目标图像进行扫描，光纤束中每根光纤可同时获得目标不同位置信息，并采用光电探测器阵列代替CCD快速收集光纤束输出端传递的光能量信息，通过数据采集将图像信息进行集中处理，从而在补偿包层部分所缺失信息的同时减少传输过程中信息的丢失，实现图像数据的高效传输，再经图像重建处理后，得到目标物体的超分辨率图像。