基于偏振选通的散斑超分辨率成像系统及其方法

技术领域

本发明属于成像技术领域，具体涉及一种基于偏振选通的散斑超分辨率成像系统及其方法。

背景技术

光学成像方法作为一种新兴技术，在实现高分辨率、低损伤、非侵入式等方面具有巨大优势，已成为生物医学成像领域的研究热点。

生物组织对光的影响包括吸收、散射、各向异性、折射等方面，不同组织间表现的光学特性也有较大差别，通过区分这些差异可以实现目标区域的检测。其中，最主要的两种影响是吸收和散射，使得光在组织中传播过程能量不断衰减。生物组织中包含的血液、色素、蛋白分子、细胞核等等各种结构，这些结构的折射率存在巨大差异，导致光的传播并不是沿同一个方向，而会发生散射，导致光波的传播方向杂乱无章；光在经历大量的散射碰撞后，其最初的偏振状态会发生改变，改变的程度随散射介质的结构及材料的不同而产生差异，进一步，造成成像的分辨率较低，组织深层信息难以被探测到。

因此，亟需改善现有技术中成像系统的结构和成像过程，获取高分辨率的图像。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于偏振选通的散斑超分辨率成像系统及其方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供一种基于偏振选通的散斑超分辨率成像系统，包括：

点光源，用于向周围空间发射均匀光；

第一偏振调控元件，位于点光源的一侧，用于将点光源发出的光转换为平行光，且转换为线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光；

分光棱镜，位于第一偏振调控元件背离电光源的一侧；至少部分平行光透射分光棱镜沿直线传播；

目标，位于分光棱镜背离第一偏振调控元件的一侧，目标靠近分光棱镜的一侧覆盖有散射介质；至少部分平行光射向散射介质表面后再反射至分光棱镜为第一平行光，至少部分平行光透射散射介质射向目标表面后再反射至分光棱镜为第二平行光；

第二偏振调控元件，第二偏振调控元件位于分光棱镜的侧面，第一平行光经分光棱镜反射后射向第二偏振调控元件，转换为第一点光；第二平行光经分光棱镜后射向第二偏振调控元件，转换为第二点光；

成像装置，位于第二偏振调控元件背离分光棱镜的一侧，用于接收第一点光形成第一图像，接收第二点光形成第二图像。

第二方面，本发明还提供一种基于偏振选通的散斑超分辨率成像方法，应用于本发明提供的成像系统，包括：

打开点光源；

点光源发射的光射向第一偏振调控元件，经过第一偏振调控元件转换为平行光，并且调整第一偏振调控元件的位置，将平行光转换为线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光；

经过第一偏振调控元件转换的平行光射向分光棱镜，至少部分平行光透射分光棱镜沿直线传播；

经过分光棱镜直线传播的平行光光至少部分射向散射介质表面，至少部分透射散射介质射向目标表面；射向散射介质表面的平行光反射后射向分光棱镜为第一平行光，射向目标表面的平行光反射后射向分光棱镜为第二平行光；

第一平行光经过分光棱镜反射后射向第二偏振调控元件，经过第二偏振调控元件转换为第一点光；第二平行光经分光棱镜反射后射向第二偏振调控元件，经过第二偏振调控元件转换为第二点光；并且调整第二偏振调控元件的位置，将平行光转换为线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光；

第一点光射向成像装置，形成第一图像；第二点光射向成像装置，形成第二图像；

通过调整第一偏振调控元件的位置或第二偏振调控元件的位置，获取占优位置的第一图像和占优位置的第二图像；

将占优位置的第一图像和占优位置的第二图像进行迭代处理，获得优化图像。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种基于偏振选通的散斑超分辨率成像系统及其方法，点光源用于向周围空间发射均匀光，第一偏振调控元件接受到点光源发出的光，并进行转换，转换成平行光，以及线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光，平行光经分光棱镜后，一部分进行反射，一部分进行透射直线传播，其中，反射的一部分不作处理，透射的平行光会射向散射介质，其中，一部分由散射介质表面反射后再射向分光棱镜，被定为第一平行光，另一部分透射散射介质后射向目标表面，并被反射后再射向分光棱镜，被定义为第二平行光；第一平行光经分光棱镜的反射后射向第二偏振调控元件，并转换成点光源，由成像装置形成第一图像，第二平行光经分光棱镜的反射后射向第二偏振调控元件，并转换为点光源，由成像装置形成第二图像，第二图像中携带了散射介质的信息，将第一图像和第二图像进行差异化对比，去除散射介质的影响，进一步提高图像的分辨率。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于偏振选通的散斑超分辨率成像系统的一种结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于偏振选通的散斑超分辨率成像方法的一种流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

请参见图1，图1是本发明实施例提供的基于偏振选通的散斑超分辨率成像系统的一种结构示意图，本发明所提供的一种基于偏振选通的散斑超分辨率成像系统，包括：

点光源10，用于向周围空间发射均匀光；

第一偏振调控元件20，位于点光源10的一侧，用于将点光源10发出的光转换为平行光，且转换为线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光；

分光棱镜30，位于第一偏振调控元件20背离电光源的一侧；至少部分平行光透射分光棱镜30沿直线传播；

目标40，位于分光棱镜30背离第一偏振调控元件20的一侧，目标40靠近分光棱镜30的一侧覆盖有散射介质50；至少部分平行光射向散射介质表面后再反射至分光棱镜30为第一平行光，至少部分平行光透射散射介质50射向目标表面后再反射至分光棱镜30为第二平行光；

第二偏振调控元件60，第二偏振调控元件60位于分光棱镜30的侧面，第一平行光经分光棱镜30反射后射向第二偏振调控元件60，转换为第一点光；第二平行光经分光棱镜30后射向第二偏振调控元件60，转换为第二点光；

成像装置70，位于第二偏振调控元件60背离分光棱镜30的一侧，用于接收第一点光形成第一图像，接收第二点光形成第二图像。

具体而言，请继续参见图1所示，本实施例中提供的一种基于偏振选通的散斑超分辨率成像系统，通过第一偏振调控元件20和第二偏振调控元件60对光的转换特性，利用转换成的圆偏振光或椭圆偏振光在散射介质50中具有更大的响应和更好的保偏特性，从而实现目标40和散射介质50的分离，对后续重建高分辨率图像起到关键作用。

本实施例包括依次设置的点光源10、第一偏振调控元件20、分光棱镜30和目标40，其中，目标40靠近分光棱镜30的一侧覆盖有散射介质50，分光棱镜30的侧面还设置有第二偏振调控元件60；第二偏振调控元件60处于能够接收由目标40或散射介质50射向分光棱镜30、再由分光棱镜30射出的反射光的位置；第二偏振调控元件60背离所述分光棱镜30的一侧设置有成像装置70，成像装置70用于对目标表面或散射介质表面进行成像，通过获取目标表面和散射介质表面之间的差异性，能够去除散射介质50的影响，提高图像的对比度。

进一步地，本实施例中点光源10用于向周围空间发射均匀光，第一偏振调控元件20接受到点光源10发出的光，并进行转换，转换成平行光，以及线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光，平行光经分光棱镜30后，一部分进行反射，一部分进行透射直线传播，其中，反射的一部分不作处理，透射的平行光会射向散射介质50，其中，一部分由散射介质表面反射后再射向分光棱镜30，被定为第一平行光，另一部分透射散射介质50后射向目标表面，并被反射后再射向分光棱镜30，被定义为第二平行光；第一平行光经分光棱镜30的反射后射向第二偏振调控元件60，并转换成点光源10，由成像装置70形成第一图像，第二平行光经分光棱镜30的反射后射向第二偏振调控元件60，并转换为点光源10，由成像装置70形成第二图像，第二图像中携带了散射介质50的信息，将第一图像和第二图像进行差异化对比，去除散射介质50的影响，进一步提高图像的高分辨率。

请继续参见图1所示，在本发明的一种可选地实施例中，第一偏振调控元件20包括依次排布的第一准直透镜21、第一偏振片22和第一四分之一波片23，点光源10位于准直透镜背离第一四分之一波片23的焦点位置。

具体而言，请继续参见图1所示，本实施例中第一偏振调控元件20包括依次排布的第一准直透镜21、第一偏振片22和第一四分之一波片23，其中，点光源10发出的光经过第一准直透镜21后变为平行光，平行光经过第一偏振片22后转换为线偏振光，随后经过第一四分之一波片23后转换为椭圆偏振光或圆偏振光，其取决于第一四分之一波片23的快轴与第一偏振片22的轴之间夹角的关系；如此，通过第一偏振调控元件20，将点光源10发出光转换成圆偏振光或椭圆偏振光，圆偏振光的保偏特性更好，圆偏振光在生物组织中需要传播到更深的位置，才能实现光子的退偏，也可以理解为，圆偏振光有实现散射介质50深度成像的基础。

请继续参见图1所示，在本发明的一种可选地实施例中，第一偏振片22的轴与第一四分之一波片23的快轴之间的夹角为0°，则经过第一偏振调控元件20转换的光为线偏振光；

第一偏振片22的轴与第一四分之一波片23的快轴之间的夹角为45°，则经过第一偏振调控元件20转换的光为圆偏振光；

第一偏振片22的轴与第一四分之一波片23的快轴之间的夹角除去0°和45°外的任意角，则经过第一偏振调控元件20转换的光为椭圆偏振光。

具体而言，本实施例中，通过调整不同角度，实现不同深度的生物组织的探测。

请继续参见图1所示，在本发明的一种可选地实施例中，第二偏振调控元件60包括依次排布的第二四分之一波片61、第二偏振片52和第二准直透镜63，第二四分之一波片61位于第二准直透镜63靠近分光棱镜30的一侧。

具体而言，请继续参见图1所示，本实施例中第二偏振调控元件60包括依次排布的第二准直透镜63、第二偏振片52和第二四分之一波片61，其中，由分光棱镜30反射后的光射向第二偏振调控元件60，通过第二偏振调控元件60，将平行光再转换为点光。

请继续参见图1所示，在本发明的一种可选地实施例中，第二偏振片52的轴与第二四分之一波片61的快轴之间的夹角为0°，则经过第二偏振调控元件60转换的光为线偏振光；

第二偏振片52的轴与第二四分之一波片61的快轴之间的夹角为45°，则经过第二偏振调控元件60转换的光为圆偏振光；

第二偏振片52的轴与第二四分之一波片61的快轴之间的夹角除去0°和45°外的任意角，则经过第二偏振调控元件60转换的光为椭圆偏振光。

请继续参见图1所示，在本发明的一种可选地实施例中，成像装置70包括成像镜头71和图像传感器72。

具体而言，请继续参见图1所示，本实施例中成像镜头71成像之后，图像通过传感器存储在电脑中，以进行后续的操作。

基于同一发明构思，请参见图2，并继续参见图1所示，图2是本发明实施例提供的基于偏振选通的散斑超分辨率成像方法的一种流程图，本发明还提供一种基于偏振选通的散斑超分辨率成像方法，应用于本发明上述实施例提供的成像系统，其中，成像系统的实施例可参考上述，在此不再赘述；成像方法包括：

S101、打开所述点光源10；

S102、点光源10发射的光射向第一偏振调控元件20，经过第一偏振调控元件20转换为平行光，并且调整第一偏振调控元件20的位置，将平行光转换为线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光；

S103、经过第一偏振调控元件20转换的平行光射向所述分光棱镜30，至少部分平行光透射分光棱镜30沿直线传播；

S104、经过分光棱镜30直线传播的平行光光至少部分射向散射介质表面，至少部分透射散射介质50射向目标表面；射向散射介质表面的平行光反射后射向分光棱镜30为第一平行光，射向目标表面的平行光反射后射向分光棱镜30为第二平行光；

S105、第一平行光经过分光棱镜30反射后射向第二偏振调控元件60，经过第二偏振调控元件60转换为第一点光；第二平行光经分光棱镜30反射后射向第二偏振调控元件60，经过第二偏振调控元件60转换为第二点光；并且调整第二偏振调控元件60的位置，将平行光转换为线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光；

S106、第一点光射向成像装置70，形成第一图像；第二点光射向成像装置70，形成第二图像；

S107、通过调整第一偏振调控元件20的位置或第二偏振调控元件60的位置，获取占优位置的第一图像和占优位置的第二图像；

S108、将占优位置的第一图像和占优位置的第二图像进行迭代处理，获得优化图像。

具体而言，请继续参见图1和图2所示，本实施例中提供的一种基于偏振选通的散斑超分辨率成像方法，通过第一偏振调控元件20和第二偏振调控元件60对光的转换特性，利用转换成的圆偏振光或椭圆偏振光在散射介质50中具有更大的响应和更好的保偏特性，从而实现目标40和散射介质50的分离，进而利用叠层成像技术对分离后的目标40进行高分辨率重建。

本实施例中，通过调整第一偏振调控元件20的位置或第二偏振调控元件60的位置，获取占优位置的第一图像和占优位置的第二图像；可以理解的是，占优位置的第一图像，即第一偏振调控元件20或第二偏振调控元件60处于位置1时，获取第一图像为最优图像，可选地，第一图像为最清楚的图像，即散射介质占优位置；占优位置的第二图像，即第一偏振调控元件20或第二偏振调控元件60处于位置2时，获取第二图像为最优图像，可选地，第二图像为最清楚的图像，即目标占优位置；将第一图像减去第二图像，可以得到近似完全为散射介质50的图像，对该图像进行迭代处理，获取最终优化的图像。

在本发明的一种可选地实施例中，还包括：

当散射介质50为动态散射介质50，以0.1s～1s的间隔，获取多个占优位置的第一图像和占优位置的第二图像；

当散射介质50为静态散射介质50，平移散射介质50，获取多个占有位置的第一图像和占优位置的第二图像。

在本发明的一种可选地实施例中，调整第一偏振调控元件20的位置包括：

第一偏振调控元件20包括依次排布的第一准直透镜21、第一偏振片22和第一四分之一波片23；固定第一偏振片22或第一四分之一波片23的位置，调整第一四分之一波片23或第一偏振片22的位置，获取占优位置的第一图像对应的第一偏振调控元件20的位置和占优位置的第二图像对应的第一偏振调控元件20的位置；

调整所述第二偏振调控元件60的位置包括：

第二偏振调控元件60包括依次排布的第二准直透镜63、第二偏振片52和第二四分之一波片61；固定第二偏振片52或第二四分之一波片61的位置，调整第二四分之一波片61或第二偏振片52的位置，获取占优位置的第一图像对应的第二偏振调控元件60的位置和占优位置的第二图像对应的第二偏振调控元件60的位置。

具体而言，本实施例中，调整第一偏振调控元件20的过程为：固定第一偏振片22，旋转第一四分之一波片23，沿第一四分之一波片23的中心轴旋转，或者；固定第一四分之一波片23，旋转第一偏振片22，沿第一偏振片22的中心轴旋转；调整第二偏振调控元件60的过程为：固定第二偏振片52，旋转第二四分之一波片61，沿第二四分之一波片61的中心轴旋转，或者；固定第二四分之一波片61，旋转第二偏振片52，沿第二偏振片52的中心轴旋转；通过调整第一偏振调控元件20，直至获取散射介质占优位置和目标占优位置；通过调整第二偏振调控元件60同样直至获取散射介质占优位置和目标占优位置。

在本发明的一种可选地实施例中，将占优位置的第一图像和占优位置的第二图像进行迭代处理，获得优化图像的过程，包括：

获取图像捕获模型，其表达式为：

I

其中，I

将目标函数O(x,y)与散射介质函数P

将出射函数

其中，F为傅里叶变换；

将傅里叶域函数φ

Ψ

其中，相干传递函数CTF的表达式为：

其中，(k

将Ψ

ψ

其中，F

使用迭代算法重构所述振幅投影函数φ

其中，conj为函数的复共轭变换，max为取函数的最大值，Υ

使用迭代算法重构相干函数CTF，得到更新后的相干函数CTF，其表达式为：

其中，conj为函数的复共轭变换，max为取函数的最大值，Υ

将更新后的振幅投影函数φ

使用迭代算法，基于

其中，conj为函数的复共轭变换，max为取函数的最大值，α

基于更新后的目标函数，获得优化图像。

具体而言，本实施例中通过迭代循环过程，针对动态散射介质50，进行迭代重建分辨率更高的图像。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。