基于变换域信息处理技术的散射成像方法及其装置

技术领域

本公开涉及无透镜散斑成像的技术领域，尤其涉及一种基于变换域信息处理技术的散射成像方法及其装置。

背景技术

光在经过大气、云、雾、霾、毛玻璃、生物组织、海洋等自然或人工散射介质时，由于介质的随机不均匀性，使得光传播方向和相位信息被随机打乱，形成随机杂乱的散斑。早期，国内外研究透过散射成像方法大多依赖于散射光去除即弹道光子技术。空间光调制器(SLM)、数字微镜器件(DMD)、微机电系统(MEMS)等数字光调控器件的出现，极大促进了精细化计算光场调控成像技术与散射成像技术快速结合，应运而生了诸多新体制光学成像技术，如光学相位共轭、波前整形、波前反馈调控、传输矩阵、数字全息、全光子成像技术等，使得散射光学计算成像技术尤其在小尺度、高精度显微成像领域得到极大发展，展现出巨大潜能。2014年，以色列希伯来大学O.Katz等人提出了一种基于单帧散斑自相关的非侵入式散射成像方法，实现了散射成像领域新的突破，由于具有装置简单、单帧、快速、非侵入等特点而被广泛关注。散射成像方法和技术的研究不仅在光学显微和生物医学领域有广泛的应用，在天文观测与军事侦查、空间激光通信等领域也有巨大的应用前景。

目前用于散射成像方法主要有以下几种：光子门限法，设备复杂，成本高昂，抗噪性低；波前调制法、全息重建法，同样操作和系统复杂、成本高昂、抗震动抗扰性低；波前调制技术、传输矩阵方法易受干扰、过程复杂、精度要求高，算法较复杂。

发明内容

鉴于上述问题，本公开提供了一种基于变换域信息处理技术的散射成像方法及其装置，以改善设备复杂，算法复杂的问题。

本公开的一个方面提供了一种基于变换域信息处理技术的散射成像方法，包括：构建基于变换域信息处理技术的散射成像光路；利用散射成像光路对入射光源进行编码孔径模板编码和散射介质编码，获得并采集单帧散斑图样；基于变换域信息，利用单帧散斑非迭代反演计算重建算法对单帧散斑图样进行计算反演和解码计算重建，恢复物光波和目标信息用于生成单帧计算重建图像。

根据本公开的实施例，构建基于变换域信息处理技术的散射成像光路包括：散射成像光路包括激光光源、编码孔径模板、散射介质和探测器，利用所述散射成像光路对入射光源进行编码孔径模板编码和散射介质编码，获得并采集单帧散斑图样包括：采用激光光源发出入射光源照明待成像目标；通过编码孔径模板对携带目标信息的出射光进行编码，生成携带物光波信息的光波；散射介质对携带物光波信息的光波进行编码，生成散射光；探测器采集所述单帧散斑图样；其中入射光源的中心、待成像目标的中心以及编码孔径模板的中心应位于一条竖直光轴上。

根据本公开的实施例，散射介质为毛玻璃。

根据本公开的实施例，在散射介质与探测器之间放置中继透镜，用于将散射光汇聚至探测器的平面上。

根据本公开的实施例，编码孔径模板的孔径为周期阵列，单元结构为矩形孔，并设置中心孔位置特殊点。

根据本公开的实施例，矩形孔的透过率为：

其中，r为矩形孔所在平面位置矢量，r

根据本公开的实施例，假定携带物光波信息的光波复振幅假定为S(r)，则在探测器平面上接收到的衍射光波强度为：

其中，exp为数学运算符号，F为傅里叶变换，m为第m个孔径，M为孔径总数，假定考虑散射介质探测前表面和后表面光场近似相等效应，在散射介质后表面的光场直接被探测到，则有：

其中，I

根据本公开的实施例，在利用单帧散斑非迭代反演计算重建算法对单帧散斑图样进行计算反演和解码计算重建时候，可结合图像降噪提质处理算法，对重建图像质量进行优化，获得更高品质的单帧计算重建图像。

根据本公开的实施例，入射光源的波长设置为532nm或625nm。

根据本公开的实施例，本公开的另一个方面提供了一种基于变换域信息处理技术的散射成像装置，包括：激光光源，用于发出入射光源照明待成像目标；编码孔径模板，用于对携带目标信息的出射光进行编码，生成携带物光波信息的光波；散射介质，用于对携带物光波信息的光波进行编码，生成散射光；探测器，用于采集单帧散斑图样；基于变换域信息的计算机，利用单帧散斑非迭代反演计算重建算法对单帧散斑图样进行计算反演和解码计算重建，恢复物光波和目标信息用于生成单帧计算重建图像。

在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案至少包括以下有益效果：

1、本公开属于基于变换域信息处理技术的散射成像方法，在变换域内对散射成像信息进行处理，解决了散斑自相关散射成像视场受限问题，同时解决了迭代重建的不确定性问题，无需迭代，直接计算重建成像，并且迭代方法中丢失的空间位置取向信息得以保留。

2、本公开提出的散射成像装置具有单帧非迭代、实时成像，装置简单，计算高效等显著特点。

3、本公开充分利用了散射介质特点，既可以适用于一般情况下的散射介质成像，又能满足复杂散射体等效介质环境下的成像要求。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了根据本公开实施例提供的基于变换域信息处理技术的散射成像光路的整体结构示意图；

图2a示意性示出了根据本公开实施例提供的基于变换域信息处理技术的散射成像光路中编码孔径模板；

图2b示意性示出了根据本公开实施例提供的基于变换域信息处理技术的散射成像光路中适用于计算机的解码模板；

图3示意性示出了根据本公开实施例提供的基于变换域信息处理技术的散射成像方法的计算重建过程图；

图4a示意性示出了根据本公开实施例提供的基于变换域信息处理技术的散射成像方法的待成像目标示意图；

图4b示意性示出了根据本公开实施例提供的基于变换域信息处理技术的散射成像方法的单帧散斑图样；

图4c示意性示出了根据本公开实施例提供的基于变换域信息处理技术的散射成像方法的单帧计算重建图像。

【附图标记说明】

1-激光光源；2-待成像目标；3-编码孔径模板；4-散射介质；5-探测器。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统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公开的限制。

贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。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、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

本公开的一个方面提供了一种基于变换域信息处理技术的散射成像方法，包括：构建基于变换域信息处理技术的散射成像光路；利用散射成像光路对入射光源进行编码孔径模板编码和散射介质编码，获得并采集单帧散斑图样；基于变换域信息，利用单帧散斑非迭代反演计算重建算法对单帧散斑图样进行计算反演和解码计算重建，恢复物光波和目标信息用于生成单帧计算重建图像。

在本公开的实施例中，图1示意性示出了根据本公开实施例提供的基于变换域信息处理技术的散射成像光路的整体结构示意图，其中包括：激光光源1，用于发出入射光源照明待成像目标2；编码孔径模板3，用于对携带目标信息的出射光进行编码，生成携带物光波信息的光波；散射介质4，用于对携带物光波信息的光波进行编码，生成散射光；探测器5，用于采集单帧散斑图样；其中入射光源的中心、待成像目标2的中心以及编码孔径模板3的中心应位于一条竖直光轴上。

具体地，待成像目标夹设于激光光源1和编码孔径模板3间，待成像目标2正对激光光源1的入射方向，入射光源照射待成像目标2后生成的出射光携带了目标信息，携带目标信息的出射光经由编码孔径模板3进行编码。同时，本公开中的待成像目标为二值简单目标或复杂目标。

在本公开实施例中，散射介质4为毛玻璃。具体地，采用毛玻璃作为散射介质4，用于对携带物光波信息的光波进行编码，生成散射光，从而提高基于变换域信息处理技术的散射成像光路整体的数值孔径。同时，在散射介质4与探测器5之间放置中继透镜，用于将散射光汇聚至探测器的平面上，继透镜与探测器5之间的距离为10cm。同时，探测器的分辨率越高，越有益于成像分辨提升。

具体地，编码孔径模板3夹设于待成像目标2和散射介质4间，其中，编码孔径模板3与待成像目标2之间的距离为10cm，编码孔径模板3与散射介质4之间的距离为120cm。在本公开的一些其他实施例中，编码孔径模板3与散射介质4以及待成像目标2之间的距离可以根据实际应用中的需求进行选择，只要满足编码孔径模板3到散射介质4的远场衍射条件即可，在此不做限定。

图2a示意性示出了根据本公开实施例提供的基于变换域信息处理技术的散射成像光路中编码孔径模板，图2b示意性示出了根据本公开实施例提供的基于变换域信息处理技术的散射成像光路中适用于计算机的解码模板，编码孔径模板3的孔径为周期阵列，单元结构为矩形孔，并设置中心孔位置特殊点。在本公开实施例中，设计孔周期为108微米，矩形孔的宽度为36微米。在本公开的一些其他实施例中，单元结构以及单元尺寸可以根据实际应用中的需求进行改变，只要满足孔周期≥2×sqrt(2)×孔宽度即可。由此本公开提供的散射成像方法实用性更强。

矩形孔的透过率为：

其中，r为矩形孔所在平面位置矢量，r

假定携带物光波信息的光波复振幅假定为S(r)，则在探测器平面上接收到的衍射光波强度为：

其中，exp为数学运算符号，F为傅里叶变换，m为第m个孔径，M为孔径总数，假定考虑散射介质探测前表面和后表面光场近似相等效应，在散射介质后表面的光场直接被探测到，则有：

其中，I

图3示意性示出了根据本公开实施例提供的基于变换域信息处理技术的散射成像方法的计算重建过程图。如图3所示，当散射介质4存在时，引入编码孔径模板3进行实验，采集单帧散斑图像作为算法输入信息，结合变换域信息编码模式，进行重建时，对整个光波编码和传输过程进行逆向传输与变换处理即可，通过逆向反演计算，恢复目标信息。先进行逆傅里叶变换得到散射介质前表面光波信息，再进行逆滤波处理，得到编码孔径模板3衍射面上光波信息，再进行逆向传输，快速计算重建目标。

图4a示意性示出了根据本公开实施例提供的基于变换域信息处理技术的散射成像方法的待成像目标示意图，图4b示意性示出了根据本公开实施例提供的基于变换域信息处理技术的散射成像方法的单帧散斑图样，图4c示意性示出了根据本公开实施例提供的基于变换域信息处理技术的散射成像方法的单帧计算重建图像。由此可知，本公开实施例提供的散射成像方法，只需单帧散斑图样，进行计算反演，无需迭代计算，即可生成单帧计算重建图像，计算重建恢复目标信息的同时，待成像目标的空间位置和取向信息得以保留和恢复。

在利用单帧散斑非迭代反演计算重建算法对单帧散斑图样进行计算反演和解码计算重建时候，可结合图像降噪提质处理算法，对重建图像质量进行优化，获得更高品质的单帧计算重建图像。

在本公开实施例中，入射光源的波长设置为532nm或625nm。在实际应用过程中，可根据待成像目标的大小，设置不同的入射光源波长，在此不做限定，由此本公开的散射成像方法适用于各种不同大小尺寸的待成像目标。

本公开的另一个方面提供了一种基于变换域信息处理技术的散射成像装置，包括：激光光源1，用于发出入射光源照明待成像目标2；编码孔径模板3，用于对携带目标信息的出射光进行编码，生成携带物光波信息的光波；散射介质4，用于对携带物光波信息的光波进行编码，生成散射光；探测器5，用于采集单帧散斑图样；基于变换域信息的计算机，利用单帧散斑非迭代反演计算重建算法对单帧散斑图样进行计算反演和解码计算重建，恢复物光波和目标信息用于生成单帧计算重建图像。

在该基于变换域信息处理技术的散射成像装置的实施例中，未记载的该基于变换域信息处理技术的散射成像装置的技术特征，具体参加上述基于变换域信息处理技术的散射成像方法的实施例。

综上所述，本公开提供一种基于变换域信息处理技术的散射成像方法，涉及无透镜散斑成像的技术领域，包括：构建基于变换域信息处理技术的散射成像光路；利用散射成像光路对入射光源进行编码孔径模板编码和散射介质编码，获得并采集单帧散斑图样；基于变换域信息，利用单帧散斑非迭代反演计算重建算法对单帧散斑图样进行计算反演和解码计算重建，恢复物光波和目标信息用于生成单帧计算重建图像。本公开在变换域内对散射成像信息进行处理，解决了散斑自相关散射成像视场受限问题，同时解决了迭代重建的不确定性问题，无需迭代，直接计算重建成像，并且迭代方法中丢失的空间位置取向信息得以保留。

以上的具体实施例，对本公开的技术方案进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。