基于SLM的計算散射成像(鬼成像)系統(tǒng)

概述

光學成像在理論研究和日常生活中都發(fā)揮了重要的作用。傳統(tǒng)的光學成像方式是對光場強度分布測量，是通過光場的一階關(guān)聯(lián)信息（強度與位相）來獲得物體的信息，如顯微鏡、照相機、望遠鏡等。散射成像又稱“單像素成像”或“鬼成像”，是近十幾年逐步發(fā)展起來的一種新型成像技術(shù)；與傳統(tǒng)的成像技術(shù)相比，散射成像是對散斑光場和物光場強度的關(guān)聯(lián)測量，屬于光場的二階關(guān)聯(lián)（一種強度波動的統(tǒng)計相關(guān)）。

散射成像是將經(jīng)過目標物體的信號光強（桶探測器測探的物光光強值）與未經(jīng)過物體的參考光場（CCD探測的贗熱光場或計算的散斑分布光場）通過建立二階關(guān)聯(lián)算法模型、進行關(guān)聯(lián)計算，從而重構(gòu)出物體的像。該技術(shù)實現(xiàn)了探測和成像的分離，是一種非定域的成像方式,即離物成像，故也被稱為鬼成像。

散射成像實驗裝置示意圖

目前，散射成像以其非定域性、抗干擾能力強等特點得到研究人員的廣泛關(guān)注，在三維成像、遙感成像、生物醫(yī)療、國防軍事等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

散射成像原理

在傳統(tǒng)的散射成像裝置中，激光通過旋轉(zhuǎn)毛玻璃片得到贗熱光場，兩束關(guān)聯(lián)光通過兩條不同的光路進行傳播，其中一束光照射在目標物體上，由一個沒有空間分辨率的桶探測器接收并探測，被稱為信號光束；另一條未經(jīng)過物體的光經(jīng)自由傳播后由CCD探測光強分布，被稱為參考光束；通過對CCD探測的光強分布信息與桶探測器探測的總光強信息進行關(guān)聯(lián)計算，便可重建得到目標物體的像。

贗熱光關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)如下圖所示：

熱光關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)光路圖

基于空間光調(diào)制器（SLM）的散射成像原理是用SLM來替代傳統(tǒng)散射成像實驗中的旋轉(zhuǎn)毛玻璃，使用SLM對照明光場進行人為的控制，根據(jù)標量衍射理論可計算出面探測器CCD接收到的從SLM反射的光強分布，這樣不僅可省去參考光路，還一定程度簡化了計算量,因而優(yōu)化了散射成像系統(tǒng)。

計算散射成像系統(tǒng)如下圖所示：

計算關(guān)聯(lián)鬼成像系統(tǒng)光路圖

散射成像產(chǎn)品

本系統(tǒng)中是用SLM來替代傳統(tǒng)散射成像實驗中的旋轉(zhuǎn)毛玻璃來實現(xiàn)贗熱光場的制備。使用SLM對照明光場進行人為的控制，根據(jù)標量衍射理論可計算出面探測器CCD接收到的從SLM反射的光強分布，這樣不僅可省去參考光路，還一定程度簡化了計算量,因而優(yōu)化了散射成像系統(tǒng)。

散射成像系統(tǒng)

系統(tǒng)配套軟件

系統(tǒng)功能

可模擬實現(xiàn)經(jīng)典關(guān)聯(lián)成像的效果：通過本系統(tǒng)可實現(xiàn)空間光調(diào)制器對光場的控制，通過實驗可獲得圖像信號數(shù)據(jù)，從而計算出成像效果；

可拓展多種形式鬼成像的統(tǒng)計光學模型，可建立經(jīng)典熱光/贗熱光鬼成像與空間光調(diào)制器鬼成像的統(tǒng)計光學模型，進而可在理論方面從光強起伏的關(guān)聯(lián)函數(shù)中重現(xiàn)物體的像；

軟件可直接通信CCD（COMS）相機和示波器（桶探測器信號通過示波器來采集），可對CCD相機采集的圖片、示波器采集信號進行存儲處理；也具有將采集的數(shù)據(jù)進行導出的功能；

軟件帶有隨機散斑圖自動生成功能，可將隨機散斑圖加載到SLM上；散斑圖數(shù)量可設(shè)置，圖像分辨率可調(diào)；

可將外部設(shè)計的算法圖像導入軟件并加載到SLM上；

軟件具有關(guān)聯(lián)（重構(gòu)）計算功能，可將CCD相機采集的圖片和示波器采集信號進行關(guān)聯(lián)處理，從而計算（重構(gòu)）出物體的像。

實驗效果

基于開發(fā)的計算鬼成像光學系統(tǒng)及配套軟件，可快速的進行相關(guān)實驗測試及驗證。系統(tǒng)測試的效果如下圖所示。

傳統(tǒng)雙光路鬼成像重構(gòu)像

應(yīng)用領(lǐng)域

本技術(shù)以其非定域性、抗干擾能力強等特點得到研究人員的廣泛關(guān)注，并在光學加密、三維成像、遙感成像、生物醫(yī)療、國防軍事等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

審核編輯 黃宇