CN101699312B

CN101699312B - 强度关联提高散射介质中物体成像质量的装置

Info

Publication number: CN101699312B
Application number: CN2009101953441A
Authority: CN
Inventors: 韩申生; 龚文林; 张鹏黎; 沈夏
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2009-09-08
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2029-09-08
Also published as: CN101699312A

Abstract

一种强度关联提高散射介质中物体成像质量的装置，该装置包括热光源，沿该热光源发出的光束的前进方向设置分光棱镜，该分光棱镜将光束分为透射光束和反射光束，在该分光棱镜的透射光束方向依次是物光路准直透镜、处于散射介质中的待测物体、物光路成像透镜和物光路面探测器；在所述的分光棱镜的反射光束方向依次是参考光路准直透镜和参考光路面探测器，所述的物光路面探测器和参考光路面探测器的输出端同时连接具有采集光强分布信息数据和进行强度关联运算的计算机；所述的热光源与物光路面探测器和参考光路面探测器同时由一个同步信号发生器同步触发控制同步工作。本发明可以大大提高散射介质中物体的成像质量。

Description

强度关联提高散射介质中物体成像质量的装置

技术领域

本发明属于光学成像领域，具体地说是一种强度关联提高散射介质中物体成像质量的装置。

背景技术

在传统成像和信息传输过程中，由于存在多次散射，信息传输和成像质量将会受到严重的影响。比如在大气环境下，由于大气中多种颗粒的散射，将会影响激光雷达的测量精度，卫星通讯信息传输的保真性和光在大气中的成像质量；在粒子物理中，由于原子核对一些微观粒子的散射，从而导致成像质量的下降；而在生命和医学中，由于生物组织属于高散射组织，多次散射导致对病理的检测诊断的准确性和有效性以及成像质量造成了巨大的影响。对于散射介质中的成像，便先后产生了应用于临床医学中的X射线成像，CT，超声成像，核磁共振成像等。近年来又掀起了光学成像技术研究的热点，研制成了利用多种门技术控制下的光学成像技术，如空间门、偏振门、时间门、相干门等门技术，这些技术利用光子经过散射后某些性质的变化来区分用于成像的光子和噪声背景光子；实现了光学相干层析技术、漫反射光学层析技术、光声层析技术、超声调制的光学成像技术等等。虽然上述技术对散射介质中的成像质量有了一定的改善和提高，然而他们存在一定的局限性：有的存在电离辐射，有的空间分辨率太低，有的信息失真较大；有的造价和运行费用昂贵等等；从而散射介质中高质量图像和信息的提取仍然是当今面临的一大难题。

发明内容

针对上述现有光学成像技术存在着图像分辨率低和信噪比差的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种强度关联提高散射介质中物体成像质量的装置。在物光路存在高散射介质而参考光路无散射介质的情况下，通过对物光路和参考光路面探测器记录的强度信息进行关联运算，便可以得到处于高散射介质中的待测物体高质量的图像。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案如下：

一种强度关联提高散射介质中物体成像质量的装置，特点在于该装置的构成包括热光源，沿该热光源发出的光束的前进方向设置分光棱镜，该分光棱镜将光束分为透射光路和反射光路：透射光路因含有待测物体，称为物光路；其由物光路准直透镜、处于高散射介质中的待测物体、物光路成像透镜和有一定空间分辨能力的物光路面探测器组成。反射光路因无待测物体，称为参考光路；其由参考光路准直透镜和有高空间分辨能力的参考光路面探测器组成。所述的物光路面探测器和参考光路面探测器的输出端同时连接具有采集光强分布信息数据和进行强度关联运算的计算机；所述的参考光路面探测器的探测面到所述的参考光路准直透镜中心的距离z满足下列关系：

z = {(\frac{f}{f_{1}})}^{2} z_{1} + f - \frac{f^{2}}{f_{1}} - - - (1)

其中：z₁为物光路准直透镜的中心与到待测物体之间的距离，f为参考光路准直透镜的焦距，f₁为物光路准直透镜的焦距；所述的热光源与物光路面探测器和参考光路面探测器同时由一个同步信号发生器同步触发控制同步工作。

本发明装置的热光源与物光路面探测器和参考光路面探测器在一个同步信号发生器同步触发控制同步工作，工作过程包括：

(1)、热光源发出的光束经分光棱镜分光后，透射光束通过物光路准直透镜获取平行光依次经过处于高散射介质中的待测物体、物光路成像透镜而到达物光路面探测器；

(2)、由物光路面探测器接收来自待测物体的随时间变化光强信号；

(3)、反射光束通过参考光路准直透镜变成平行光后而到达参考光路面探测器，由该参考光路面探测器在不同位置接收来自热光源的光强信号；

(4)、将物光路面探测器和参考光路面探测器对应时刻记录的光强分布信息存储在计算机中；

(5)、对物光路“面”探测器接收到的来自待测物体的光强信息与参考光路的光强分布信息在计算机中进行强度关联运算，可以得到物光路和参考光路的互相关强度分布信息，即为待测物体高质量的图像。

所述的计算机进行强度关联运算方法为：

将某一时刻物光路面探测器上不同位置处的光强度值和参考光路面探测器上对应位置处的光强度值进行相关运算，得到物光路和参考光路的复合强度关联分布，再将不同时刻得到的复合强度分布进行统计平均，便可以得到物光路和参考光路的互相关强度分布信息。

与现有技术相比，本发明具有以下的技术效果：

1、因整个***的图像质量由物光路***和参考光路***同时决定，在参考光路没有散射的情况下，已有的散射介质成像技术均可作为强度关联成像***的物光路，从而强度关联获取的图像质量均可在已有的散射介质成像技术基础上进一步大幅度地提高。

2、在以往成像过程中，探测***和成像***是不可分离的；而对于本装置，探测***和成像***是分离的，物光路属于探测***，参考光路用于成像。

3、获得的待测物体图像放大率仅由两光路准直透镜的焦距比决定。

4、由于仅改变参考光路面探测器的探测面与准直透镜中心的距离z便可以得到不同距离z₁时物体表面的实像，从而更容易实现物体的层析图像信息。

5、可以得到横向分辨率和纵向分辨率都很高的层析图像。

6、无辐射、无损伤的光学成像。

附图说明

图1是本发明强度关联提高散射介质中物体成像质量的装置的结构示意图。

图中：1是热光源；2是分光棱镜；3是物光路准直透镜；4是处于散射介质中的待测物体；5是物光路成像透镜；6是物光路面探测器；7是参考光路准直透镜；8是参考光路面探测器；9是计算机。

图2是散射介质中的待测物体。

图3是物光路和参考光路面探测器空间分辨能力均为“6.45μm×6.45μm”时，物光路面探测器记录的光强分布与参考光路记录的光强分布进行强度关联运算后得到的物体图像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

先请参阅图1，图1是本发明强度关联提高散射介质中物体成像质量的装置的结构示意图。由图可见，本发明强度关联提高散射介质中物体成像质量的装置，其构成包括热光源1，沿该热光源1发出的光束的前进方向设置分光棱镜2，该分光棱镜2将光束分为透射光束和反射光束，在该分光棱镜2的透射光束方向依次是物光路准直透镜3、处于散射介质中的待测物体4、物光路成像透镜5和物光路面探测器6；在所述的分光棱镜2的反射光束方向依次是参考光路准直透镜7和参考光路面探测器8，所述的物光路面探测器6和参考光路面探测器8的输出端同时连接具有采集光强分布信息数据和进行强度关联运算的计算机9；所述的参考光路面探测器8的探测面到所述的参考光路准直透镜7中心的距离z满足下列关系：

z = {(\frac{f}{f_{1}})}^{2} z_{1} + f - \frac{f^{2}}{f_{1}} - - - (2)

其中：z₁为物光路准直透镜3的中心与到待测物体4之间的距离，f为参考光路准直透镜7的焦距，f₁为物光路准直透镜3的焦距；所述的热光源1与物光路面探测器6和参考光路面探测器8同时由一个同步信号发生器(图中未示)同步触发控制同步工作。

(1)、热光源1经分光棱镜2分光后，透射光束通过物光路准直透镜3获取平行光依次经过处于高散射介质中的待测物体4(见图2)；然后经过对待测物体成像的物光路成像透镜5而到达物光路面探测器6；

(2)、由物光路面探测器6接收来自待测物体4的光强信号；

(3)、把物光路面探测器6记录的光强信息存储在计算机9中；

(4)、反射光束通过参考光路准直透镜7获取平行光后而到达参考光路面探测器8，由参考光路面探测器8接收来自热光源的光强信号；

(5)、把参考光路面探测器8记录的光强分布信息存储在计算机9中；

(6)、将物光路面探测器6接收到的待测物体光强信息与参考光路面探测器8记录的光强分布信息在计算机9中进行强度关联运算，得到物光路和参考光路的互相关强度分布信息，即为待测物体高质量的图像(见图3)；

所述的计算机进行强度关联运算过程为：

将物光路面探测器6上不同位置x_t处所有时刻的光强值I_t(x_t)与参考光路面探测器8上对应位置x_r处的光强度值I_r(x_r)按以下公式进行关联运算：

ΔG^(2，2)(x_r，x_t)≡<ΔI_r(x_r)ΔI_t(x_t)>＝<I_r(x_r)I_t(x_t)>-<I_r(x_r)><I_t(x_t)> (3)

即为物光路和参考光路的互相关强度分布信息，该分布信息就是待测物体高质量的图像。

在图2中，待测物体4为透射式“中”字环，其最小特征尺度为60.0μm。圆环左侧与“中”字左侧的相隔距离为120.0μm。对于传统成像而言，由于强的散射作用导致图像的分辨率和信噪比急剧下降，将会使得物体的图像信息基本被完全淹没。图3是物光路面探测器6和参考光路面探测器8空间分辨能力均为“6.45μm×6.45μm”时，物光路面探测器记录的光强分布与参考光路面探测器8记录的光强分布进行强度关联运算后得到的物体图像。用传统普通成像方法对处于高散射介质中的待测物体4已不能分辨，但由图3显示出：利用本发明通过强度关联运算，可以获得较清晰的像，表明本发明大大提高了散射介质中物体的成像质量。

Claims

1.一种强度关联提高散射介质中物体成像质量的装置，特征在于其构成包括热光源(1)，沿该热光源(1)发出的光束的前进方向设置分光棱镜(2)，该分光棱镜(2)将光束分为透射光束和反射光束，在该分光棱镜(2)的透射光束方向依次是物光路准直透镜(3)、处于散射介质中的待测物体(4)、物光路成像透镜(5)和物光路面探测器(6)；在所述的分光棱镜(2)的反射光束方向依次是参考光路准直透镜(7)和参考光路面探测器(8)，所述的物光路面探测器(6)和参考光路面探测器(8)的输出端同时连接具有采集光强分布信息数据和进行强度关联运算能力的计算机(9)；所述的参考光路面探测器(8)的探测面到所述的参考光路准直透镜(7)中心的距离z满足下列关系：

z = {(\frac{f}{f_{1}})}^{2} z_{1} + f - \frac{f^{2}}{f_{1}}

其中：z₁为物光路准直透镜(3)的中心与到待测物体(4)之间的距离，f为参考光路准直透镜(7)的焦距，f₁为物光路准直透镜(3)的焦距；所述的热光源(1)与物光路面探测器(6)和参考光路面探测器(8)同时由一个同步信号发生器同步触发控制同步工作。