CN107018388A - 一种超高速实时彩色计算鬼成像的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高速实时彩色计算鬼成像的装置及方法，包括随机散斑发射源、透镜、点探测器及计算机，其中，待成像物***于随机散斑发射源与透镜之间，随机散斑发射源发出的光经待成像物体及透镜入射到点探测器的光敏面上，随机散斑发射源的控制端及点探测器的输出端与计算机相连接；所述随机散斑发射源为LED阵列，该装置及方法实现对高速运动目标物体的成像，并且成像距离范围较大，成像的分辨率较高，抗扰动能力强，成像速度快。

Description

一种超高速实时彩色计算鬼成像的装置及方法
技术领域
本发明属于目标成像探测领域，涉及一种超高速实时彩色计算鬼成像的装置及方法。
背景技术
鬼成像的发展先后经历了纠缠双光子鬼成像、赝热光鬼成像、真热光鬼成像、反射光鬼成像和计算鬼成像等阶段。1995年，马里兰大学史砚华小组首次实验实现了基于纠缠双光子对的鬼成像。2006年，Scarcelli等人利用经典的赝热光源实现了无透镜热光鬼成像。随后吴令安小组利用铷空心阴极电子管作为光源实现了真热光鬼成像，计算鬼成像可以实现超分辨成像、无透镜成像，具有传统成像不具有的优势。但是，计算鬼成像需要大量的采样进行关联运算，因此传统的计算鬼成像的成像速度较慢，最终成像帧频小于10Hz，受限于成像速度慢的特性，之前没有人进行过超高速计算鬼成像的研究。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种超高速实时彩色计算鬼成像的装置及方法，该装置及方法实现对高速运动目标物体的成像，并且成像距离范围较大，成像的分辨率较高，抗扰动能力强，成像速度快。
为达到上述目的，本发明所述的超高速实时彩色计算鬼成像的装置包括随机散斑发射源、透镜、点探测器及计算机，其中，待成像物***于随机散斑发射源与透镜之间，随机散斑发射源发出的光经待成像物体及透镜入射到点探测器的光敏面上，随机散斑发射源的控制端及点探测器的输出端与计算机相连接；
所述随机散斑发射源为LED阵列。
所述LED阵列为三原色LED阵列。
本发明所述的超高速实时彩色计算鬼成像的方法包括以下步骤：
随机散斑发射源发出随机预设散斑场的信号光，所述随机预设散斑场的信号光照射到经待成像物体上，点探测器探测经待成像物体透射及反射后的光的光强信息，并将探测得到的经待成像物体透射或反射后的光的光强信息转发至计算机中，计算机根据经待成像物体透射或反射后的光的光强信息恢复出来的物体图像C(ρ1)，其中，则随机预设散斑场的信号光传播L距离后的场强分布I1(t)为：
I1(t)＝|E1(ρ1,t)|2
其中，L为随机散斑发射源与待成像物体之间的间距，E1(ρ1,t)为随机预设散斑场的信号光传播L距离后的光斑分布；
点探测器探测到的光强信息I2(t)为：
其中，E2(ρ2,t)为待成像物体表面的光场分布,T为待成像物体的孔径函数，η为点探测器的探测效率表面的光场分布；
则计算机恢复出来的物体图像C(ρ1)为：
其中，aL＝2L/k0ρ0,ρL＝2L/k0a0,k0＝2π/λ，k0为波矢,ρ(0)为随机散斑发射源的相干面积，a(L)为光场到达待成像物体时的强度半径，ρ(L)为光场到达待成像物体时的相干面积，λ为随机散斑发射源发出的光的波长，L为随机散斑发射源距离待成像物体的距离，q为电子电荷量，η为点探测器的量子效率，A1为计算得到的傍轴近似传播L的光斑分布面积，P为随机散斑发射源发出的光的光强涨落，A2为透镜的面积。
散斑场的信号光传播L距离后的光斑分布E1(ρ1,t)的表达式为：
待成像物体表面光场分布E2(ρ2,t)的表达式为：
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的超高速实时彩色计算鬼成像的装置及方法在具体操作时，以LED阵列作为随机散斑源引入计算鬼成像，实现超高速实时彩色计算鬼成像，具体的，通过随机散斑发射源发出随机预设散斑场的信号光，所述随机预设散斑场的信号光照射到待成像物体上，点探测器探测经待成像物体透射及反射后的光的光强信息，计算机根据经待成像物体透射及反射后的光的光强信息恢复出来的物体图像C(ρ1)。需要说明的是，本发明以LED阵列作为随机散斑发射源，使得随机散斑发射源发出的随机预设散斑场的信号光的速率较大，从而有效的提高计算鬼像成像速度，实现对高速运动目标物体的成像，并且成像的分辨率、成像距离范围及成像质量得到大幅的提高，并且不受外界温度及湿度变化的影响，具有良好的抗扰动特性。
附图说明
图1为现有技术的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图。
其中，1为随机散斑发射源、2为待成像物体、3为透镜、4为点探测器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所述的超高速实时彩色计算鬼成像的装置包括随机散斑发射源1、透镜3、点探测器4及计算机，其中，待成像物体2位于随机散斑发射源1与透镜3之间，随机散斑发射源1发出的光经待成像物体2及透镜3入射到点探测器4的光敏面上，随机散斑发射源1的控制端及点探测器4的输出端与计算机相连接；所述随机散斑发射源1为LED阵列，LED阵列为三原色LED阵列。
本发明所述的超高速实时彩色计算鬼成像的方法包括以下步骤：
随机散斑发射源1发出随机预设散斑场的信号光，所述随机预设散斑场的信号光照射到经待成像物体2上，点探测器4探测经待成像物体2透射及反射后的光的光强信息，并将探测得到的经待成像物体2透射或反射后的光的光强信息转发至计算机中，计算机根据经待成像物体2透射或反射后的光的光强信息恢复出来的物体图像C(ρ1)，其中，则随机预设散斑场的信号光传播L距离后的场强分布I1(t)为：
I1(t)＝|E1(ρ1,t)|2
其中，L为随机散斑发射源1与待成像物体2之间的间距，E1(ρ1,t)为随机预设散斑场的信号光传播L距离后的光斑分布；
点探测器4探测到的光强信息I2(t)为：
其中，E2(ρ2,t)为待成像物体2表面的光场分布,T为待成像物体2的孔径函数，η为点探测器4的探测效率表面的光场分布；
则计算机恢复出来的物体图像C(ρ1)为：
其中，aL＝2L/k0ρ0,ρL＝2L/k0a0,k0＝2π/λ，k0为波矢,ρ(0)为随机散斑发射源1的相干面积，a(L)为光场到达待成像物体2时的强度半径，ρ(L)为光场到达待成像物体2时的相干面积，λ为随机散斑发射源1发出的光的波长，L为随机散斑发射源1距离待成像物体2的距离，q为电子电荷量，η为点探测器4的量子效率，A1为计算得到的傍轴近似传播L的光斑分布面积，P为随机散斑发射源1发出的光的光强涨落，A2为透镜3的面积。
散斑场的信号光传播L距离后的光斑分布E1(ρ1,t)的表达式为：
待成像物体2表面光场分布E2(ρ2,t)的表达式为：
本发明充分考虑鬼成像可以实现无透镜成像、成像分辨率高、抗扰动能力比传统成像技术强的优势，实现对高速运动目标物体的成像，并且无论是针对近距离成像还是远距离成像，均可实现高分辨率成像，抗扰动能力强且成像速度快。
本发明以超高速可控三原色LED阵列作为预置散斑源来实现超高速彩色计算鬼成像，能够应用于高速运动的物体探测，极大地提高高速物体速度运动探测的准确性；应用于近距离成像时，针对精细医学成像领域，是对传统医学光学成像技术的改进，利用计算鬼成像的抗扰动特性，可以得到高分辨率、高质量的人体内部结构和脏器的彩色动态图影，提高医师诊断的正确率，同时利用其高速成像的特性还可以实现对人体大脑动态的观测，极大地促进对人体大脑机制的理解；应用于远距离成像时，针对空天目标和水下目标探测，是对现有依靠鬼成像技术实现目标探测技术的补充，可以弥补现有计算鬼成像和传统鬼成像技术成像速度慢、成像时间长的劣势，完善水下、空天探测和电子通讯***。

Claims (5)

1.一种超高速实时彩色计算鬼成像的装置，其特征在于，包括随机散斑发射源(1)、透镜(3)、点探测器(4)及计算机，其中，待成像物体(2)位于随机散斑发射源(1)与透镜(3)之间，随机散斑发射源(1)发出的光经待成像物体(2)及透镜(3)入射到点探测器(4)的光敏面上，随机散斑发射源(1)的控制端及点探测器(4)的输出端与计算机相连接；
所述随机散斑发射源(1)为LED阵列。
2.根据权利要求1所述的超高速实时彩色计算鬼成像的装置，其特征在于，所述LED阵列为三原色LED阵列。
3.一种超高速实时彩色计算鬼成像的方法，其特征在于，基于权利要求1所述的超高速实时彩色计算鬼成像的装置，包括以下步骤：
随机散斑发射源(1)发出随机预设散斑场的信号光，所述随机预设散斑场的信号光照射到经待成像物体(2)上，点探测器(4)探测经待成像物体(2)透射及反射后的光的光强信息，并将探测得到的经待成像物体(2)透射或反射后的光的光强信息转发至计算机中，计算机根据经待成像物体(2)透射或反射后的光的光强信息恢复出来的物体图像C(ρ1)，其中，则随机预设散斑场的信号光传播L距离后的场强分布I1(t)为：
I1(t)＝|E1(ρ1,t)|2
其中，L为随机散斑发射源(1)与待成像物体(2)之间的间距，E1(ρ1,t)为随机预设散斑场的信号光传播L距离后的光斑分布；
点探测器(4)探测到的光强信息I2(t)为：
其中，E2(ρ2,t)为待成像物体(2)表面的光场分布,T为待成像物体(2)的孔径函数，η为点探测器(4)的探测效率表面的光场分布；
则计算机恢复出来的物体图像C(ρ1)为：
其中，aL＝2L/k0ρ0,ρL＝2L/k0a0,k0＝2π/λ，k0为波矢,ρ(0)为随机散斑发射源(1)的相干面积，a(L)为光场到达待成像物体(2)时的强度半径，ρ(L)为光场到达待成像物体(2)时的相干面积，λ为随机散斑发射源(1)发出的光的波长，q为电子电荷量，η为点探测器(4)的量子效率，A1为计算得到的傍轴近似传播L的光斑分布面积，P为随机散斑发射源(1)发出的光的光强涨落，A2为透镜(3)的面积。
4.根据权利要求3所述的超高速实时彩色计算鬼成像的方法，其特征在于，散斑场的信号光传播L距离后的光斑分布E1(ρ1,t)的表达式为：
5.根据权利要求3所述的超高速实时彩色计算鬼成像的方法，其特征在于，待成像物体(2)表面光场分布E2(ρ2,t)的表达式为：
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