CN110118755A - 基于傅里叶光场和关联成像的光学成像方法 - Google Patents

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张雷洪
张大伟
康祎
王朝锐
张志晟
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Abstract

本发明涉及一种基于傅里叶光场和关联成像的光学成像方法，目标物体的图像用离散化的像素表示。该方法中采用四个波长的光照明，目标物体对光的透过率不同构成傅里叶光场，获取到四个桶探测器值。采用Metasurface制作，可以将四个光场照射目标物体图案像素得到的四个强度信号捆绑为一个调制块，每个强度信号对应一个波长的透过率，最终重构出物体的像。本发明采用不同的光场照明，通过不同的光场信号合为一个，减少了测量次数；通过Metasurface调节波长、空间位置以及透过率的调节，实现一次测量关联成像。

Description

基于傅里叶光场和关联成像的光学成像方法
技术领域
本发明涉及一种光学成像技术，特别涉及一种基于傅里叶光场和关联成像的光学成像方法。
背景技术
随着光学成像技术的快速发展，人们对于信息资源的需求越来越大，图像是人类最主要的信息源，而获取图像信息的主要方式是光学成像。一般情况下，一个光学成像***由照明单元和探测单元两部分组成。传统光学成像***一般是将稳定的照明光场直接照射到非发光的目标物体，然后通过透镜将物体表面的反射光汇聚成像在光敏单元成二维分布的光敏器件上，最终形成目标物体的图像。在经典成像模型中，只有直接从目标物体射出并进入透镜的光线，带有目标物体的空间分布信息，能被透镜汇集成像；而从目标物体射出，又经其它介质散射后进入透镜的光线，失去了目标物体的空间分布信息，对成像无任何贡献，并且形成了图像的噪声。
现有的光学成像***中，普遍存在以下缺陷:1)现有的光学成像方法中为了追求更高的图像分辨率，就要使光敏器件单个像素的尺寸更小，但是在工艺上想要制造更小的像素尺寸有着很大的困难，并且信噪比会大大降低；2)现有的光学成像方法中光敏器件的光谱特性对一些特殊波段的成像具有较大的困难，比如目前基于硅基半导体的CCD、CMOS等成像器件等，在X射线、太赫兹、红外线等波段的成像都存在着局限性。
发明内容
本发明是针对现在成像技术在某些波段存在局限性的问题，提出了一种基于傅里叶光场和关联成像的光学成像方法，该方法中采用四个波长的光照明，目标物体对光的透过率不同构成傅里叶光场，获取到四个桶探测器值。采用Metasurface制作，可以将四个光场照射目标物体图案像素得到的四个强度信号捆绑为一个调制块，减少了测量次数；通过Metasurface调节波长、空间位置以及透过率的调节，实现测量关联成像。
本发明的技术方案为：一种基于傅里叶光场和关联成像的光学成像方法，具体步骤如下：
1)目标物体的图像用离散化的像素表示，构成大小为一个M×N像素的矩阵，照明光场为用余弦结构光场发生器生成一系列频率不同的按余弦分布的光场，第i个光场在目标物体所在平面的光强分布表示为：
Pi(x,y；fx,fy)＝a+b·cos(2πfxx+2πfyy+φ)，
其中i＝1、2、3、4，x、y是目标物体的像素点坐标，公式中x取0→M-1之间的整数，y取0→N-1之间的整数；fx、fy分别是x、y方向上余弦光场的光波频率，fx、fy用归一化频率表示为α1、β1分别是x、y对应的整数值；a是余弦光场的平均光强、b为有光强照射和无光强照射所在平面的对比度，a、b取整数，φ是光场的初位相；
2)用四个初位相分别为0、π、的余弦分布光场依次照射目标物体，用光探测器依次接收来自目标物体的光强信号，再依次采集记录光探测器的响应值；
3)根据4个响应值获得目标物体图像的傅里叶变换谱；
4)对根据响应值获得的目标物体图像的傅里叶变换谱进行二维离散反傅里叶变换，进行重建目标物体的图像。
所述步骤2)中经过第i个光场照射目标物体后的反射光场的总光强为：Ei(fx,fy)＝∫∫SR(x,y)P(x,y；fx,fy)dxdy，其中i＝1、2、3、4；R(x,y)是目标物体表面的反射率；S是目标物体表面积；
响应值表示为：Di(fx,fy)＝Dn+k·Ei(fx,fy)
其中Dn代表没有光场照射的情况下在探测器位置引起的光响应值；k代表探测器自身特性参数；
四个初位相分别为0、π、的余弦分布光场依次照射目标物体后，得到4个响应值为D1(fx,fy)、D2(fx,fy)、D3(fx,fy)、D4(fx,fy)。
所述步骤3)根据响应值Di(fx,fy)获得目标物体图像的傅里叶变换谱Dfp(fx,fy),
Dfp(fx,fy)＝{[D1(fx,fy)-D3(fx,fy)]+j[D2(fx,fy)-D4(fx,fy)]}，j是虚数单位。
所述步骤4)中重建目标物体的图像I(x,y)：
本发明的有益效果在于：本发明基于傅里叶光场和关联成像的光学成像方法，通过采用四个波长的光照明，目标物体对光的透过率不同构成傅里叶光场，采用Metasurface制作，可以将四个光场照射目标物体图案像素得到的四个强度信号捆绑为一个调制块，减少了测量次数；通过Metasurface调节波长、空间位置以及透过率的调节，实现测量关联成像。
附图说明
图1为本发明一实施例的基于傅里叶光场和关联成像的光学成像方法的实验装置示意图；
图2为本发明图案的像素点示例图；
图3为本发明四个傅里叶光场图；
图4为本发明四个光场照射目标像素点得到的强度信号捆绑为一个调制块图。
具体实施方式
图1为本发明一实施例的基于傅里叶光场和关联成像的光学成像方法的实验装置示意图，通过数字投影仪(1)投射到目标物体，由光探测器(2)采集光强信号并传输到计算机(3)中进行处理。图2为目标物体图案的像素点示例图，通过四个不同初位相的余弦分布光场依次照射目标物体图案的同一个像素点，形成四个不同强度的光强信号(图中1、2、3、4是指4个光场对同一像素点)。图3显示的是光探测器依次接收的来自目标物体图案的四个不同初位相的傅里叶光场强度分布。图4显示的是采用Metasurface制作，将四个光场合四为一，捆绑所成的一个调制块。
一种基于傅里叶光场和关联成像的光学成像方法，目标物体的图像用离散化的像素表示，构成大小为一个M×N像素的矩阵；照明光场为用余弦结构光场发生器生成一系列频率不同的按余弦分布的光场，第i个光场在目标物体所在平面的光强分布表示为：Pi(x,y；fx,fy)＝a+b·cos(2πfxx+2πfyy+φ)，其中i＝1、2、3、4(这里i是指本发明中采用的四个照明光场)，x、y是目标物体的像素点坐标，公式中x取0→M-1之间的整数，y取0→N-1之间的整数。fx、fy分别是x、y方向上余弦光场的光波频率，fx、fy用归一化频率表示为α1、β1分别是x、y对应的整数值，其中α1为0→M-1之间的整数，β1为0→N-1之间的整数。a是余弦光场的平均光强、b为有光强照射和无光强照射所在平面的对比度，a、b取整数，φ是光场的初位相。
四个初位相分别为0、π、的光场照射到目标物体表面的光强为：
P1(x,y；fx,fy)＝a+b·cos(2πfxx+2πfyy+0)
P3(x,y；fx,fy)＝a+b·cos(2πfxx+2πfyy+π)
使用这四个照明光场依次照射目标物体时，一个光探测器依次接收到来自目标物体光强信号，再依次采集记录光探测器的响应值。响应值分别表示为：
D1(fx,fy)、D2(fx,fy)、D3(fx,fy)、D4(fx,fy)，
依据公式Di(fx,fy)＝Dn+k·Ei(fx,fy)，其中Dn代表背景照明(没有实验光场照射的情况下)在探测器位置引起的光响应值；k代表探测器自身特性参数(主要与空间分辨率、有效视野等因子有关)；经过第i个光场照射目标物体后的反射光场的总光强为：Ei(fx,fy)＝∫∫SR(x,y)P(x,y；fx,fy)dxdy，其中i＝1、2、3、4；R(x,y)是目标物体表面的反射率；S是目标物体表面积。
令
[D1(fx,fy)-D3(fx,fy)]+j[D2(fx,fy)-D4(fx,fy)]
＝2b·k∫∫SR(x,y)·{cos[2π(fxx+fyy)]-jsin[2π(fxx+fyy)]}dxdy
＝2b·k∫∫SR(x,y)·exp[-j·2π(fxx+fyy)]dxdy
假设
C(fx,fy)＝∫∫SR(x,y)·exp[-j·2π(fxx+fyy)]dxdy
其中
其中根据响应值Di(fx,fy)获得目标物体图像的傅里叶变换谱Dfp(fx,fy),Dfp(fx,fy)＝{[D1(fx,fy)-D3(fx,fy)]+j[D2(fx,fy)-D4(fx,fy)]}，j是虚数单位。
对傅里叶变换谱Dfp(fx,fy)进行二维离散反傅里叶变换，重建目标物体的图像I(x,y)：
在本发明实施例提供的基于傅里叶光场和关联成像的光学成像方法中，通过对四个不同初位相的余弦光场照射目标物体图案的同一像素进行调制，制作傅里叶光场，四个傅里叶光场通过Metasurface制作合为一个，减少了测量次数；采用Metasurface制作，将四个光场照射目标像素点得到的四个强度信号捆绑为一个调制块，每个信号强度对应一个波长的透过率；利用Metasurface调节波长、空间位置以及透过率的调节，实现测量关联成像。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于傅里叶光场和关联成像的光学成像方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)目标物体的图像用离散化的像素表示，构成大小为一个M×N像素的矩阵，照明光场为用余弦结构光场发生器生成一系列频率不同的按余弦分布的光场，第i个光场在目标物体所在平面的光强分布表示为：
Pi(x,y；fx,fy)＝a+b·cos(2πfxx+2πfyy+φ)，
其中i＝1、2、3、4，x、y是目标物体的像素点坐标，公式中x取0→M-1之间的整数，y取0→N-1之间的整数；fx、fy分别是x、y方向上余弦光场的光波频率，fx、fy用归一化频率表示为α1、β1分别是x、y对应的整数值；a是余弦光场的平均光强、b为有光强照射和无光强照射所在平面的对比度，a、b取整数，φ是光场的初位相；
2)用四个初位相分别为的余弦分布光场依次照射目标物体，用光探测器依次接收来自目标物体的光强信号，再依次采集记录光探测器的响应值；
3)根据4个响应值获得目标物体图像的傅里叶变换谱；
4)对根据响应值获得的目标物体图像的傅里叶变换谱进行二维离散反傅里叶变换，进行重建目标物体的图像。
2.根据权利要求1所述基于傅里叶光场和关联成像的光学成像方法，其特征在于，所述步骤2)中经过第i个光场照射目标物体后的反射光场的总光强为：
Ei(fx,fy)＝∫∫SR(x,y)P(x,y；fx,fy)dxdy，其中i＝1、2、3、4；R(x,y)是目标物体表面的反射率；S是目标物体表面积；
响应值表示为：Di(fx,fy)＝Dn+k·Ei(fx,fy)
其中Dn代表没有光场照射的情况下在探测器位置引起的光响应值；k代表探测器自身特性参数；
四个初位相分别为的余弦分布光场依次照射目标物体后，得到4个响应值为D1(fx,fy)、D2(fx,fy)、D3(fx,fy)、D4(fx,fy)。
3.根据权利要求2所述基于傅里叶光场和关联成像的光学成像方法，其特征在于，所述步骤3)根据响应值Di(fx,fy)获得目标物体图像的傅里叶变换谱Dfp(fx,fy),
Dfp(fx,fy)＝{[D1(fx,fy)-D3(fx,fy)]+j[D2(fx,fy)-D4(fx,fy)]}，j是虚数单位。
4.根据权利要求3所述基于傅里叶光场和关联成像的光学成像方法，其特征在于，所述步骤4)中重建目标物体的图像I(x,y)：
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