基于SLM的计算散射成像(鬼成像)系统

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描述

概述

光学成像在理论研究和日常生活中都发挥了重要的作用。传统的光学成像方式是对光场强度分布测量,是通过光场的一阶关联信息(强度与位相)来获得物体的信息,如显微镜、照相机、望远镜等。散射成像又称“单像素成像”或“鬼成像”,是近十几年逐步发展起来的一种新型成像技术;与传统的成像技术相比,散射成像是对散斑光场和物光场强度的关联测量,属于光场的二阶关联(一种强度波动的统计相关)。

散射成像是将经过目标物体的信号光强(桶探测器测探的物光光强值)与未经过物体的参考光场(CCD探测的赝热光场或计算的散斑分布光场)通过建立二阶关联算法模型、进行关联计算,从而重构出物体的像。该技术实现了探测和成像的分离,是一种非定域的成像方式,即离物成像,故也被称为鬼成像。

SLM

散射成像实验装置示意图

目前,散射成像以其非定域性、抗干扰能力强等特点得到研究人员的广泛关注,在三维成像、遥感成像、生物医疗、国防军事等领域具有广阔的应用前景。

散射成像原理

在传统的散射成像装置中,激光通过旋转毛玻璃片得到赝热光场,两束关联光通过两条不同的光路进行传播,其中一束光照射在目标物体上,由一个没有空间分辨率的桶探测器接收并探测,被称为信号光束;另一条未经过物体的光经自由传播后由CCD探测光强分布,被称为参考光束;通过对CCD探测的光强分布信息与桶探测器探测的总光强信息进行关联计算,便可重建得到目标物体的像。

赝热光关联成像系统如下图所示:

SLM

热光关联成像系统光路图

基于空间光调制器(SLM)的散射成像原理是用SLM来替代传统散射成像实验中的旋转毛玻璃,使用SLM对照明光场进行人为的控制,根据标量衍射理论可计算出面探测器CCD接收到的从SLM反射的光强分布,这样不仅可省去参考光路,还一定程度简化了计算量,因而优化了散射成像系统。

计算散射成像系统如下图所示:

SLM

计算关联鬼成像系统光路图

散射成像产品

本系统中是用SLM来替代传统散射成像实验中的旋转毛玻璃来实现赝热光场的制备。使用SLM对照明光场进行人为的控制,根据标量衍射理论可计算出面探测器CCD接收到的从SLM反射的光强分布,这样不仅可省去参考光路,还一定程度简化了计算量,因而优化了散射成像系统。

SLM

散射成像系统

SLM

 

SLM

系统配套软件

系统功能

可模拟实现经典关联成像的效果:通过本系统可实现空间光调制器对光场的控制,通过实验可获得图像信号数据,从而计算出成像效果;

可拓展多种形式鬼成像的统计光学模型,可建立经典热光/赝热光鬼成像与空间光调制器鬼成像的统计光学模型,进而可在理论方面从光强起伏的关联函数中重现物体的像;

软件可直接通信CCD(COMS)相机和示波器(桶探测器信号通过示波器来采集),可对CCD相机采集的图片、示波器采集信号进行存储处理;也具有将采集的数据进行导出的功能;

软件带有随机散斑图自动生成功能,可将随机散斑图加载到SLM上;散斑图数量可设置,图像分辨率可调;

可将外部设计的算法图像导入软件并加载到SLM上;

软件具有关联(重构)计算功能,可将CCD相机采集的图片和示波器采集信号进行关联处理,从而计算(重构)出物体的像。

实验效果

基于开发的计算鬼成像光学系统及配套软件,可快速的进行相关实验测试及验证。系统测试的效果如下图所示。

SLM

 

SLM

传统双光路鬼成像重构像

应用领域

本技术以其非定域性、抗干扰能力强等特点得到研究人员的广泛关注,并在光学加密、三维成像、遥感成像、生物医疗、国防军事等领域具有广阔的应用前景。

审核编辑 黄宇

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