基于SLM的计算散射成像(鬼成像)系统

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。

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：

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：

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。

散射成像系统

 

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。

 

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