概述

光學(xué)成像在理論研究和日常生活中都發(fā)揮了重要的作用。傳統(tǒng)的光學(xué)成像方式是對(duì)光場(chǎng)強(qiáng)度分布測(cè)量，是通過(guò)光場(chǎng)的一階關(guān)聯(lián)信息（強(qiáng)度與位相）來(lái)獲得物體的信息，如顯微鏡、照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡等。散射成像又稱“單像素成像”或“鬼成像”，是近十幾年逐步發(fā)展起來(lái)的一種新型成像技術(shù)；與傳統(tǒng)的成像技術(shù)相比，散射成像是對(duì)散斑光場(chǎng)和物光場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)測(cè)量，屬于光場(chǎng)的二階關(guān)聯(lián)（一種強(qiáng)度波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)相關(guān)）。

散射成像是將經(jīng)過(guò)目標(biāo)物體的信號(hào)光強(qiáng)（桶探測(cè)器測(cè)探的物光光強(qiáng)值）與未經(jīng)過(guò)物體的參考光場(chǎng)（CCD探測(cè)的贗熱光場(chǎng)或計(jì)算的散斑分布光場(chǎng)）通過(guò)建立二階關(guān)聯(lián)算法模型、進(jìn)行關(guān)聯(lián)計(jì)算，從而重構(gòu)出物體的像。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了探測(cè)和成像的分離，是一種非定域的成像方式,即離物成像，故也被稱為鬼成像。

散射成像實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

目前，散射成像以其非定域性、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)得到研究人員的廣泛關(guān)注，在三維成像、遙感成像、生物醫(yī)療、國(guó)防軍事等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

散射成像原理

在傳統(tǒng)的散射成像裝置中，激光通過(guò)旋轉(zhuǎn)毛玻璃片得到贗熱光場(chǎng)，兩束關(guān)聯(lián)光通過(guò)兩條不同的光路進(jìn)行傳播，其中一束光照射在目標(biāo)物體上，由一個(gè)沒(méi)有空間分辨率的桶探測(cè)器接收并探測(cè)，被稱為信號(hào)光束；另一條未經(jīng)過(guò)物體的光經(jīng)自由傳播后由CCD探測(cè)光強(qiáng)分布，被稱為參考光束；通過(guò)對(duì)CCD探測(cè)的光強(qiáng)分布信息與桶探測(cè)器探測(cè)的總光強(qiáng)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)計(jì)算，便可重建得到目標(biāo)物體的像。

贗熱光關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)如下圖所示：

熱光關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)光路圖

基于空間光調(diào)制器（SLM）的散射成像原理是用SLM來(lái)替代傳統(tǒng)散射成像實(shí)驗(yàn)中的旋轉(zhuǎn)毛玻璃，使用SLM對(duì)照明光場(chǎng)進(jìn)行人為的控制，根據(jù)標(biāo)量衍射理論可計(jì)算出面探測(cè)器CCD接收到的從SLM反射的光強(qiáng)分布，這樣不僅可省去參考光路，還一定程度簡(jiǎn)化了計(jì)算量,因而優(yōu)化了散射成像系統(tǒng)。

計(jì)算散射成像系統(tǒng)如下圖所示：

計(jì)算關(guān)聯(lián)鬼成像系統(tǒng)光路圖

散射成像產(chǎn)品

本系統(tǒng)中是用SLM來(lái)替代傳統(tǒng)散射成像實(shí)驗(yàn)中的旋轉(zhuǎn)毛玻璃來(lái)實(shí)現(xiàn)贗熱光場(chǎng)的制備。使用SLM對(duì)照明光場(chǎng)進(jìn)行人為的控制，根據(jù)標(biāo)量衍射理論可計(jì)算出面探測(cè)器CCD接收到的從SLM反射的光強(qiáng)分布，這樣不僅可省去參考光路，還一定程度簡(jiǎn)化了計(jì)算量,因而優(yōu)化了散射成像系統(tǒng)。

散射成像系統(tǒng)

系統(tǒng)配套軟件

系統(tǒng)功能

可模擬實(shí)現(xiàn)經(jīng)典關(guān)聯(lián)成像的效果：通過(guò)本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)空間光調(diào)制器對(duì)光場(chǎng)的控制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可獲得圖像信號(hào)數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出成像效果；

可拓展多種形式鬼成像的統(tǒng)計(jì)光學(xué)模型，可建立經(jīng)典熱光/贗熱光鬼成像與空間光調(diào)制器鬼成像的統(tǒng)計(jì)光學(xué)模型，進(jìn)而可在理論方面從光強(qiáng)起伏的關(guān)聯(lián)函數(shù)中重現(xiàn)物體的像；

軟件可直接通信CCD（COMS）相機(jī)和示波器（桶探測(cè)器信號(hào)通過(guò)示波器來(lái)采集），可對(duì)CCD相機(jī)采集的圖片、示波器采集信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)處理；也具有將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出的功能；

軟件帶有隨機(jī)散斑圖自動(dòng)生成功能，可將隨機(jī)散斑圖加載到SLM上；散斑圖數(shù)量可設(shè)置，圖像分辨率可調(diào)；

可將外部設(shè)計(jì)的算法圖像導(dǎo)入軟件并加載到SLM上；

軟件具有關(guān)聯(lián)（重構(gòu)）計(jì)算功能，可將CCD相機(jī)采集的圖片和示波器采集信號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理，從而計(jì)算（重構(gòu)）出物體的像。

實(shí)驗(yàn)效果

基于開(kāi)發(fā)的計(jì)算鬼成像光學(xué)系統(tǒng)及配套軟件，可快速的進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試及驗(yàn)證。系統(tǒng)測(cè)試的效果如下圖所示。

傳統(tǒng)雙光路鬼成像重構(gòu)像

應(yīng)用領(lǐng)域

本技術(shù)以其非定域性、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)得到研究人員的廣泛關(guān)注，并在光學(xué)加密、三維成像、遙感成像、生物醫(yī)療、國(guó)防軍事等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

審核編輯 黃宇