[發明專利]基于非瑞利散斑場的關聯成像光譜相機及其成像方法

有效

• 申請號: 201811417024.1
• 申請日: 2018-11-26
• 公開（公告）號: CN109520619B
• 公開（公告）日: 2021-03-02
• 發明（設計）人: 韓申生;劉盛盈;劉震濤;吳建榮;李恩榮;沈夏
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種基于非瑞利散斑場的關聯成像光譜相機及其成像方法，該裝置包括前置成像鏡、分束器、帶通濾波片、監視探測器、偏振器、分束器、空間光調制器、面陣探測器和計算機。本發明利用光路可逆的特性，能夠在無透鏡的條件下生成非瑞利散斑場，并將其應用到基于壓縮感知的關聯成像光譜相機中，其中利用超瑞利散斑場進行成像能夠在低信噪比條件下提高重構圖像的質量和分辨率。

技術領域

本發明涉及生成非瑞利散斑場的方法和裝置，特別是一種基于非瑞利散斑場的關聯成像光譜相機及其成像方法。

背景技術

當采用相干光照射到散射介質時，在透射或者反射方向能夠觀察到明暗相間的散斑圖案，散斑的產生是由散射微粒的散射子波空間相干形成的。散斑形成的本質是一種波動現象，現已經觀察到不同性質的各種波都能產生散斑，包括超聲波、微波、光波、x射線和物質波。若散射介質的表面起伏大于入射光的波長，散斑場顯示出通用的統計特性，稱為瑞利統計，此時散斑場的幅度遵從瑞利分布，強度遵從負指數分布。這種類型的統計在以下相當一般的條件下非常常見：(i)散斑場是由大量具有獨立變化的幅度和相位的分波相加而成；(ii)相位值和幅度值無關；(iii)相位均勻地分布在2π的范圍內。

然而對于許多基礎研究和應用領域需要調控散斑場的統計分布和光強分布，這些散斑場的光強統計分布總是偏離瑞利統計分布，即非瑞利散斑場。根據散斑場對比度的大小，將非瑞利散斑場分為超瑞利散斑場(對比度大于1)和亞瑞利散斑場(對比度小于1)。美國耶魯大學的 Bromberg和Cao采用定制的強度統計產生具有增強或減弱對比度的散斑圖案，即非瑞利散斑場。非瑞利散斑場在結構照明成像中具有廣泛的潛在應用，例如動態散斑照明顯微鏡，超分辨成像等。其中超瑞利散斑場具有高對比度和強抗噪能力，使得其在散斑成像領域具有重要的應用價值，例如在作為贗熱光源的散斑成像中，高對比度的超瑞利散斑場可以提高高階關聯成像的圖像質量。

中科院上海光機所的韓申生研究組提出的基于隨機光柵的壓縮感知寬波段高光譜成像系統(專利號：ZL201410348475.X)能夠單次曝光獲得寬波段光譜圖像信息。然而，該系統采用瑞利散斑場，因此無法在低信噪比下獲得高質量的重構圖像。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提出一種基于非瑞利散斑場的關聯成像光譜相機及其成像方法。利用光路可逆的特性，在無透鏡的條件下，可以在空間光調制器后任意距離處得到非瑞利的散斑場，結合硬件成像系統及重構算法，其中利用超瑞利散斑場可以在低信噪比下得到高質量的重構圖像。

本發明的技術解決方案如下：

一種基于非瑞利散斑場的關聯成像光譜相機，包括前置成像鏡、分束器、帶通濾波片、監視探測器和計算機，其特點在于，還包括偏振器、分束器、空間光調制器和面陣探測器，所述的偏振器、分束器和空間光調制器依次位于所述的前置成像鏡的成像面后，所述的計算機分別與所述的監視探測器、空間光調制器和面陣探測器相連；

入射光依次經所述的前置成像鏡和分束鏡后分為透射光和反射光，沿反射光方向是監視探測器，透射光依次通過所述的帶通濾波片、偏振器和分束器后入射到空間光調制器，經空間光調制器調制后沿原光路返回入射到所述的分束器，經該分束器反射后，入射到所述的面陣探測器。

所述的空間光調制器作為純相位調制器，通過在空間光調制器上加載不同分布的相位圖，從而產生不同分布特性的散斑場。

所述的空間光調制器也可以替換為預先根據所需的相位分布而設計的其他相位調制板。

利用上述基于非瑞利散斑場的關聯成像光譜相機的成像方法，其特點在于：該成像方法包括如下步驟：

步驟一、利用計算機仿真通過將平面波經過相位均勻分布在(0～2π) 的隨機相位調制器，生成瑞利散斑場E_Ray；