[發(fā)明專利]基于散射介質(zhì)和空間光調(diào)制器共同調(diào)制的單像素成像系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110305111.3
• 申請日: 2021-03-19
• 公開（公告）號: CN113163082B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 雷雪林;馬曉珊;楊震;彭曉東
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心
• 主分類號: H04N5/225
• 分類號: H04N5/225
• 代理公司: 北京方安思達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11472
• 代理人: 陳琳琳;楊青

本發(fā)明公開了基于散射介質(zhì)和空間光調(diào)制器共同調(diào)制的單像素成像系統(tǒng)，包括：激光器、擴束器、空間光調(diào)制器、霧室、分光棱鏡、CCD相機、光電倍增管和成像模塊；激光器用于發(fā)射激光；擴束器用于對激光進行擴束；空間光調(diào)制器用于利用預(yù)注入的Hadamard矩陣的調(diào)制樣式對擴束后的激光進行調(diào)制；霧室用于對空間光調(diào)制器調(diào)制后的激光再進行一次散射介質(zhì)的調(diào)制；分光棱鏡用于將空間光調(diào)制器和水霧聯(lián)合調(diào)制后的光場分為兩條光路；CCD相機用于通過一條光路拍攝調(diào)制的樣式；光電倍增管，用于收集另一條光路照射目標(biāo)后的光強信號；成像模塊用于將光電倍增管收集到的光強信息轉(zhuǎn)化為電壓信號，結(jié)合CCD相機拍攝的調(diào)制樣式，經(jīng)過壓縮感知算法將目標(biāo)圖像重建出來。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)成像，具體涉及基于散射介質(zhì)和空間光調(diào)制器共同調(diào)制的單像素成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)

透過時變散射介質(zhì)成像是許多重要領(lǐng)域都需要克服的難題。例如軍事上的對地觀測、霧霾中自動駕駛、渾濁的水下成像等等。在透明介質(zhì)中，光線是沿著直線傳播，所以攜帶的目標(biāo)信息沒有被破壞，能夠直接進行清晰的成像。但是當(dāng)光透過渾濁的散射介質(zhì)時，光線不再沿著直線傳播，而是跟著散射路徑隨機傳播，這會造成像質(zhì)量下降，甚至當(dāng)散射嚴(yán)重的時候，根本無法獲得圖像。

由于透過散射介質(zhì)成像具有十分重要的應(yīng)用，所以近年來成為了科學(xué)家們的研究熱點。當(dāng)散射作用較弱的時候，可以通過提取彈道光子來進行成像。相關(guān)的方法有：利用各類門技術(shù)，如時間門、空間門、偏振門及相干門等；設(shè)計合適的調(diào)制光源，如時間調(diào)制的照明和結(jié)構(gòu)光照明等。但是，在傳輸?shù)倪^程中，彈道光子的數(shù)量會隨著傳播距離呈指數(shù)下降，這會使得提取彈道光子的成像方法失效。后來有相關(guān)研究人員提出經(jīng)過散射介質(zhì)后的散射光子仍然包含了有效的目標(biāo)信息，因此利用散射介質(zhì)來進行目標(biāo)反演成像逐漸成為一種有效的新方法。目前應(yīng)用較為廣泛的成像方法有波前整形、散斑相關(guān)成像和基于深度學(xué)習(xí)的散射成像。波前整形的方法主要是通過先驗信息來實現(xiàn)任意期望位置的聚焦和成像，包括基于反饋的波前整形、傳輸矩陣和光學(xué)相位共軛等等，但是該類方法對成像器件像波前調(diào)制器等具有一定的要求；散斑相關(guān)的方法主要是利用散斑的一些特性(浴簾效應(yīng)、記憶效應(yīng))來對圖像進行反演成像，該類方法適用于散射介質(zhì)較薄的情況；深度學(xué)習(xí)具有強大的端到端的擬合能力，能夠自主的學(xué)習(xí)散射介質(zhì)系統(tǒng)的散斑輸入和圖像輸出之間的復(fù)雜函數(shù)映射關(guān)系，極大的簡化了透過散射介質(zhì)成像的過程。但是該類方法的局限是對訓(xùn)練集過度的依賴，且無法說明其中物理的機理。綜上所述，對于時變強散射介質(zhì)的光學(xué)成像的問題，目前還沒有十分有效的解決方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對時變強散射介質(zhì)下光學(xué)成像的難題，本發(fā)明提出基于散射介質(zhì)和空間光調(diào)制器共同調(diào)制的單像素成像系統(tǒng)及方法；首先是DMD對準(zhǔn)直擴大后的激光光源進行調(diào)制，然后穿過充滿水霧的煙霧箱(1×0.8×0.6m³)被時變散射介質(zhì)調(diào)制，最后分光棱鏡將聯(lián)合調(diào)制后的光一分為二，一路被工業(yè)相機CCD拍攝作為調(diào)制矩陣，另外一路到達(dá)目標(biāo)后被單像素探測器收集，將兩路探測器采集到的相關(guān)信息配合單像素算法重構(gòu)出目標(biāo)圖像。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種基于散射介質(zhì)和空間光調(diào)制器共同調(diào)制的單像素成像系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：激光器、擴束器、空間光調(diào)制器、霧室、分光棱鏡、CCD相機、光電倍增管和成像模塊；

所述激光器，用于發(fā)射激光；所述擴束器，用于對激光進行擴束；

所述空間光調(diào)制器，用于利用預(yù)注入的Hadamard矩陣的調(diào)制樣式對擴束后的激光進行調(diào)制；

所述霧室，用于對空間光調(diào)制器調(diào)制后的激光再進行一次散射介質(zhì)的調(diào)制；霧室里充滿水霧，并設(shè)置一個能夠360度旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇，用于增加水霧變化強度；

所述分光棱鏡，用于將空間光調(diào)制器和水霧聯(lián)合調(diào)制后的光場分為兩條光路；

所述CCD相機，用于通過一條光路拍攝聯(lián)合調(diào)制樣式，發(fā)送至成像模塊；

所述光電倍增管，用于收集另一條光路照射目標(biāo)后的光強信號，發(fā)送至成像模塊；