[发明专利]基于随机光场空间结构调控的光学成像系统及方法

说明书

本发明涉及一种基于随机光场空间结构调控的光学成像系统及方法，系统包括散射介质、第一分束偏振组件、光学测量组件和计算单元，将传输光进行散射处理得到待测光；将待测光进行分束偏振处理，一束待测光被分为x方向偏振光和y方向偏振光，另一束待测光与参考光合束后被分成x方向偏振光和y方向偏振光；测量待测光、参考光与待测光合束后以及参考光的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布；根据光强分布求得待测光的交叉谱密度，利用交叉谱密度恢复散射介质表面的光强分布，对散射介质的光强分布进行计算得到待测物的形状和位置。本发明能快速对动态物体进行成像，成像范围不受光学记忆效应的限制，无需测量整个光学系统的点扩散函数。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其是指一种基于随机光场空间结构调控的光学成像方法及系统。

背景技术

随着透过散射介质成像技术的逐渐发展，已经取得了众多突破。目前比较常用的方式是通过抑制散射光，提取从散射介质中透过的弹道光的方式进行弱散射介质成像，主要技术有自适应光学成像技术、光学相干层析技术、多光子显微以及多光谱光声层析等，这些技术的发展和应用，解决了天文成像、水下探测和生物成像等领域的问题。随着对散射机理的不断深入研究，现阶段的散射成像技术已不再侧重于分离散射光提取弹道光，而是更侧重于对散射光的利用。经过对散射光特性的充分研究，实现了从不可恢复隐藏在强散射层后的物体到可恢复散射层后的物体的质的飞跃。特别的是，透过散射介质成像技术不但在显微成像以及超分辨成像方面有着广泛的应用，同样也将在光纤成像、全息成像和光通讯等领域扮演重要的角色。

目前透过散射介质成像方法主要包括波前整形技术和基于光学记忆效应的散射成像技术两大类。其中波前整形技术包括光学相位共辄、基于反馈优化的波前整形技术和光学传输矩阵技术三部分。基于光学记忆效应的散射成像技术，包含散斑相关成像技术和点扩散函数工程成像技术两部分。

波前整形技术的重点在于研究光在散射介质中传播特性，利用数学的形式对散射介质特性进行定量或定性表示，为散射效应的利用奠定了基础。但是依赖于波前整形技术透过散射介质成像的方法存在能量利用率低，过程复杂且耗时以及实时性有待提高的缺陷，因此无法对隐藏在散射介质后的物体进行实时的观测。

基于光学记忆效应的散射成像技术的本质在于充分利用散斑能量以及散斑分布特点进行透过散射介质成像。其中在散斑相关成像技术中有学者提出无侵入透过散射层成像方法，当目标尺寸在光学记忆效应范围内，即可利用光学相机记录散射介质后的散斑，即光强信息，将整个光学系统视作空间平移不变点扩散函数（PSF）的非相干系统，那么散斑可以写成目标信息与系统点扩散函数的卷积形式。通过对光强自相关运算，便可获取隐藏在散射介质后物体目标的傅立叶振幅信息，进而结合有效的相位恢复算法实现对目标的重建。与波前整形技术相比，该方法无需测量散射成像系统的先验信息，换言之，该方法不需要参考光路辅助成像，无需在散射介质后或者内部植入光源。但是目标尺寸的成像范围受到光学记忆效应的限制，无法对尺寸较大的物体进行成像。另外在扩散函数工程成像技术中有学者提出通过测量系统的点扩散函数，利用 Lucy-Richardson 去卷积迭代非线性复原方法，实现了透过散射介质成像。还有学者提出借鉴天文成像所应用的相位多样性的散斑成像方法，通过获取多张不同像平面的散斑信息，在无参考的情况下，联合估算获得整个散射光学系统的点扩散函数，进而通过去卷积技术实现了透过散射介质成像。但是点扩散函数工程成像技术都需要提前获取系统的点扩散函数，其成像效果依赖于所获取系统的点扩散函数的准确性，在成像过程中要保证散射介质的稳定性，且仅适用于静态散射介质成像。

综上所述，目前急需一种能够快速对动态物体进行成像、成像范围不受光学记忆效应的限制以及无需测量整个光学系统的点扩散函数的成像系统及其方法。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中动态物体成像效率低、成像范围受到光学记忆效应的限制以及需要测量整个光学系统的点扩散函数的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于随机光场空间结构调控的光学成像系统，包括：