基于計算鬼成像的高分辨率微視覺系統(tǒng)及獲取圖像的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開基于計算鬼成像的高分辨率微視覺系統(tǒng)及獲取圖像的方法，系統(tǒng)在光路上依次包括激光光源、第一光闌、激光擴束鏡、準直透鏡、第二光闌、起偏器、空間光調制器、檢偏器、第三光闌、反光鏡、分束鏡、會聚透鏡、CCD相機；還包括位于分束鏡另一光路上的精密定位載物臺；精密定位載物臺與計算機連接，計算機還分別與空間光調制器與CCD相機連接，計算機通過計算鬼成像技術獲取高分辨率圖像。本發(fā)明結構簡單緊湊，由于采用光場強度關聯(lián)測量恢復物體信息，消除了經(jīng)典光學系統(tǒng)成像畸變的問題，可以獲得高準確度和對比度的圖像。本發(fā)明非常有利于微視覺系統(tǒng)的設計及鬼成像技術的研究。
【專利說明】
基于計算鬼成像的高分辨率微視覺系統(tǒng)及獲取圖像的方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及計算機微視覺領域，具體涉及一種基于計算鬼成像的高分辨率微視覺 系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 計算機微視覺系統(tǒng)是集光學顯微鏡、視覺成像和計算機視覺技術為一體的可實現(xiàn) 實時、可視化檢測的測量平臺。微視覺系統(tǒng)的構成主要包括光學顯微鏡、光源、攝像機、圖像 采集卡、精密定位載物臺等硬件以及圖像處理軟件。其原理是通過顯微鏡和成像設備(CCD 攝像機、圖像采集卡等)把被測對象的圖像采集到計算機，接著運用圖像處理技術、計算機 視覺或人工智能等技術對采集到的圖像進行處理、識別等操作，從而完成微視覺系統(tǒng)所要 求的任務。這種微視覺系統(tǒng)在微觀測量、成像等領域有著廣泛的應用。
[0003] 隨著科技的不斷發(fā)展，人們對微觀世界的研究已經(jīng)由微米級、亞微米級進入到納 米級階段，光學分辨極限的限制逐漸凸現(xiàn)出來，極大地限制了計算機微視覺技術的進一步 應用。雖然目前已有多種超分辨成像技術被實現(xiàn)，但是這些方法的成功實施往往需要特殊 的條件及硬件支持，使用范圍受到一定的限制。面對這些問題，各種新的解決方案被提出 來。一方面，直接發(fā)展新的顯微成像技術，例如借助短波長電子的掃描電子顯微鏡，原子力 顯微鏡，熒光顯微鏡等等；另一方面，研究可以突破衍射極限的光學顯微成像方法，如量子 成像，熱光鬼成像，結構光成像技術等等。
[0004] 鬼成像(ghost imaging)，是一種利用雙光子符合探測恢復待測物體空間信息的 新型成像技術。傳統(tǒng)的光學是基于光場的一階關聯(lián)(強度與位相)獲得信息，而鬼成像利用 的光場的二階或者高階關聯(lián)，并結合符合測量技術獲取成像信息。鬼成像可以實現(xiàn)非定域 成像，無透鏡成像，抗大氣湍流成像等成像方案，引起了人們的廣泛關注。經(jīng)典成像系統(tǒng)的 分辨率受到光學衍射極限的制約，而鬼成像技術具有超越經(jīng)典分辨率極限的能力，尤其是 近年來出現(xiàn)的計算鬼成像，對鬼成像技術的實用化有巨大的推進作用。因此將計算鬼成像 技術應用到微視覺系統(tǒng)具有十分重要的意義。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對經(jīng)典微視覺系統(tǒng)的分辨率受到光學衍射極限制約的問題，本發(fā)明提供了一種 基于計算鬼成像的高分辨率微視覺系統(tǒng)。該系統(tǒng)結構緊湊，安裝方便，抗干擾能力強，結合 計算鬼成像技術，能夠突破經(jīng)典光學系統(tǒng)的衍射極限，使系統(tǒng)分辨率不受透鏡孔徑尺寸限 制，成像分辨率和對比度高。
[0006] 本發(fā)明的目的通過如下技術方案實現(xiàn)。
[0007] -種基于計算鬼成像的高分辨率微視覺系統(tǒng)，在光路上依次包括激光光源、第一 光闌、激光擴束鏡、準直透鏡、第二光闌、起偏器、空間光調制器、檢偏器、第三光闌、反光鏡、 分束鏡、會聚透鏡、CCD相機;還包括位于分束鏡另一光路上的精密定位載物臺；精密定位載 物臺與計算機連接，計算機還分別與空間光調制器與CCD相機連接，計算機通過計算鬼成像 技術獲取高分辨率圖像。
[0008] 所述的利用計算鬼成像技術獲取圖像，其實現(xiàn)步驟如下：
[0009] 1.利用空間光調制器對激光光強進行調制。
[0010] 通過計算機生成K張 MXM的隨機散斑圖，散斑圖的中心是一個NXN有效散斑區(qū)域， 且NSM，有效散斑區(qū)域的周圍區(qū)域為白色，然后將散斑圖轉換為全息圖并存儲到硬盤。取一 張全息圖加載到空間光調制器上，并調節(jié)激光源、光闌、激光擴束鏡以及準直透鏡，使激光 擴束鏡產(chǎn)生的光斑可以完全覆蓋加載到空間光調制器上有效全息區(qū)域(對應散斑圖上的有 效散斑區(qū)域）。通過不斷的加載新的全息圖，可以實現(xiàn)對激光光強的調制。
[0011] 2.利用CCD相機采集物體表面的光強強度變化。
[0012]調節(jié)精密控制載物臺，確保被測物體的目標區(qū)域完全被激光束覆蓋。接著調整會 聚透鏡以及CCD相機的位置，使CCD相機能夠接收到被測物體目標區(qū)域的反射光。然后通過 計算機控制空間光調制器與CCD相機同步工作，即空間光調制器每加載一副全息圖，CCD相 機就立即拍下被測物體目標區(qū)域的光強變化，并將對應的圖片保存。將得到的圖片的所有 像素的灰度值累加，記為m，i表示測量的次數(shù)，由此可得到測試光路的光強漲落信息。
[0013] 3.通過計算機模擬獲取參考光路光強漲落信息。
[0014] 激光束未經(jīng)空間光調制器調制時，在空間光調制器平面處的場強為Es(Xs，y s);激 光束經(jīng)過空間光調制器調制后，其場強為
[0015] E〇(x,y)=Es(xs,ys)Em(x,y)
[0016] 上式中Em(x，y)表示用于調制的場強。
[0017] 激光束經(jīng)過空間光調制器調制后，在參考光路C⑶相機處的場強為
[0019] 上式中（1，3〇，（^，^)分別表示(〇相機平面、空間光調制器平面的直角坐標辦表 示CCD相機到空間光調制器的距離;λ為激光的波長;Ε〇(χ， 7)表示激光束經(jīng)空間光調制器調 制后的場強。
[0020] 由上式可以得到CCD相機處的光強為
[0021] Ir(x,y)=Er(x,y)Er*(x,y)
[0022] 4.進行強度關聯(lián)運算，獲取被測物體圖像。
[0023] 將2和3中得到的測試光路和參考光路的光強漲落信息進行關聯(lián)，即
[0025] 上式中
*N表示測量次數(shù)。
[0031] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果及優(yōu)點:本發(fā)明設計出一個結構簡單、安裝方 便、易于操作的微視覺系統(tǒng)。通過采用基于光場強度關聯(lián)測量恢復物體信息的鬼成像技 術，可以克服經(jīng)典光學系統(tǒng)普遍存在的衍射極限問題，實現(xiàn)高分辨率成像。同時，由于采用 計算鬼成像技術，相比于傳統(tǒng)的鬼成像技術，系統(tǒng)的結構得到了簡化，實用性更強。另外，由 于采用光場強度關聯(lián)測量恢復物體信息，消除了經(jīng)典光學系統(tǒng)成像畸變的問題，可以獲得 高準確度和對比度的圖像。本發(fā)明非常有利于微視覺系統(tǒng)的設計及鬼成像技術的研究。
【附圖說明】
[0032] 圖1為實施方式中微視覺系統(tǒng)的組成示意圖。
[0033] 圖2為實施方式中計算機模擬散斑的示意圖。
[0034] 圖3為實施方式中激光束與散斑位置關系的示意圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的內容進行詳細的描述，但本發(fā)明的實際應用形 式并不僅限于下述的實施例。
[0036] 如圖1所示，本發(fā)明提供了一種基于計算鬼成像的高分辨率微視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)由 激光光源101、光闌（102,105,109)、激光擴束鏡103、準直透鏡104、起偏器106、空間光調制 器107、檢偏器108、反光鏡110、會聚透鏡111、C⑶相機112、分束鏡113、計算機114、精密定位 載物臺115組成。所述的系統(tǒng)利用計算鬼成像技術獲取高分辨率圖像。
[0037] 所述的利用計算鬼成像技術獲取圖像，其實現(xiàn)步驟如下：
[0038] 1.利用空間光調制器對激光光強進行調制。
[0039] 通過計算機生成8000張900X900的隨機散斑圖，散斑圖的中心是一個360X360有 效散斑區(qū)域201，有效散斑區(qū)域的周圍區(qū)域202為白色，如圖2所示。然后將散斑圖轉換為全 息圖并存儲到硬盤。取一張全息圖加載到空間光調制器107上，并調節(jié)激光源101、光闌 (102,105)、激光擴束鏡103以及準直透鏡104,使激光擴束鏡產(chǎn)生的光斑301可以完全覆蓋 加載到空間光調制器上有效全息區(qū)域(對應散斑圖上的有效散斑區(qū)域），如圖3所示。通過不 斷的加載新的全息圖，可以實現(xiàn)對激光光強的調制。
[0040] 2.利用CCD相機采集物體表面的光強強度變化。
[0041 ]調節(jié)精密定位載物臺115，確保被測物體的目標區(qū)域完全被激光束覆蓋。接著調整 會聚透鏡111以及CCD相機112的位置，使CCD相機能夠接收到被測物體目標區(qū)域的反射光。 然后通過計算機控制空間光調制器與CCD相機同步工作，即空間光調制器每加載一副全息 圖，CCD相機就立即拍下被測物體目標區(qū)域的光強變化，并將對應的圖片保存。將所得到的 圖片的所有像素的灰度值累加，記為Bni表示測量的次數(shù)，由此可得到測試光路的光強漲 落信息。
[0042] 3.通過計算機模擬獲取參考光路光強漲落信息。
[0043] 激光束未經(jīng)空間光調制器調制時，在空間光調制器平面處的場強為Es(Xs，ys);激 光束經(jīng)過空間光調制器調制后，其場強為
[0044] E〇(x,y)=Es(xs,ys)Em(x,y)
[0045] 上式中Em(x，y)表示用于調制的場強；
[0046] 激光束經(jīng)過空間光調制器調制后，在參考光路C⑶相機處的場強為
[0048]上式中（^7)，（^&)分別表示00)相機平面、空間光調制器平面的直角坐標辦= 800cm表示CCD相機到空間光調制器的距離;λ = 635ηηι為激光的波長;Es(xs，ys)表示激光束 在空間光調制器平面處的場強。
[0049] 由上式可以得到CCD相機平面處的光強為
[0050] Ir(x,y)=Er(x,y)Er*(x,y)
[0051] 上式中Er(x，y)表示激光束經(jīng)過空間光調制器調制后在參考光路CCD相機處的場 強，E/(x，y)表示E r(x，y)的共輒函數(shù)。
[0052] 4.進行強度關聯(lián)運算，獲取被測物體圖像。
[0053] 將2和3中得到的測試光路和參考光路的光強漲落信息進行關聯(lián)，即
[0055] 上式中
，/:&,./)需結合上標進行定義說明表示第i次運算得到的 參考光路CCD相機處的光強。
[0056] 對G(x，y)進行歸一化，即
[0057] Gfinai(x,y)=G(x,y)/max(G(x,y))(
[0058] 11^1(6(1，7))表示取6(1，7)中的最大值。
[0059] 由上式可以得到被測物體目標區(qū)域的圖像信息，即Gfinal(x，y)。
[0060] 圖1為實施方式中微視覺系統(tǒng)的組成示意圖。其中包括激光光源101、光闌（102， 105，109 )、激光擴束鏡103、準直透鏡104、起偏器106、空間光調制器107、檢偏器108、反光鏡 110、會聚透鏡111、C⑶相機112、分束鏡113、計算機114、精密定位載物臺115。
[0061] 圖2為實施方式中計算機模擬散斑的示意圖，其中201為所述的有效散斑區(qū)域，202 為有效散斑區(qū)域的周圍區(qū)域。
[0062] 圖3為實施方式中激光束與散斑位置關系的示意圖，其中301為激光擴束鏡產(chǎn)生的 光斑。
[0063] 本發(fā)明結合計算鬼成像技術，能夠突破經(jīng)典光學系統(tǒng)的衍射極限，獲得高分辨率 和對比度的圖像。
【主權項】
1. 一種基于計算鬼成像的高分辨率微視覺系統(tǒng)，其特征是在光路上依次包括激光光 源、第一光闊、激光擴束鏡、準直透鏡、第二光闊、起偏器、空間光調制器、檢偏器、第Ξ光闊、 反光鏡、分束鏡、會聚透鏡、CCD相機;還包括位于分束鏡另一光路上的精密定位載物臺。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于計算鬼成像的高分辨率微視覺系統(tǒng)，其特征在于還 包括計算機，精密定位載物臺與計算機連接，計算機還分別與空間光調制器與CCD相機連 接，計算機通過計算鬼成像技術獲取高分辨率圖像。3. 利用權利要求1所述的一種基于計算鬼成像的高分辨率微視覺系統(tǒng)獲取圖像的方 法，其特征是包括如下步驟： (1) 利用空間光調制器對激光光強進行調制； 通過計算機生成K張 Μ X Μ的隨機散斑圖，K、M、N為正整數(shù)，散斑圖的中屯、是一個N X N有 效散斑區(qū)域，且N《M，有效散斑區(qū)域的周圍區(qū)域為白色，然后將散斑圖轉換為全息圖并存儲 到硬盤;取一張全息圖加載到空間光調制器上，并調節(jié)激光源、第一~第Ξ光闊、激光擴束 鏡W及準直透鏡，使激光擴束鏡產(chǎn)生的光斑能完全覆蓋加載到空間光調制器上有效全息區(qū) 域即對應散斑圖上的有效散斑區(qū)域;通過不斷的加載新的全息圖，能實現(xiàn)對激光光強的調 制； (2) 利用CCD相機采集物體表面的光強強度變化； 調節(jié)精密定位載物臺，使被測物體的目標區(qū)域完全被激光束覆蓋;接著調整會聚透鏡 W及CCD相機的位置，使CCD相機能夠接收到被測物體目標區(qū)域的反射光;然后通過計算機 控制空間光調制器與CCD相機同步工作，即空間光調制器每加載一副全息圖，CCD相機就立 即拍下被測物體目標區(qū)域的光強變化，并將對應的圖片保存;將得到的圖片的所有像素的 灰度值累加，記為Bi，i表示測量的次數(shù)，由此可得到測試光路的光強漲落信息； (3) 通過計算機模擬獲取參考光路光強漲落信息;激光束未經(jīng)空間光調制器調制時，在 空間光調制器平面處的場強為Es(xs，ys);激光束經(jīng)過空間光調制器調制后，其場強為 E〇(x,y) =Es(xs,ys)Em(x,y) 上式中Em(x，y)表示用于調制的場強； 激光束經(jīng)過空間光調制器調制后，在參考光路CCD相機處的場強為上式中山7)，相，73)分別表示〇：0相機平面、空間光調制器平面的直角坐標瓜表示 CCD相機到空間光調制器的距離;λ為激光的波長;ED(x，y)表示激光束經(jīng)空間光調制器調制 后的場強； 由上式可W得到CCD相機處的光強為 Ir(x，y)=Er(x，y；)Er*(x，y) 上式中Er(x，y)表示激光束經(jīng)過空間光調制器調制后在參考光路CCD相機平面處的場 強，Er*(x，y)表示Er(x，y)的共輛函數(shù)； (4) 進行強度關聯(lián)運算，獲取被測物體圖像； 將(2)和(3)中得到的測試光路和參考光路的光強漲落信息進行關聯(lián)，即上式中N表示測量次數(shù)；/,? (Λ-,.V)表示第i次測量運算得到的參考光路CCD 相機處的光強； 對G(x，y)進行歸一化，即 Gfinai(x,y)=G(x,y)/max(G(x,y)) 111曰義(6(義，7))表示取6(義，7)中的最大值； 由上式可W得到被測物體目標區(qū)域的圖像信息，即Gfinal(X，y)。
【文檔編號】G06T3/40GK106097269SQ201610409497
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月11日
【發(fā)明人】張憲民, 吳衡, 李海, 甘金強, 詹鎮(zhèn)輝, 何振亞
【申請人】華南理工大學