本實用新型涉及計算機微視覺領(lǐng)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(shù)：

計算機微視覺系統(tǒng)是集光學(xué)顯微鏡、視覺成像和計算機視覺技術(shù)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(gòu)成主要包括光學(xué)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(shè)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(shù)、計算機視覺或人工智能等技術(shù)對采集到的圖像進(jìn)行處理、識別等操作，從而完成微視覺系統(tǒng)所要求的任務(wù)。這種微視覺系統(tǒng)在微觀測量、成像等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

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(jìn)入到納米級階段，光學(xué)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(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。雖然目前已有多種超分辨成像技術(shù)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(shù)，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(xué)顯微成像方法，如量子成像，熱光鬼成像，結(jié)構(gòu)光成像技術(shù)等等。

鬼成像(ghost imaging),是一種利用雙光子符合探測恢復(fù)待測物體空間信息的新型成像技術(shù)。傳統(tǒng)的光學(xué)是基于光場的一階關(guān)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(guān)聯(lián)，并結(jié)合符合測量技術(shù)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(guān)注。經(jīng)典成像系統(tǒng)的分辨率受到光學(xué)衍射極限的制約，而鬼成像技術(shù)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(shù)的實用化有巨大的推進(jìn)作用。因此將計算鬼成像技術(shù)應(yīng)用到微視覺系統(tǒng)具有十分重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對經(jīng)典微視覺系統(tǒng)的分辨率受到光學(xué)衍射極限制約的問題，本實用新型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(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，抗干擾能力強，結(jié)合計算鬼成像技術(shù)，能夠突破經(jīng)典光學(xué)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。

本實用新型的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)。

一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(zhǔn)直透鏡、第二光闌、起偏器、空間光調(diào)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(diào)制器與CCD相機連接，計算機通過計算鬼成像技術(shù)獲取高分辨率圖像。

所述的利用計算鬼成像技術(shù)獲取圖像，其實現(xiàn)步驟如下：

1.利用空間光調(diào)制器對激光光強進(jìn)行調(diào)制。

通過計算機生成K張M×M的隨機散斑圖，散斑圖的中心是一個N×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(zhuǎn)換為全息圖并存儲到硬盤。取一張全息圖加載到空間光調(diào)制器上，并調(diào)節(jié)激光源、光闌、激光擴束鏡以及準(zhǔn)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(diào)制器上有效全息區(qū)域(對應(yīng)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(diào)制。

2.利用CCD相機采集物體表面的光強強度變化。

調(diào)節(jié)精密控制載物臺，確保被測物體的目標(biāo)區(qū)域完全被激光束覆蓋。接著調(diào)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(biāo)區(qū)域的反射光。然后通過計算機控制空間光調(diào)制器與CCD相機同步工作，即空間光調(diào)制器每加載一副全息圖，CCD相機就立即拍下被測物體目標(biāo)區(qū)域的光強變化，并將對應(yīng)的圖片保存。將得到的圖片的所有像素的灰度值累加，記為B_i，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(diào)制器調(diào)制時，在空間光調(diào)制器平面處的場強為E_s(x_s,y_s)；激光束經(jīng)過空間光調(diào)制器調(diào)制后，其場強為

E_o(x,y)＝E_s(x_s,y_s)E_m(x,y)

上式中E_m(x,y)表示用于調(diào)制的場強。

激光束經(jīng)過空間光調(diào)制器調(diào)制后，在參考光路CCD相機處的場強為

上式中(x,y)，(x_s,y_s)分別表示CCD相機平面、空間光調(diào)制器平面的直角坐標(biāo)；D_r表示CCD相機到空間光調(diào)制器的距離；λ為激光的波長；E_o(x,y)表示激光束經(jīng)空間光調(diào)制器調(diào)制后的場強。

由上式可以得到CCD相機處的光強為

I_r(x,y)＝E_r(x,y)E_r^*(x,y)

4.進(jìn)行強度關(guān)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(jìn)行關(guān)聯(lián)，即

上式中N表示測量次數(shù)。

對G(x,y)進(jìn)行歸一化，即

G_final(x,y)＝G(x,y)/max(G(x,y))

max(G(x,y))表示取G(x,y)中的最大值。

由上式可以得到被測物體目標(biāo)區(qū)域的圖像信息。

采用上述技術(shù)方案后，可以設(shè)計出一個結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便的微視覺系統(tǒng)。結(jié)合計算鬼成像技術(shù)，能夠突破經(jīng)典光學(xué)系統(tǒng)的衍射極限，獲得高分辨率和對比度的圖像。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果及優(yōu)點：本實用新型設(shè)計出一個結(jié)構(gòu)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(guān)聯(lián)測量恢復(fù)物體信息的鬼成像技術(shù)，可以克服經(jīng)典光學(xué)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(shù)，相比于傳統(tǒng)的鬼成像技術(shù)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)得到了簡化，實用性更強。另外，由于采用光場強度關(guān)聯(lián)測量恢復(fù)物體信息，消除了經(jīng)典光學(xué)系統(tǒng)成像畸變的問題，可以獲得高準(zhǔn)確度和對比度的圖像。本實用新型非常有利于微視覺系統(tǒng)的設(shè)計及鬼成像技術(shù)的研究。

附圖說明

圖1為實施方式中微視覺系統(tǒng)的組成示意圖。

圖2為實施方式中計算機模擬散斑的示意圖。

圖3為實施方式中激光束與散斑位置關(guān)系的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的描述，但本實用新型的實際應(yīng)用形式并不僅限于下述的實施例，本實用新型的關(guān)鍵在于提高高分辨率微視覺系統(tǒng)，以下涉及的計算或軟件部分是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實際情況編程實現(xiàn)的。

如圖1所示，本實用新型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(zhǔn)直透鏡104、起偏器106、空間光調(diào)制器107、檢偏器108、反光鏡110、會聚透鏡111、CCD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(shù)獲取高分辨率圖像。

所述的利用計算鬼成像技術(shù)獲取圖像，其實現(xiàn)步驟如下：

1.利用空間光調(diào)制器對激光光強進(jìn)行調(diào)制。

通過計算機生成8000張900×900的隨機散斑圖，散斑圖的中心是一個360×360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(zhuǎn)換為全息圖并存儲到硬盤。取一張全息圖加載到空間光調(diào)制器107上，并調(diào)節(jié)激光源101、光闌(102，105)、激光擴束鏡103以及準(zhǔn)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(diào)制器上有效全息區(qū)域(對應(yīng)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(diào)制。

2.利用CCD相機采集物體表面的光強強度變化。

調(diào)節(jié)精密定位載物臺115，確保被測物體的目標(biāo)區(qū)域完全被激光束覆蓋。接著調(diào)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(biāo)區(qū)域的反射光。然后通過計算機控制空間光調(diào)制器與CCD相機同步工作，即空間光調(diào)制器每加載一副全息圖，CCD相機就立即拍下被測物體目標(biāo)區(qū)域的光強變化，并將對應(yīng)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B_i，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(diào)制器調(diào)制時，在空間光調(diào)制器平面處的場強為E_s(x_s,y_s)；激光束經(jīng)過空間光調(diào)制器調(diào)制后，其場強為

E_o(x,y)＝E_s(x_s,y_s)E_m(x,y)

上式中E_m(x,y)表示用于調(diào)制的場強；

激光束經(jīng)過空間光調(diào)制器調(diào)制后，在參考光路CCD相機處的場強為

上式中(x,y)，(x_s,y_s)分別表示CCD相機平面、空間光調(diào)制器平面的直角坐標(biāo)；D_r＝800cm表示CCD相機到空間光調(diào)制器的距離；λ＝635nm為激光的波長；E_s(x_s,y_s)表示激光束在空間光調(diào)制器平面處的場強。

由上式可以得到CCD相機平面處的光強為

I_r(x,y)＝E_r(x,y)E_r^*(x,y)

上式中E_r(x,y)表示激光束經(jīng)過空間光調(diào)制器調(diào)制后在參考光路CCD相機處的場強，E_r^*(x,y)表示E_r(x,y)的共軛函數(shù)。

4.進(jìn)行強度關(guān)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(jìn)行關(guān)聯(lián)，即

上式中需結(jié)合上標(biāo)進(jìn)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。

對G(x,y)進(jìn)行歸一化，即

G_final(x,y)＝G(x,y)/max(G(x,y))

max(G(x,y))表示取G(x,y)中的最大值。

由上式可以得到被測物體目標(biāo)區(qū)域的圖像信息，即G_final(x,y)。

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(zhǔn)直透鏡104、起偏器106、空間光調(diào)制器107、檢偏器108、反光鏡110、會聚透鏡111、CCD相機112、分束鏡113、計算機114、精密定位載物臺115。

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。

圖3為實施方式中激光束與散斑位置關(guān)系的示意圖，其中301為激光擴束鏡產(chǎn)生的光斑。

本實用新型結(jié)合計算鬼成像技術(shù)，能夠突破經(jīng)典光學(xué)系統(tǒng)的衍射極限，獲得高分辨率和對比度的圖像。