基于计算鬼成像的高分辨率微视觉系统及获取图像的方法
【专利摘要】本发明公开基于计算鬼成像的高分辨率微视觉系统及获取图像的方法，系统在光路上依次包括激光光源、第一光阑、激光扩束镜、准直透镜、第二光阑、起偏器、空间光调制器、检偏器、第三光阑、反光镜、分束镜、会聚透镜、CCD相机；还包括位于分束镜另一光路上的精密定位载物台；精密定位载物台与计算机连接，计算机还分别与空间光调制器与CCD相机连接，计算机通过计算鬼成像技术获取高分辨率图像。本发明结构简单紧凑，由于采用光场强度关联测量恢复物体信息，消除了经典光学系统成像畸变的问题，可以获得高准确度和对比度的图像。本发明非常有利于微视觉系统的设计及鬼成像技术的研究。
【专利说明】
基于计算鬼成像的高分辨率微视觉系统及获取图像的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及计算机微视觉领域，具体涉及一种基于计算鬼成像的高分辨率微视觉 系统。
【背景技术】
[0002] 计算机微视觉系统是集光学显微镜、视觉成像和计算机视觉技术为一体的可实现 实时、可视化检测的测量平台。微视觉系统的构成主要包括光学显微镜、光源、摄像机、图像 采集卡、精密定位载物台等硬件以及图像处理软件。其原理是通过显微镜和成像设备(CCD 摄像机、图像采集卡等)把被测对象的图像采集到计算机，接着运用图像处理技术、计算机 视觉或人工智能等技术对采集到的图像进行处理、识别等操作，从而完成微视觉系统所要 求的任务。这种微视觉系统在微观测量、成像等领域有着广泛的应用。
[0003] 随着科技的不断发展，人们对微观世界的研究已经由微米级、亚微米级进入到纳 米级阶段，光学分辨极限的限制逐渐凸现出来，极大地限制了计算机微视觉技术的进一步 应用。虽然目前已有多种超分辨成像技术被实现，但是这些方法的成功实施往往需要特殊 的条件及硬件支持，使用范围受到一定的限制。面对这些问题，各种新的解决方案被提出 来。一方面，直接发展新的显微成像技术，例如借助短波长电子的扫描电子显微镜，原子力 显微镜，荧光显微镜等等；另一方面，研究可以突破衍射极限的光学显微成像方法，如量子 成像，热光鬼成像，结构光成像技术等等。
[0004] 鬼成像(ghost imaging)，是一种利用双光子符合探测恢复待测物体空间信息的 新型成像技术。传统的光学是基于光场的一阶关联(强度与位相)获得信息，而鬼成像利用 的光场的二阶或者高阶关联，并结合符合测量技术获取成像信息。鬼成像可以实现非定域 成像，无透镜成像，抗大气湍流成像等成像方案，引起了人们的广泛关注。经典成像系统的 分辨率受到光学衍射极限的制约，而鬼成像技术具有超越经典分辨率极限的能力，尤其是 近年来出现的计算鬼成像，对鬼成像技术的实用化有巨大的推进作用。因此将计算鬼成像 技术应用到微视觉系统具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0005] 针对经典微视觉系统的分辨率受到光学衍射极限制约的问题，本发明提供了一种 基于计算鬼成像的高分辨率微视觉系统。该系统结构紧凑，安装方便，抗干扰能力强，结合 计算鬼成像技术，能够突破经典光学系统的衍射极限，使系统分辨率不受透镜孔径尺寸限 制，成像分辨率和对比度高。
[0006] 本发明的目的通过如下技术方案实现。
[0007] -种基于计算鬼成像的高分辨率微视觉系统，在光路上依次包括激光光源、第一 光阑、激光扩束镜、准直透镜、第二光阑、起偏器、空间光调制器、检偏器、第三光阑、反光镜、 分束镜、会聚透镜、CCD相机;还包括位于分束镜另一光路上的精密定位载物台；精密定位载 物台与计算机连接，计算机还分别与空间光调制器与CCD相机连接，计算机通过计算鬼成像 技术获取高分辨率图像。
[0008] 所述的利用计算鬼成像技术获取图像，其实现步骤如下：
[0009] 1.利用空间光调制器对激光光强进行调制。
[0010] 通过计算机生成K张 MXM的随机散斑图，散斑图的中心是一个NXN有效散斑区域， 且NSM，有效散斑区域的周围区域为白色，然后将散斑图转换为全息图并存储到硬盘。取一 张全息图加载到空间光调制器上，并调节激光源、光阑、激光扩束镜以及准直透镜，使激光 扩束镜产生的光斑可以完全覆盖加载到空间光调制器上有效全息区域(对应散斑图上的有 效散斑区域）。通过不断的加载新的全息图，可以实现对激光光强的调制。
[0011] 2.利用CCD相机采集物体表面的光强强度变化。
[0012]调节精密控制载物台，确保被测物体的目标区域完全被激光束覆盖。接着调整会 聚透镜以及CCD相机的位置，使CCD相机能够接收到被测物体目标区域的反射光。然后通过 计算机控制空间光调制器与CCD相机同步工作，即空间光调制器每加载一副全息图，CCD相 机就立即拍下被测物体目标区域的光强变化，并将对应的图片保存。将得到的图片的所有 像素的灰度值累加，记为m，i表示测量的次数，由此可得到测试光路的光强涨落信息。
[0013] 3.通过计算机模拟获取参考光路光强涨落信息。
[0014] 激光束未经空间光调制器调制时，在空间光调制器平面处的场强为Es(Xs，y s);激 光束经过空间光调制器调制后，其场强为
[0015] E〇(x,y)=Es(xs,ys)Em(x,y)
[0016] 上式中Em(x，y)表示用于调制的场强。
[0017] 激光束经过空间光调制器调制后，在参考光路C⑶相机处的场强为
[0019] 上式中（1，3〇，（^，^)分别表示(〇相机平面、空间光调制器平面的直角坐标办表 示CCD相机到空间光调制器的距离;λ为激光的波长;Ε〇(χ， 7)表示激光束经空间光调制器调 制后的场强。
[0020] 由上式可以得到CCD相机处的光强为
[0021] Ir(x,y)=Er(x,y)Er*(x,y)
[0022] 4.进行强度关联运算，获取被测物体图像。
[0023] 将2和3中得到的测试光路和参考光路的光强涨落信息进行关联，即
[0025] 上式中
*N表示测量次数。
[0031] 与现有技术相比，本发明的有益效果及优点:本发明设计出一个结构简单、安装方 便、易于操作的微视觉系统。通过采用基于光场强度关联测量恢复物体信息的鬼成像技 术，可以克服经典光学系统普遍存在的衍射极限问题，实现高分辨率成像。同时，由于采用 计算鬼成像技术，相比于传统的鬼成像技术，系统的结构得到了简化，实用性更强。另外，由 于采用光场强度关联测量恢复物体信息，消除了经典光学系统成像畸变的问题，可以获得 高准确度和对比度的图像。本发明非常有利于微视觉系统的设计及鬼成像技术的研究。
【附图说明】
[0032] 图1为实施方式中微视觉系统的组成示意图。
[0033] 图2为实施方式中计算机模拟散斑的示意图。
[0034] 图3为实施方式中激光束与散斑位置关系的示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图和实施例对本发明的内容进行详细的描述，但本发明的实际应用形 式并不仅限于下述的实施例。
[0036] 如图1所示，本发明提供了一种基于计算鬼成像的高分辨率微视觉系统，该系统由 激光光源101、光阑（102,105,109)、激光扩束镜103、准直透镜104、起偏器106、空间光调制 器107、检偏器108、反光镜110、会聚透镜111、C⑶相机112、分束镜113、计算机114、精密定位 载物台115组成。所述的系统利用计算鬼成像技术获取高分辨率图像。
[0037] 所述的利用计算鬼成像技术获取图像，其实现步骤如下：
[0038] 1.利用空间光调制器对激光光强进行调制。
[0039] 通过计算机生成8000张900X900的随机散斑图，散斑图的中心是一个360X360有 效散斑区域201，有效散斑区域的周围区域202为白色，如图2所示。然后将散斑图转换为全 息图并存储到硬盘。取一张全息图加载到空间光调制器107上，并调节激光源101、光阑 (102,105)、激光扩束镜103以及准直透镜104,使激光扩束镜产生的光斑301可以完全覆盖 加载到空间光调制器上有效全息区域(对应散斑图上的有效散斑区域），如图3所示。通过不 断的加载新的全息图，可以实现对激光光强的调制。
[0040] 2.利用CCD相机采集物体表面的光强强度变化。
[0041 ]调节精密定位载物台115，确保被测物体的目标区域完全被激光束覆盖。接着调整 会聚透镜111以及CCD相机112的位置，使CCD相机能够接收到被测物体目标区域的反射光。 然后通过计算机控制空间光调制器与CCD相机同步工作，即空间光调制器每加载一副全息 图，CCD相机就立即拍下被测物体目标区域的光强变化，并将对应的图片保存。将所得到的 图片的所有像素的灰度值累加，记为Bni表示测量的次数，由此可得到测试光路的光强涨 落信息。
[0042] 3.通过计算机模拟获取参考光路光强涨落信息。
[0043] 激光束未经空间光调制器调制时，在空间光调制器平面处的场强为Es(Xs，ys);激 光束经过空间光调制器调制后，其场强为
[0044] E〇(x,y)=Es(xs,ys)Em(x,y)
[0045] 上式中Em(x，y)表示用于调制的场强；
[0046] 激光束经过空间光调制器调制后，在参考光路C⑶相机处的场强为
[0048]上式中（^7)，（^&)分别表示00)相机平面、空间光调制器平面的直角坐标办= 800cm表示CCD相机到空间光调制器的距离;λ = 635ηηι为激光的波长;Es(xs，ys)表示激光束 在空间光调制器平面处的场强。
[0049] 由上式可以得到CCD相机平面处的光强为
[0050] Ir(x,y)=Er(x,y)Er*(x,y)
[0051] 上式中Er(x，y)表示激光束经过空间光调制器调制后在参考光路CCD相机处的场 强，E/(x，y)表示E r(x，y)的共辄函数。
[0052] 4.进行强度关联运算，获取被测物体图像。
[0053] 将2和3中得到的测试光路和参考光路的光强涨落信息进行关联，即
[0055] 上式中
，/:&,./)需结合上标进行定义说明表示第i次运算得到的 参考光路CCD相机处的光强。
[0056] 对G(x，y)进行归一化，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] 由上式可以得到被测物体目标区域的图像信息，即Gfinal(x，y)。
[0060] 图1为实施方式中微视觉系统的组成示意图。其中包括激光光源101、光阑（102， 105，109 )、激光扩束镜103、准直透镜104、起偏器106、空间光调制器107、检偏器108、反光镜 110、会聚透镜111、C⑶相机112、分束镜113、计算机114、精密定位载物台115。
[0061] 图2为实施方式中计算机模拟散斑的示意图，其中201为所述的有效散斑区域，202 为有效散斑区域的周围区域。
[0062] 图3为实施方式中激光束与散斑位置关系的示意图，其中301为激光扩束镜产生的 光斑。
[0063] 本发明结合计算鬼成像技术，能够突破经典光学系统的衍射极限，获得高分辨率 和对比度的图像。
【主权项】
1. 一种基于计算鬼成像的高分辨率微视觉系统，其特征是在光路上依次包括激光光 源、第一光阔、激光扩束镜、准直透镜、第二光阔、起偏器、空间光调制器、检偏器、第Ξ光阔、 反光镜、分束镜、会聚透镜、CCD相机;还包括位于分束镜另一光路上的精密定位载物台。2. 根据权利要求1所述的一种基于计算鬼成像的高分辨率微视觉系统，其特征在于还 包括计算机，精密定位载物台与计算机连接，计算机还分别与空间光调制器与CCD相机连 接，计算机通过计算鬼成像技术获取高分辨率图像。3. 利用权利要求1所述的一种基于计算鬼成像的高分辨率微视觉系统获取图像的方 法，其特征是包括如下步骤： (1) 利用空间光调制器对激光光强进行调制； 通过计算机生成K张 Μ X Μ的随机散斑图，K、M、N为正整数，散斑图的中屯、是一个N X N有 效散斑区域，且N《M，有效散斑区域的周围区域为白色，然后将散斑图转换为全息图并存储 到硬盘;取一张全息图加载到空间光调制器上，并调节激光源、第一~第Ξ光阔、激光扩束 镜W及准直透镜，使激光扩束镜产生的光斑能完全覆盖加载到空间光调制器上有效全息区 域即对应散斑图上的有效散斑区域;通过不断的加载新的全息图，能实现对激光光强的调 制； (2) 利用CCD相机采集物体表面的光强强度变化； 调节精密定位载物台，使被测物体的目标区域完全被激光束覆盖;接着调整会聚透镜 W及CCD相机的位置，使CCD相机能够接收到被测物体目标区域的反射光;然后通过计算机 控制空间光调制器与CCD相机同步工作，即空间光调制器每加载一副全息图，CCD相机就立 即拍下被测物体目标区域的光强变化，并将对应的图片保存;将得到的图片的所有像素的 灰度值累加，记为Bi，i表示测量的次数，由此可得到测试光路的光强涨落信息； (3) 通过计算机模拟获取参考光路光强涨落信息;激光束未经空间光调制器调制时，在 空间光调制器平面处的场强为Es(xs，ys);激光束经过空间光调制器调制后，其场强为 E〇(x,y) =Es(xs,ys)Em(x,y) 上式中Em(x，y)表示用于调制的场强； 激光束经过空间光调制器调制后，在参考光路CCD相机处的场强为上式中山7)，相，73)分别表示〇：0相机平面、空间光调制器平面的直角坐标瓜表示 CCD相机到空间光调制器的距离;λ为激光的波长;ED(x，y)表示激光束经空间光调制器调制 后的场强； 由上式可W得到CCD相机处的光强为 Ir(x，y)=Er(x，y；)Er*(x，y) 上式中Er(x，y)表示激光束经过空间光调制器调制后在参考光路CCD相机平面处的场 强，Er*(x，y)表示Er(x，y)的共辆函数； (4) 进行强度关联运算，获取被测物体图像； 将(2)和(3)中得到的测试光路和参考光路的光强涨落信息进行关联，即上式中N表示测量次数；/,? (Λ-,.V)表示第i次测量运算得到的参考光路CCD 相机处的光强； 对G(x，y)进行归一化，即 Gfinai(x,y)=G(x,y)/max(G(x,y)) 111曰义(6(义，7))表示取6(义，7)中的最大值； 由上式可W得到被测物体目标区域的图像信息，即Gfinal(X，y)。
【文档编号】G06T3/40GK106097269SQ201610409497
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月11日
【发明人】张宪民, 吴衡, 李海, 甘金强, 詹镇辉, 何振亚
【申请人】华南理工大学