一种基于散射介质的3D光谱成像系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于散射介质的3D光谱成像系统及方法，该系统包括沿光路方向依次设置的光源模块、准直校正模块、待测物体、散射介质和探测器，其中，所述光源模块用于生成任意波长的光束；所述准直校正模块用于对所述光束进行准直校正和滤除杂质散光；经过准直校正和滤除杂质散光后的光束照射在所述待测物体上，所述散射介质用于对经过所述待测物体的光线进行散射形成散斑图；所述探测器用于接收所述散斑图。本发明专利技术的系统及方法，以散射介质代替传统单透镜，建立含有光谱和和空间深度信息的PSF数据库，结合去卷积方法重建目标，使得待测目标的光谱信息与三维结构信息同时展现，具有良好的光谱分辨率和良好的成像效果。

A 3D Spectral Imaging System and Method Based on Scattering Media

【技术实现步骤摘要】
一种基于散射介质的3D光谱成像系统及方法
本专利技术属于计算成像
，具体涉及一种基于散射介质的3D光谱成像系统及方法。
技术介绍
传统光谱成像按照原理可以分为滤光片型、色散型、干涉型和计算光谱成像等四种技术。随着科技的发展，3D光谱成像在天文观测、遥感测量、化学及材料分析、生物医学成像以及光源特性无损检测等领域越来越受到广泛的关注和应用。在传统光谱成像技术基础上要实现3D光谱成像，需要结合光学扫描3D成像技术以及多帧3D成像技术，虽然可以实现3D成像，但其时间分辨率大大降低。随着计算成像技术及相关领域技术的不断发展，透过散射介质成像逐渐演变为热门课题。当光通过折射率非均匀介质如毛玻璃、纸张、生物组织等时，会引起光的散射效应，出射光场变得紊乱而随机，形成一系列散斑。实际上，在散斑中不仅包含了目标的光谱信息，同时也携带了目标的三维结构信息。迄今为止，利用光学散射特性成像技术已经展开了大量研究，例如，已提出的波前调制、光学相干层析、超快激光飞行时间成像法、散射矩阵测量以及散斑相关等方法。虽然上述方法实现了在一定情况下的透过散射介质成像，但是如何充分有效地利用散射介质的光学记忆效应和退相关特性，实现透过散射介质的3D光谱成像，仍是现在需要解决的问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于散射介质的3D光谱成像系统及方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：本专利技术提供了一种基于散射介质的3D光谱成像系统，包括沿光路方向依次设置的光源模块、准直校正模块、待测物体、散射介质和探测器，其中，所述光源模块用于生成任意波长的光束；所述准直校正模块用于对所述光束进行准直校正和滤除杂质散光；经过准直校正和滤除杂质散光后的光束照射在所述待测物体上，所述散射介质用于对经过所述待测物体的光线进行散射，形成散斑图；所述探测器用于接收所述散斑图。在本专利技术的一个实施例中，所述待测物体包括针孔或待测目标，其中，在标定阶段，经过准直校正和滤除杂质散光后的光束照射在所述针孔上，之后通过所述散射介质的散射，形成标定散斑图；在采集阶段，经过准直校正和滤除杂质散光后的光束照射在所述待测目标上，之后通过所述散射介质的散射，形成目标散斑图。在本专利技术的一个实施例中，所述准直校正模块包括沿光路方向依次设置的透镜和孔径光阑。在本专利技术的一个实施例中，所述散射介质为具有非均匀折射率的介质。本专利技术还提供了一种基于散射介质的3D光谱成像方法，适用于上述实施例中任一项所述的基于散射介质的3D光谱成像系统，包括：采集并标定不同波长、不同景深距离的标定散斑图，构建系统PSF数据库；采集待测目标的目标散斑图；在所述系统PSF数据库中搜索所述目标散斑图对应的PSF数据，并通过去卷积重建操作对所述待测目标进行成像。在本专利技术的一个实施例中，采集并标定不同波长、不同景深距离的标定散斑图，构建系统PSF数据库，包括：通过针孔采集并标定不同波长，同一景深距离的标定散斑图，构建光谱PSF数据；通过针孔采集并标定同一波长，不同景深距离的标定散斑图，构建空间深度PSF数据；将所述光谱PSF数据和所述空间深度PSF数据组成所述系统PSF数据库。在本专利技术的一个实施例中，在所述系统PSF数据库中搜索所述目标散斑图对应的PSF数据，并通过去卷积重建操作对待测目标进行成像，包括：在所述系统PSF数据库中搜索所述目标散斑图对应的所述光谱PSF数据，通过去卷积重建操作获得光谱重建信息，并得到所述待测目标的光谱重建图；在所述系统PSF数据库中搜索所述光谱重建图对应的所述空间深度PSF数据，通过去卷积重建操作获得若干空间重建信息，并得到所述待测目标的若干目标重建图；对若干所述目标重建图分别进行梯度函数处理，得到所述待测目标的最优目标重建图，实现对所述待测目标的成像。在本专利技术的一个实施例中，对若干所述目标重建图分别进行梯度函数处理，得到所述待测目标的最优目标重建图，实现所述待测目标的成像，包括：对若干所述目标重建图分别进行梯度函数处理，得到图像质量评价曲线图；选取所述图像质量评价曲线图中峰值点对应的所述目标重建图为所述最优目标重建图，实现对所述待测目标的成像。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术的基于散射介质的3D光谱成像系统及方法，充分利用了散射介质的光学记忆效应和退相关特性，获取了待测目标散射后的空间三维结构信息与光谱信息，并使用去卷积方法减小不必要的运算过程，实现了透过散射介质的3D光谱成像。2、本专利技术的基于散射介质的3D光谱成像系统及方法，以散射介质代替传统单透镜，建立含有光谱和空间深度信息的PSF数据库，结合去卷积方法重建目标，使得待测目标的光谱信息与三维结构信息同时展现，具有良好的光谱分辨率和良好的成像效果。3、与传统的3D光谱成像系统相比，本专利技术的基于散射介质的3D光谱成像系统在散射介质选择上具有极大的灵活性，散射介质构成的3D光谱成像系统具有良好的光谱分辨率，而且通过单帧散斑可以实现3D光谱成像，与传统方法相比，具有低成本、结构简单和适应性强的特点。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本专利技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。附图说明图1是本专利技术实施例提供的一种基于散射介质的3D光谱成像系统的结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的一种基于散射介质的3D光谱成像系统的结构框图；图3是本专利技术实施例提供的一种透过散射介质成像的示意图；图4是本专利技术实施例提供的一种基于散射介质的3D光谱成像方法的示意图；图5是本专利技术实施例提供的一种系统PSF数据库构建方法的示意图；图6是本专利技术实施例提供的一种基于散射介质的3D光谱成像系统及方法的仿真结果图。具体实施方式为了进一步阐述本专利技术为达成预定专利技术目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本专利技术提出的一种基于散射介质的3D光谱成像系统及方法进行详细说明。有关本专利技术的前述及其他
技术实现思路
、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本专利技术为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本专利技术的技术方案加以限制。实施例一请参见图1，图1是本专利技术实施例提供的一种基于散射介质的3D光谱成像系统的结构示意图，如图所示，本实施例的基于散射介质的3D光谱成像系统包括，沿光路方向依次设置的光源模块1、准直校正模块2、待测物体3、散射介质4和探测器5，其中，光源模块1用于生成任意波长的光束，准直校正模块2用于对所述光束进行准直校正和滤除杂质散光，经过准直校正和滤除杂质散光后的光束照射在待测物体3上，散射介质4用于对经过待测物体3的光线进行散射，形成散斑图，探测器5用于接收所述散斑图。具体地，光源模块1由单色仪和宽谱光源组成，所述单色仪和所述宽谱光源可以生成任意波长的光。准直校正模块2包括沿光路方向依次设置的透镜201和孔径光阑202，所述透镜用于对光源模块1发射的光束进行准直校正，所述孔径光阑用于滤除校正后光束中的杂质散光。请参见图2，图2是本专利技术实施例提供的一种基于散射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于散射介质的3D光谱成像系统，其特征在于，包括沿光路方向依次设置的光源模块(1)、准直校正模块(2)、待测物体(3)、散射介质(4)和探测器(5)，其中，所述光源模块(1)用于生成任意波长的光束；所述准直校正模块(2)用于对所述光束进行准直校正和滤除杂质散光；经过准直校正和滤除杂质散光后的光束照射在所述待测物体(3)上，所述散射介质(4)用于对经过所述待测物体(3)的光线进行散射，形成散斑图；所述探测器(5)用于接收所述散斑图。

【技术特征摘要】
1.一种基于散射介质的3D光谱成像系统，其特征在于，包括沿光路方向依次设置的光源模块(1)、准直校正模块(2)、待测物体(3)、散射介质(4)和探测器(5)，其中，所述光源模块(1)用于生成任意波长的光束；所述准直校正模块(2)用于对所述光束进行准直校正和滤除杂质散光；经过准直校正和滤除杂质散光后的光束照射在所述待测物体(3)上，所述散射介质(4)用于对经过所述待测物体(3)的光线进行散射，形成散斑图；所述探测器(5)用于接收所述散斑图。2.根据权利要求1所述的基于散射介质的3D光谱成像系统，其特征在于，所述待测物体(3)包括针孔或待测目标，其中，在标定阶段，经过准直校正和滤除杂质散光后的光束照射在所述针孔上，之后通过所述散射介质(4)的散射，形成标定散斑图；在采集阶段，经过准直校正和滤除杂质散光后的光束照射在所述待测目标上，之后通过所述散射介质(4)的散射，形成目标散斑图。3.根据权利要求1所述的基于散射介质的3D光谱成像系统，其特征在于，所述准直校正模块(2)包括沿光路方向依次设置的透镜(201)和孔径光阑(202)。4.根据权利要求1所述的基于散射介质的3D光谱成像系统，其特征在于，所述散射介质(4)为具有非均匀折射率的介质。5.一种基于散射介质的3D光谱成像方法，适用于权利要求1-4任一项所述的基于散射介质的3D光谱成像系统，其特征在于，包括：采集并标定不同波长、不同景深距离的标定散斑图，构建系统PSF数据库；采集待测目标的目标散斑图；在所述系统PSF数据库中搜索所述目标散斑图对应的PSF数据，...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵晓鹏，朱磊，张乐，刘杰涛，吴雨祥，刘飞，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61