1、散射介质成像技术及其应用中国科学院西安光学精密机械研究所贺正权 散射介质成像原理 传输矩阵构成方法 单光纤成像技术 散射介质成像应用（1）Turbid Media 浑浊介质：不透明（2）Random（disordered）Material 随机介质：内部结构不均匀，不规则，随机性（3）Scattering Material 散射介质：光通过后，发生散射为什么要研究散射介质成像？为什么要研究散射介质成像？成像环境限制 在成像光路上如果有散射介质存在。在成像光路上如果有散射介质存在。生物组织，细胞膜，雾霾等 传统成像系统分辨率有限 传统光学成像系统的分辨率极限为光波长的一传统光学成像系统的分辨率极
2、限为光波长的一半。半。可见光波长可见光波长550nm，550/2=275nm 散射介质成像技术突破传统的光学成像原理，不是采用透散射介质成像技术突破传统的光学成像原理，不是采用透镜进行成像，而是利用光学干涉和衍射的原理，来实现成镜进行成像，而是利用光学干涉和衍射的原理，来实现成像。像。一、散射介质成像原理散射介质成像散射介质成像（无透镜成像无透镜成像Lensless Imaging）透镜成像透镜成像物体透镜 成像透镜透镜散光片散光片散斑图散斑图 散射介质成像技术突破传统的光学成像原理，不是采用透镜进行成像，而是利用光学干涉和衍射的原理，来实现成像。OMI=OMOTI=OTIISignalS(t
3、)Noise n(t)OutputfO(t)=f(t)*S(t)+n(t)Systemf(t)系统函数二、传输矩阵的构成二、传输矩阵的构成 成像系统的传输矩阵能够全面、准确地表征系统的成像能力和成像质量。传输矩阵的构成方法：相位匹配法（波前补偿法）空间频率分解法 递推逼近法1、相位匹配法入射入射平面波平面波出射波出射波入射入射平面波平面波出射波出射波相位补偿器相位补偿器空间光调制器相位补偿空间光调制器相位补偿=M/N相关函数与重建数量的关系EOP(,)=A(k v,k )exp i(k ,k )EIP(x,y)=A(k v,k )Etr(x,y,k v,k )x,y A(k v,k )2、空间
4、频率分解法A(k v,k )Etr(x,y,k v,k ）成像实验光路ShutterShutterFiber or振镜扫描振镜扫描点阵扫描点阵扫描浑浊透镜浑浊透镜传输矩阵传输矩阵获获 取取图像图像重构重构物体图像角物体图像角谱信息获取谱信息获取2D2D角度扫描角度扫描记录散斑图像记录散斑图像图像去噪图像去噪提取相位信息提取相位信息计算传输矩阵计算传输矩阵记录物体散斑图像记录物体散斑图像提取物体散斑图像提取物体散斑图像相位信息相位信息计算物体信息矩阵计算物体信息矩阵矩阵投影计算角谱矩阵投影计算角谱利用角谱合成利用角谱合成图像图像图像亮度对比图像亮度对比度调整度调整物体图像输出物体图像输出利用传输
5、矩阵重构图像利用传输矩阵重构图像图像重构图像重构 基本原理基本原理 I3=E21+E22+2E1E2 cos（）其中，E1是信号光振幅，E2 是参考光振幅，I3 是干涉光场强度，信号光和参考光的相位差 此方法可以得到物体图像复振幅矩阵，再按传输矩阵投影后即可得到物体的角谱，利用角谱即可重构出物体图像。散射介质传输矩阵计算及物体图像重构散射介质传输矩阵计算及物体图像重构基本原理基本原理 I3=E21+E22+2E1E2cos（）其中，E1是信号光振幅，E2 是参考光振幅，I3 是干涉光场强度，信号光和参考光的相位差 此方法可以得到物体图像复振幅矩阵，再按传输矩阵投影后即可得到物体的角谱，利用角谱
6、即可重构出物体图像。实验图像暗背景暗背景参考光参考光信号光信号光干涉图像干涉图像干涉图像的局部放大结果实验条件（物参光强及对比，物参夹角，系统稳定性、抗干扰性等）会对记录的图像质量产生很大的影响。需要优化选择相应的实验条件。可见cos值的分布正负并不对称，且波动太细小（这是噪声的表现），这会对传输矩阵的正交性产生重要影响，这些都需要做相应的修正处理。图像处理得到的cos余弦项的结果图像重构结果当激光光斑较小时，直接拍摄鉴别率版的细条纹（一组0.1mm）再通过散光片成像，频率采样数101101。左边一张为原始图像未做去噪处理的重构图像中间一张为原始图像去噪后角谱未做去噪处理的重构图像右边一张为原
7、始图像去噪后角谱也做去噪处理的重构图像 （可以看到有明显的三条条纹，但噪声背景依然显得较大。）传输矩阵正交性 实验条件（物参光强及对比，物参夹角，系统稳定性、抗干扰性等）和图像处理算法（包括对图像噪声、灰度失真、传输矩阵正负不对称等的处理）都会影响到传输矩阵的正交性。物体角谱信息中间值最大的是零频，可见，这不同于一般图像的频谱，说明所得角谱中含有较大的噪声，掩盖了绝大部分角谱信息。这是目前图像重构过程中最大的障碍。机械扫描法机械扫描法 （Mechanically Scanning）点扩散函数法（点扩散函数法（Point Spread Function，PSF）散射介质成像法（散射介质成像法（T
8、urbid lens imaging，TLI）由于图像是通过单根光纤（单模或多模）传输过来，由于图像是通过单根光纤（单模或多模）传输过来，使得探头的直径可以非常小，一般能达到使得探头的直径可以非常小，一般能达到0.5mm0.5mm以下。这一以下。这一技术是进几年迅速发展起来的一种新的成像技术。技术是进几年迅速发展起来的一种新的成像技术。三、单光纤成像技术三、单光纤成像技术多模光纤和散射介质的关系多模光纤和散射介质的关系 CCD物浑浊介质浑浊介质散斑图多模光纤多模光纤单光纤成像单光纤成像光源：激光器成像传像：光纤光束经过光纤传输后得到的散斑图 左图为光纤的后向散射光形成的散斑图，右图为光纤端面1
9、mm处物体（光纤传输的光照明）的反射光再经过光纤后得到的散斑图（其中含照明光经光纤的后向散射光），可见，物体反射前后的光斑强度变化还是比较显著的。同时，较强的后向散射光将对成像信息提取产生很大的干扰散斑成像实验散斑成像实验 拍摄鉴别率板由毛玻璃散射后的散斑图像（下边两张），对242张散斑图处理后得到鉴别率板的图像（上边一张）韩国Youngwoon Choi等人的团队对单根光纤显微成像进行了探索性的研究，其分辨率（约为2.2m）已远超过目前的光纤束式内窥镜（a a）鉴别率板经光纤传像束所成的像）鉴别率板经光纤传像束所成的像 （b b）鉴别率板经单光纤浑浊透镜成像）鉴别率板经单光纤浑浊透镜成像 医
10、用内窥镜已经成为了一种医学临床必备的诊疗手段，采用内窥镜，可实现多种微创或无创手术。经过了几十年的发展，内窥镜的质量和功能都有了巨大的进步。硬质窥镜硬质窥镜柔性窥镜柔性窥镜四、单光纤成像技术在医学中的应用四、单光纤成像技术在医学中的应用 随着内窥镜应用领域的拓展，对内窥镜的性能提出来更高的要求:高分辨率高分辨率 （几十万像素）（几十万像素）小直径小直径 （1mm1mm以下）以下）长度增加长度增加 （几十（几十cmcm到到1m1m）内窥镜成像和传像的技术主要有两种：光纤传像束进行图像传输（光纤有序排列）棒透镜（梯度折射率透镜）成像传像优点：单根光纤 无需单独照明为什么？单光纤成像技术散射介质成像原理传输矩阵构成方法单光纤成像技术应用谢 谢！
