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CN113093381B - 基于随机光场空间结构调控的光学成像系统及方法 - Google Patents

基于随机光场空间结构调控的光学成像系统及方法 Download PDF

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CN113093381B CN202110629377.3A CN202110629377A CN113093381B CN 113093381 B CN113093381 B CN 113093381B CN 202110629377 A CN202110629377 A CN 202110629377A CN 113093381 B CN113093381 B CN 113093381B
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Abstract

本发明涉及一种基于随机光场空间结构调控的光学成像系统及方法，系统包括散射介质、第一分束偏振组件、光学测量组件和计算单元，将传输光进行散射处理得到待测光；将待测光进行分束偏振处理，一束待测光被分为x方向偏振光和y方向偏振光，另一束待测光与参考光合束后被分成x方向偏振光和y方向偏振光；测量待测光、参考光与待测光合束后以及参考光的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布；根据光强分布求得待测光的交叉谱密度，利用交叉谱密度恢复散射介质表面的光强分布，对散射介质的光强分布进行计算得到待测物的形状和位置。本发明能快速对动态物体进行成像，成像范围不受光学记忆效应的限制，无需测量整个光学系统的点扩散函数。

Description

基于随机光场空间结构调控的光学成像系统及方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其是指一种基于随机光场空间结构调控的光学成像方法及系统。
背景技术
随着透过散射介质成像技术的逐渐发展，已经取得了众多突破。目前比较常用的方式是通过抑制散射光，提取从散射介质中透过的弹道光的方式进行弱散射介质成像，主要技术有自适应光学成像技术、光学相干层析技术、多光子显微以及多光谱光声层析等，这些技术的发展和应用，解决了天文成像、水下探测和生物成像等领域的问题。随着对散射机理的不断深入研究，现阶段的散射成像技术已不再侧重于分离散射光提取弹道光，而是更侧重于对散射光的利用。经过对散射光特性的充分研究，实现了从不可恢复隐藏在强散射层后的物体到可恢复散射层后的物体的质的飞跃。特别的是，透过散射介质成像技术不但在显微成像以及超分辨成像方面有着广泛的应用，同样也将在光纤成像、全息成像和光通讯等领域扮演重要的角色。
目前透过散射介质成像方法主要包括波前整形技术和基于光学记忆效应的散射成像技术两大类。其中波前整形技术包括光学相位共辄、基于反馈优化的波前整形技术和光学传输矩阵技术三部分。基于光学记忆效应的散射成像技术，包含散斑相关成像技术和点扩散函数工程成像技术两部分。
波前整形技术的重点在于研究光在散射介质中传播特性，利用数学的形式对散射介质特性进行定量或定性表示，为散射效应的利用奠定了基础。但是依赖于波前整形技术透过散射介质成像的方法存在能量利用率低，过程复杂且耗时以及实时性有待提高的缺陷，因此无法对隐藏在散射介质后的物体进行实时的观测。
基于光学记忆效应的散射成像技术的本质在于充分利用散斑能量以及散斑分布特点进行透过散射介质成像。其中在散斑相关成像技术中有学者提出无侵入透过散射层成像方法，当目标尺寸在光学记忆效应范围内，即可利用光学相机记录散射介质后的散斑，即光强信息，将整个光学系统视作空间平移不变点扩散函数（PSF）的非相干系统，那么散斑可以写成目标信息与系统点扩散函数的卷积形式。通过对光强自相关运算，便可获取隐藏在散射介质后物体目标的傅立叶振幅信息，进而结合有效的相位恢复算法实现对目标的重建。与波前整形技术相比，该方法无需测量散射成像系统的先验信息，换言之，该方法不需要参考光路辅助成像，无需在散射介质后或者内部植入光源。但是目标尺寸的成像范围受到光学记忆效应的限制，无法对尺寸较大的物体进行成像。另外在扩散函数工程成像技术中有学者提出通过测量系统的点扩散函数，利用 Lucy-Richardson 去卷积迭代非线性复原方法，实现了透过散射介质成像。还有学者提出借鉴天文成像所应用的相位多样性的散斑成像方法，通过获取多张不同像平面的散斑信息，在无参考的情况下，联合估算获得整个散射光学系统的点扩散函数，进而通过去卷积技术实现了透过散射介质成像。但是点扩散函数工程成像技术都需要提前获取系统的点扩散函数，其成像效果依赖于所获取系统的点扩散函数的准确性，在成像过程中要保证散射介质的稳定性，且仅适用于静态散射介质成像。
综上所述，目前急需一种能够快速对动态物体进行成像、成像范围不受光学记忆效应的限制以及无需测量整个光学系统的点扩散函数的成像系统及其方法。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中动态物体成像效率低、成像范围受到光学记忆效应的限制以及需要测量整个光学系统的点扩散函数的缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于随机光场空间结构调控的光学成像系统，包括：
散射组件，所述散射组件包括设置于待测物后侧的散射介质，利用散射介质对经过自由空间传输的光束进行散射处理，得到待测光，并将所述待测光传输至第一分束偏振组件，其中所述光束携带有待测物信息；
第一分束偏振组件，所述第一分束偏振组件包括第一分束元件和第一偏振分束元件，所述第一分束元件设置于所述散射介质与第一偏振分束元件之间，所述第一分束元件和散射介质之间还设置有第一半波片，所述第一分束元件和第一偏振分束元件用于对经过第一半波片的待测光进行分束偏振处理，并利用光学测量组件测量光强分布，其中一束待测光被分为x方向偏振光和y方向偏振光，另外一束待测光与参考光合束后被分成x方向偏振光和y方向偏振光，所述参考光为所述待测光的完全相干光；
连接所述第一分束偏振组件的光学测量组件，所述光学测量组件包括构成阵列结构的第一电荷耦合器单元、第二电荷耦合器单元以及第三电荷耦合器单元，所述第一电荷耦合器单元、第二电荷耦合器单元以及第三电荷耦合器单元分别用于测量所述待测光的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布、所述参考光与待测光合束后的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布以及参考光的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布；
计算单元，所述计算单元用于根据光强分布求得所述待测光的交叉谱密度的实部和虚部，利用所述交叉谱密度的实部和虚部恢复散射介质的光强分布，并对所述散射介质的光强分布进行计算，得到所述待测物的形状和位置；
还包括连接光学测量组件的第二分束偏振组件，所述第二分束偏振组件包括第二分束元件a、第二分束元件b、第二偏振分束元件a、第二偏振分束元件b和反射元件，所述参考光通过所述第二分束元件a进行分束，其中一束参考光和待测光在所述第二分束元件b处进行合束，并通过第二偏振分束元件a将合束光分成x方向偏振光和y方向偏振光；另外一束参考光经过反射元件反射后，通过第二偏振分束元件b将参考光分成x方向偏振光和y方向偏振光。
在本发明的一个实施例中，还包括傅立叶透镜，所述傅立叶透镜设置于所述散射介质和第一分束元件之间。
在本发明的一个实施例中，所述第一电荷耦合器单元、第二电荷耦合器单元以及第三电荷耦合器单元均包括至少两个电荷耦合器单体，其中第一电荷耦合器单元中的最上方的电荷耦合器单体到傅立叶透镜的光程等于所述傅立叶透镜的焦距。
在本发明的一个实施例中，所述第一电荷耦合器单元和第二电荷耦合器单元中的所有电荷耦合器单体到第一分束元件的光程均相等，且该光程等于第二电荷耦合器单元和第三电荷耦合器单元中的所有电荷耦合器单体到第二分束元件b的光程。
此外，本发明还提供一种基于随机光场空间结构调控的光学成像方法，包括：
散射组件包括设置于待测物后侧的散射介质，利用散射介质对经过自由空间传输的光束进行散射处理，得到待测光，并将所述待测光传输至第一分束偏振组件，其中所述光束携带有待测物信息；
所述第一分束偏振组件包括第一分束元件和第一偏振分束元件，所述第一分束元件设置于所述散射介质与第一偏振分束元件之间，所述第一分束元件和散射介质之间还设置有第一半波片，所述第一分束元件和第一偏振分束元件对经过第一半波片的待测光进行分束偏振处理，并利用光学测量组件测量光强分布，其中一束待测光被分为x方向偏振光和y方向偏振光，另外一束待测光与参考光合束后被分成x方向偏振光和y方向偏振光，所述参考光为所述待测光的完全相干光；
所述光学测量组件包括构成阵列结构的第一电荷耦合器单元、第二电荷耦合器单元以及第三电荷耦合器单元，使用所述第一电荷耦合器单元、第二电荷耦合器单元以及第三电荷耦合器单元分别测量所述待测光的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布、所述参考光与待测光合束后的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布以及参考光的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布；
利用计算单元根据光强分布求得所述待测光的交叉谱密度的实部和虚部，利用所述交叉谱密度的实部和虚部恢复散射介质的光强分布，并对所述散射介质的光强分布进行计算，得到所述待测物的形状和位置。
在本发明的一个实施例中，根据光强分布求得所述待测光的交叉谱密度的实部和虚部，利用所述交叉谱密度的实部和虚部恢复散射介质的光强分布包括：
所述待测光的交叉谱密度的实部
Figure 282437DEST_PATH_IMAGE001
和虚部
Figure 581001DEST_PATH_IMAGE002
的计算公式如下：
Figure 750951DEST_PATH_IMAGE003
式中，
Figure 270794DEST_PATH_IMAGE004
表示空间平均，
Figure 475379DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 425405DEST_PATH_IMAGE006
以及
Figure 82652DEST_PATH_IMAGE007
表示观察面任意一点的坐标，
Figure 422497DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 481589DEST_PATH_IMAGE009
分别表示待测光的x方向和y方向偏振的光强分布，
Figure 865166DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 481479DEST_PATH_IMAGE011
分别表示参考光的x方向和y方向偏振的光强分布，
Figure 608704DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 522303DEST_PATH_IMAGE013
分别表示参考光与待测光合束之后的合束光的x方向和y方向偏振的光强分布；
根据公式利用交叉谱密度通过傅立叶变换恢复散射介质的光强分布
Figure 342360DEST_PATH_IMAGE014
，其中公式如下：
Figure 977128DEST_PATH_IMAGE015
式中，
Figure 642465DEST_PATH_IMAGE016
表示光的波长，
Figure 676149DEST_PATH_IMAGE017
表示傅立叶透镜的焦距，
Figure 152260DEST_PATH_IMAGE018
表示散射介质所在平面任意一点的坐标，
Figure 271395DEST_PATH_IMAGE019
表示虚数单位。
在本发明的一个实施例中，对所述散射介质的光强分布进行计算，得到所述待测物的形状和位置包括：
利用菲涅尔域中的相位恢复算法对散射介质的光强分布进行运算，得到所述待测物的形状和位置。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明首先测得待测光的光强分布、待测光和参考光合束之后的合束光的光强分布以及参考光的光强分布，根据光强分布求得待测光的交叉谱密度的实部和虚部，利用交叉谱密度的实部和虚部恢复散射介质表面的光强分布，并对散射介质的光强分布进行计算，得到待测物的形状和位置，从而能够快速对动态物体进行成像，成像范围不受光学记忆效应的限制，而且无需测量整个光学系统的点扩散函数。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明一种基于随机光场空间结构调控的光学成像系统的结构示意图。
图2是本发明一种基于随机光场空间结构调控的光学成像方法的流程示意图。
附图标记说明：1、第一激光器；2、第一扩束元件；3、待测物；4、自由空间传输单元；5、散射介质；6、傅立叶透镜；7、第一半波片；8、第一分束元件；9、第一偏振分束元件；10、光学测量组件；11、锁相环；12、第二激光器；13、线偏振片；14、第二半波片；15、四分之一波片；16、第二扩束元件；17、第二分束元件a；18、第二分束元件b；19、第二偏振分束元件a；20、反射元件；21、第二偏振分束元件b；22、计算单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
请参阅图1所示，本实施例提供一种基于随机光场空间结构调控的光学成像系统，系统包括散射组件、第一分束偏振组件、光学测量组件10和计算单元22。
散射组件用于利用散射介质5对经过自由空间传输的光束进行散射处理，得到待测光，其中光束携带有待测物3信息。散射介质5优选毛玻璃。
第一分束偏振组件用于将待测光进行分束偏振处理，其中一束待测光被分为x方向偏振光和y方向偏振光，另外一束待测光与参考光合束后被分成x方向偏振光和y方向偏振光，参考光为待测光的完全相干光。
光学测量组件10用于测量待测光的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布、参考光与待测光合束后的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布以及参考光的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布。
计算单元22用于根据光强分布求得待测光的交叉谱密度的实部和虚部，利用交叉谱密度的实部和虚部恢复散射介质5的光强分布，并对散射介质5的光强分布进行计算，得到待测物3的形状和位置。
在本实施例中，还包括傅立叶透镜6，傅立叶透镜6设置于散射介质5和第一分束偏振组件之间。傅立叶透镜6能够对经过散射介质5后的待测光进行傅立叶变换，从而提高光场的相干度。
在本实施例中，还包括第一半波片7，第一半波片7设置于傅立叶透镜6与第一分束偏振组件之间。待测光经过第一半波片7可以得到45°偏振方向的线偏振光。
其中，第一分束偏振组件包括第一分束元件8和第一偏振分束元件9，第一分束元件8设置于第一半波片7和第一偏振分束元件9之间。从第一半波片7出来的线偏振光通过第一分束元件8将光束一分为二，其中透射的光束通过第一偏振分束元件9将光束分为x方向偏振光和y方向偏振光。优选的，第一分束元件8可以是分束镜，第一偏振分束元件9可以是偏振分束镜。
在本实施例中，还包括第一激光器1、第一扩束元件2和自由空间传输单元4，第一激光器1可以发射出完全相干线偏振激光，该光束携带待测物3信息，光束经过第一扩束元件2（可以是扩束镜）使得光束扩大，扩大的光束在经过待测物3（该待测物可以上下左右自由移动）后通过自由空间传输单元4传输至散射介质5（可以是毛玻璃）。
在本实施例中，还包括连接光学测量组件10的第二分束偏振组件，第二分束偏振组件包括第二分束元件a17、第二分束元件b18、第二偏振分束元件a19、第二偏振分束元件b21和反射元件20。参考光通过第二分束元件a17进行分束，其中一束参考光和待测光在第二分束元件b18处进行合束，并通过第二偏振分束元件a19将合束光分成x方向偏振光和y方向偏振光；另外一束参考光经过反射元件20反射后，通过第二偏振分束元件b21将参考光分成x方向偏振光和y方向偏振光。优选的，第二分束元件a17和第二分束元件b18可以是分束镜，第二偏振分束元件a19和第二偏振分束元件b21可以是偏振分束镜，反射元件20可以是反射镜。
其中，光学测量组件10包括构成阵列结构的第一电荷耦合器单元、第二电荷耦合器单元以及第三电荷耦合器单元。第一电荷耦合器单元用于测量待测光的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布；第二电荷耦合器单元用于测量参考光与待测光合束后的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布；第三电荷耦合器单元用于测量参考光的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布。
进一步地，第一电荷耦合器单元、第二电荷耦合器单元以及第三电荷耦合器单元均包括至少两个电荷耦合器单体。优选的，每个电荷耦合器单元均包括两个电荷耦合器单体，即三个电荷耦合器单元总共有六个电荷耦合器单体，从上至下依次为电荷耦合器单体a101、电荷耦合器单体b102、电荷耦合器单体c103、电荷耦合器单体d104、电荷耦合器单体e105和电荷耦合器单体f106。其中电荷耦合器单体a101到傅立叶透镜6的光程等于傅立叶透镜6的焦距。
还有，电荷耦合器单体a101、电荷耦合器单体b102、电荷耦合器单体c103和电荷耦合器单体d104到第一分束元件8的光程均相等，且该光程等于电荷耦合器单体c103、电荷耦合器单体d104、电荷耦合器单体e105和电荷耦合器单体f106到第二分束元件b18的光程。
在本实施例中，还包括第二激光器12、锁相环11、线偏振片13、第二半波片14、四分之一波片15和第二扩束元件16。第二激光器12通过锁相环11连接第一激光器1，即利用锁相环11、与第一激光器1同类型的第二激光器12以及线偏振片13获得与第一激光器1所发射的激光完全相干的线偏振光，该线偏振光作为参考光，其用来测量光场的相干结构。参考光通过第二半波片14可以得到45°方向偏振的线偏振光，再经过快轴或慢轴为0°的四分之一波片15得到圆偏振光，圆偏振光经过第二扩束元件16（可以是扩束镜）使得光束扩大。
下面对本实施例提供的一种基于随机光场空间结构调控的光学成像系统的工作原理进行阐述。
请继续参阅图1所示，本实施例一种基于随机光场空间结构调控的光学成像系统的工作原理是：第一激光器1可以选用氦氖激光器，氦氖激光器发射出波长为633nm的完全相干线偏振激光，该光束携带待测物信息，光束经过第一扩束元件2使得光束扩大，扩大的光束在经过待测物3（该待测物可以上下左右自由移动）后通过自由空间传输单元4传输至散射介质5（可以是毛玻璃）得到待测光。当光束通过自由空间传输单元4时，由于衍射的影响，光强图像将会变得模糊不清。光束继续传输照射在旋转的散射介质5上，由于散射介质5的散射作用，待测光丢失相位信息。若需要恢复图像的信息，我们可以通过测量散射介质5后光场的相干结构，并恢复出散射介质5后表面的光强分布信息，从而利用菲涅尔域中的相位恢复算法得出待测物3的形状和位置。为了测量简便且更为精准，我们可以在散射介质5后增加一个傅立叶透镜6，其用于对经过散射介质5后的待测光进行傅立叶变换，从而提高光场的相干度。为了便于测量光场的相干结构，待测光经过第一半波片7得到45°偏振方向的线偏振光，该线偏振光通过第一分束元件8将光束一分为二，其中透射的待测光通过第一偏振分束元件9将光束分为x方向偏振光和y方向偏振光，利用光学测量组件10的电荷耦合器单体a101和电荷耦合器单体b102分别测量待测光的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布。
另一方面，利用锁相环11、与第一激光器1同类型的第二激光器12以及线偏振片13获得与第一激光器1所发射的激光完全相干的线偏振光，该线偏振光作为参考光用来测量光场的相干结构。参考光通过第二半波片14可以得到45°方向偏振的线偏振光，再经过快轴或慢轴为0°的四分之一波片15得到圆偏振光，圆偏振光经过第二扩束元件16使得光束扩大。再利用第二分束元件a17将参考光一分为二，其中透射的参考光与待测光在第二分束元件b18处合束，合束光利用第二偏振分束元件a19将合束光分为x方向偏振光和y方向偏振光，利用光学测量组件10的电荷耦合器单体c103和电荷耦合器单体d104分别测量合束光的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布。而从第二分束元件a17所反射的参考光经过反射元件20反射后，利用第二偏振分束元件b21将参考光分为x方向偏振光和y方向偏振光，利用光学测量组件10的电荷耦合器单体e105和电荷耦合器单体f106分别测量参考光的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布。
最后，将上述得到的光强分布信息发送至计算单元22，并通过计算单元22对其进行运算和处理。
实施例二
下面对本发明实施例二提供的一种基于随机光场空间结构调控的光学成像方法进行介绍，下文描述的一种基于随机光场空间结构调控的光学成像方法与上文描述的一种基于随机光场空间结构调控的光学成像系统可相互对应参照。
请参阅图2所示，本实施例提供一种基于随机光场空间结构调控的光学成像方法，包括如下步骤：
S100：利用散射介质5对经过自由空间传输的光束进行散射处理，得到待测光，其中光束携带有待测物信息。
示例地，经过自由空间传输的携带有待测物3信息的光束在散射介质5的散射作用下会丢失相位信息，若需要恢复图像的信息，我们可以通过测量散射介质5后光场的相干结构，并恢复出散射介质5后表面的光强分布信息，利用相位恢复算法得出待测物3的形状和位置。为了测量简便且更为精准，我们可以在散射介质5后增加一个傅立叶透镜6，其用于对经过散射介质5后的待测光进行傅立叶变换，从而提高光场的相干度。
S200：对待测光进行分束偏振处理，其中一束待测光被分为x方向偏振光和y方向偏振光，另外一束待测光与参考光合束后被分成x方向偏振光和y方向偏振光，参考光为待测光的完全相干光。
示例地，利用锁相环11、与第一激光器1同类型的第二激光器12以及线偏振片13获得与第一激光器1所发射的激光完全相干的线偏振光，该线偏振光作为参考光用来测量光场的相干结构。
S300：测量待测光的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布、参考光与待测光合束后的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布以及参考光的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布。
示例地，利用光学测量组件10的电荷耦合器单体a101和电荷耦合器单体b102分别测量待测光的x方向偏振光的散斑信息和y方向偏振光的散斑信息，这里的散斑信息即为光强分布。
S400：根据光强分布求得待测光的交叉谱密度的实部和虚部，利用交叉谱密度的实部和虚部恢复散射介质5的光强分布，并对散射介质5的光强分布进行计算，得到待测物3的形状和位置。
示例地，可以利用菲涅尔域中的相位恢复算法对散射介质5的光强分布进行运算，得到待测物3的形状和位置。
下面对本实施例提供的一种基于随机光场空间结构调控的光学成像方法的工作原理进行阐述。其工作原理如下：
原理1.随机光场的产生：
携带有待测物3信息的光束在自由空间传输单元的传输过程中，由于干涉效应，光强图像已经变得模糊，即散射介质5前表面的光场可表示为：
Figure 755071DEST_PATH_IMAGE020
（1）
式中，
Figure 643261DEST_PATH_IMAGE021
表示虚数单位，
Figure 539542DEST_PATH_IMAGE022
表示待测物3的光场分布，
Figure 145973DEST_PATH_IMAGE023
和
Figure 156042DEST_PATH_IMAGE024
分别表示光的波长和波数，
Figure 164318DEST_PATH_IMAGE025
表示传输距离，即待测物3与散射介质5的距离，
Figure 231500DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 810380DEST_PATH_IMAGE027
分别表示待测物3和散射介质5所在的横截面的坐标。
经过散射介质5的散射作用，光场丢失了相位信息，其光场表示为：
Figure 621210DEST_PATH_IMAGE028
（2）
式中，
Figure 486922DEST_PATH_IMAGE029
表示散射介质5后表面的光场分布，
Figure 990585DEST_PATH_IMAGE030
表示随机相位，其与坐标
Figure 306028DEST_PATH_IMAGE031
有关。
在散射介质5表面的光强为：
Figure 920549DEST_PATH_IMAGE032
（3）
上式表明散射介质5前后表面的光强分布是相同的。
散射介质5后表面的光场可通过其的二阶统计特性交叉谱密度来表征：
Figure 375189DEST_PATH_IMAGE033
（4）
式中，
Figure 66064DEST_PATH_IMAGE034
表示
Figure 603225DEST_PATH_IMAGE035
函数，
Figure 287016DEST_PATH_IMAGE036
和
Figure 858812DEST_PATH_IMAGE037
表示散射介质5所在平面的坐标。
为了测量简便且更为精准，我们可以在散射介质5后增加一个傅立叶透镜6，对散射介质5后表面的光场进行傅立叶变换，从而提高光场的相干度。光场经过傅立叶透镜6后，得到的是部分相干光束，其交叉谱密度为：
Figure 429909DEST_PATH_IMAGE038
（5）
式中，
Figure 719945DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 676268DEST_PATH_IMAGE040
以及
Figure 368149DEST_PATH_IMAGE041
表示观察面任意一点的坐标，
Figure 869669DEST_PATH_IMAGE042
表示傅立叶透镜6的焦距。
将公式（4）代入公式（5），即可建立散射介质5表面的光强分布与观察面的空间相干结构的关系：
Figure 649931DEST_PATH_IMAGE043
（6）
原理2. 测量随机光场的空间相干结构：
待测光的二阶统计特性（包含其相干性）可以由交叉谱密度函数表示为;
Figure 409945DEST_PATH_IMAGE044
（7）
式中，
Figure 956333DEST_PATH_IMAGE045
表示在空间
Figure 878022DEST_PATH_IMAGE046
点处的随机电场，上标星号表示复共轭，尖括号表示系综平均。
具体地，引入一束参考光
Figure 880000DEST_PATH_IMAGE047
与待测光
Figure 443706DEST_PATH_IMAGE048
进行合束，理论上可以通过旋转四分之一波片得到两束相位差为
Figure 579021DEST_PATH_IMAGE049
的参考光，产生的两参考光路分别与待测光相干合束，合束后的总随机电场分别为：
Figure 406031DEST_PATH_IMAGE050
(8)
Figure 895306DEST_PATH_IMAGE051
(9)
式中，
Figure 731544DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 986945DEST_PATH_IMAGE053
分别表示两束参考光的电场。
那么合束光的光强为：
Figure 984856DEST_PATH_IMAGE054
（10）
式中，
Figure 974809DEST_PATH_IMAGE055
取值为1或2，
Figure 363807DEST_PATH_IMAGE056
表示第
Figure 739294DEST_PATH_IMAGE057
束合束光的光强。
两次合束光的光强强度互关联为：
Figure 439265DEST_PATH_IMAGE058
（11）
将公式（8）~（10）代入公式（11），得到合成场的光强互关联可以表示成如下形式：
Figure 900203DEST_PATH_IMAGE059
（12）
式中，
Figure 346752DEST_PATH_IMAGE060
和
Figure 576745DEST_PATH_IMAGE061
分别表示两束参考光的光强分布，
Figure 447618DEST_PATH_IMAGE062
与
Figure 130272DEST_PATH_IMAGE063
分别表示两束参考光与待测光的光强非相干叠加。
从上式中，可以发现光强互关联
Figure 114933DEST_PATH_IMAGE064
与参考光路相位差
Figure 933853DEST_PATH_IMAGE065
有关，且
Figure 726360DEST_PATH_IMAGE066
，并且待测光的交叉谱密度振幅和相位信息也包含在
Figure 161889DEST_PATH_IMAGE067
中。例如：当
Figure 947312DEST_PATH_IMAGE068
时，公式中的最后一项中包括了交叉谱密度的实部信息；当
Figure 889247DEST_PATH_IMAGE069
时，公式中的最后一项中包括了交叉谱密度的虚部信息。
也就是说可以控制两参考光路的相位差来获得交叉谱密度的实部和虚部信息，从而获得待测光的交叉谱密度振幅和相位。
此外，从公式（12）中可以发现光强互关联函数中包含了背景项。为了去除背景项，我们引入参考光与待测光的非相干叠加的光强互相关：
Figure 367502DEST_PATH_IMAGE070
(13)
公式（12）减去公式（13），可以得到：
Figure 24748DEST_PATH_IMAGE072
（14）
公式（14）中，分别取
Figure 613862DEST_PATH_IMAGE073
分布为0和
Figure 398585DEST_PATH_IMAGE074
，可得交叉谱密度的实部与虚部：
Figure 798473DEST_PATH_IMAGE075
（15）
Figure 943016DEST_PATH_IMAGE076
（16）
本实施例中，为了测量待测光的交叉谱密度，我们利用偏振分束镜和电荷耦合器单体记录线
Figure 335820DEST_PATH_IMAGE077
偏振的部分待测光的x方向和y方向偏振的光强分布
Figure 983839DEST_PATH_IMAGE078
、
Figure 806826DEST_PATH_IMAGE079
， 此外还记录了圆偏振参考光x方向和y方向偏振的光强分布
Figure 438664DEST_PATH_IMAGE080
、
Figure 369580DEST_PATH_IMAGE081
，并且记录了参考光与待测光合束之后的合束光的x方向和y方向偏振的光强分布
Figure 153997DEST_PATH_IMAGE082
、
Figure 144955DEST_PATH_IMAGE083
。通过以上的量，可以恢复交叉谱密度的实部和虚部如下：
Figure 267020DEST_PATH_IMAGE084
（17）
Figure 470468DEST_PATH_IMAGE085
（18）
式中，
Figure 358658DEST_PATH_IMAGE086
表示空间平均，由于该光场是经过傅立叶系统产生的，因此，可以通过空间平均而不是时间平均来替代系综平均，根据公式（6），即可利用测得的交叉谱密度通过傅立叶变换恢复散射介质5表面的光强分布
Figure 254939DEST_PATH_IMAGE087
。
原理3. 利用菲涅尔域的相位恢复算恢法复待测物3的形状与位置：
通过上式已知散射介质5表面的光强分布
Figure 864299DEST_PATH_IMAGE087
，而若要进一步获得待测物3函数的具体分布情况，则可以通过相位恢复算法恢复出待测物3。其具体步骤为：
10、首先假设初始待测物为：
Figure 153329DEST_PATH_IMAGE088
（19）
20、初始待测物经过距离为
Figure 630447DEST_PATH_IMAGE089
的自由空间传输后，其光场为：
Figure 228788DEST_PATH_IMAGE090
（20）
式中，
Figure 56935DEST_PATH_IMAGE091
和
Figure 882414DEST_PATH_IMAGE092
分别表示光的波长和波数，
Figure 745196DEST_PATH_IMAGE093
表示传输距离，即初始待测物与散射介质5的距离，
Figure 983280DEST_PATH_IMAGE094
和
Figure 298723DEST_PATH_IMAGE095
分别表示初始待测物和散射介质5所在的横截面的坐标。
30、获取
Figure 663977DEST_PATH_IMAGE096
的相位为：
Figure 384196DEST_PATH_IMAGE097
（21）
40、将相位赋给
Figure 58759DEST_PATH_IMAGE098
，得到新的散射介质表面的光场：
Figure 127078DEST_PATH_IMAGE099
(22)
50、
Figure 279711DEST_PATH_IMAGE100
经过距离为
Figure 588857DEST_PATH_IMAGE101
的自由空间传输，并对得到的光场取实部获得
Figure 699901DEST_PATH_IMAGE102
；
60、根据限制条件对
Figure 724358DEST_PATH_IMAGE102
进行有效信息筛选：
Figure 431414DEST_PATH_IMAGE103
（23）
至此，我们得到了新的待测物的函数
Figure 857716DEST_PATH_IMAGE104
，为了获得更为精准的信息，需要循环迭代，也就是重复这六个步骤，可以循环30到80次，对最终得到的新的待测物函数
Figure 877012DEST_PATH_IMAGE104
的实部进行平方，就得到了初始待测物的光强分布，实现了透过散射介质对隐藏在散射介质后的待测物3的成像。
综上，本发明首先测得待测光的光强分布、待测光和参考光合束之后的合束光的光强分布以及参考光的光强分布，根据光强分布求得待测光的交叉谱密度的实部和虚部，利用交叉谱密度的实部和虚部恢复散射介质5表面的光强分布，并对散射介质5表面的光强分布进行计算，得到待测物3的形状和位置，从而能够快速对动态物体进行成像，成像范围不受光学记忆效应的限制，而且无需测量整个光学系统的点扩散函数。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种基于随机光场空间结构调控的光学成像系统，其特征在于，包括：
散射组件，所述散射组件包括设置于待测物后侧的散射介质，利用散射介质对经过自由空间传输的光束进行散射处理，得到待测光，并将所述待测光传输至第一分束偏振组件，其中所述光束携带有待测物信息；
第一分束偏振组件，所述第一分束偏振组件包括第一分束元件和第一偏振分束元件，所述第一分束元件设置于所述散射介质与第一偏振分束元件之间，所述第一分束元件和散射介质之间还设置有第一半波片，所述第一分束元件和第一偏振分束元件用于对经过第一半波片的待测光进行分束偏振处理，并利用光学测量组件测量光强分布，其中一束待测光被分为x方向偏振光和y方向偏振光，另外一束待测光与参考光合束后被分成x方向偏振光和y方向偏振光，所述参考光为所述待测光的完全相干光；
连接所述第一分束偏振组件的光学测量组件，所述光学测量组件包括构成阵列结构的第一电荷耦合器单元、第二电荷耦合器单元以及第三电荷耦合器单元，所述第一电荷耦合器单元、第二电荷耦合器单元以及第三电荷耦合器单元分别用于测量所述待测光的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布、所述参考光与待测光合束后的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布以及参考光的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布；
计算单元，所述计算单元用于根据光强分布求得所述待测光的交叉谱密度的实部和虚部，利用所述交叉谱密度的实部和虚部恢复散射介质的光强分布，并对所述散射介质的光强分布进行计算，得到所述待测物的形状和位置；
还包括连接光学测量组件的第二分束偏振组件，所述第二分束偏振组件包括第二分束元件a、第二分束元件b、第二偏振分束元件a、第二偏振分束元件b和反射元件，所述参考光通过所述第二分束元件a进行分束，其中一束参考光和待测光在所述第二分束元件b处进行合束，并通过第二偏振分束元件a将合束光分成x方向偏振光和y方向偏振光；另外一束参考光经过反射元件反射后，通过第二偏振分束元件b将参考光分成x方向偏振光和y方向偏振光；
其中，对所述散射介质的光强分布进行计算，得到所述待测物的形状和位置包括：
10：假设待测物为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表示散射介质的光强分布；
20：待测物经过距离为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
的自由空间传输后，其光场为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure DEST_PATH_IMAGE009
分别表示光的波长和波数，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示传输距离，即初始待测物与散射介质5的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure DEST_PATH_IMAGE014
分别表示初始待测物和散射介质5所在的横截面的坐标；
30：获取
Figure DEST_PATH_IMAGE015
的相位为：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
40：将相位赋给
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，得到新的散射介质表面的光场：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
50：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
经过距离为
Figure DEST_PATH_IMAGE021
的自由空间传输，并对得到的光场取实部获得
Figure DEST_PATH_IMAGE022
；
60：根据限制条件对
Figure 447674DEST_PATH_IMAGE022
进行有效信息筛选，得到新的待测物的函数
Figure DEST_PATH_IMAGE023
：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
70：重复步骤10至60，对最终得到的新的待测物函数
Figure 584388DEST_PATH_IMAGE023
的实部进行平方，得到待测物的光强分布，实现透过散射介质对隐藏在散射介质后的待测物的成像。
2.根据权利要求1所述的基于随机光场空间结构调控的光学成像系统，其特征在于：还包括傅立叶透镜，所述傅立叶透镜设置于所述散射介质和第一分束元件之间。
3.根据权利要求1所述的基于随机光场空间结构调控的光学成像系统，其特征在于：所述第一电荷耦合器单元、第二电荷耦合器单元以及第三电荷耦合器单元均包括至少两个电荷耦合器单体，其中第一电荷耦合器单元中的最上方的电荷耦合器单体到傅立叶透镜的光程等于所述傅立叶透镜的焦距。
4.根据权利要求3所述的基于随机光场空间结构调控的光学成像系统，其特征在于：所述第一电荷耦合器单元和第二电荷耦合器单元中的所有电荷耦合器单体到第一分束元件的光程均相等，且该光程等于第二电荷耦合器单元和第三电荷耦合器单元中的所有电荷耦合器单体到第二分束元件b的光程。
5.一种基于随机光场空间结构调控的光学成像方法，其特征在于，包括：
散射组件包括设置于待测物后侧的散射介质，利用散射介质对经过自由空间传输的光束进行散射处理，得到待测光，并将所述待测光传输至第一分束偏振组件，其中所述光束携带有待测物信息；
所述第一分束偏振组件包括第一分束元件和第一偏振分束元件，所述第一分束元件设置于所述散射介质与第一偏振分束元件之间，所述第一分束元件和散射介质之间还设置有第一半波片，所述第一分束元件和第一偏振分束元件对经过第一半波片的待测光进行分束偏振处理，并利用光学测量组件测量光强分布，其中一束待测光被分为x方向偏振光和y方向偏振光，另外一束待测光与参考光合束后被分成x方向偏振光和y方向偏振光，所述参考光为所述待测光的完全相干光；
所述光学测量组件包括构成阵列结构的第一电荷耦合器单元、第二电荷耦合器单元以及第三电荷耦合器单元，使用所述第一电荷耦合器单元、第二电荷耦合器单元以及第三电荷耦合器单元分别测量所述待测光的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布、所述参考光与待测光合束后的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布以及参考光的x方向偏振光和y方向偏振光的光强分布；
利用计算单元根据光强分布求得所述待测光的交叉谱密度的实部和虚部，利用所述交叉谱密度的实部和虚部恢复散射介质的光强分布，并对所述散射介质的光强分布进行计算，得到所述待测物的形状和位置；
其中，对所述散射介质的光强分布进行计算，得到所述待测物的形状和位置包括：
10：假设待测物为：
Figure 692022DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 165859DEST_PATH_IMAGE003
表示散射介质的光强分布；
20：待测物经过距离为
Figure DEST_PATH_IMAGE005A
的自由空间传输后，其光场为：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
式中，
Figure 803733DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 954092DEST_PATH_IMAGE009
分别表示光的波长和波数，
Figure 299754DEST_PATH_IMAGE011
表示传输距离，即初始待测物与散射介质5的距离，
Figure 577282DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 308478DEST_PATH_IMAGE014
分别表示初始待测物和散射介质5所在的横截面的坐标；
30：获取
Figure 380470DEST_PATH_IMAGE015
的相位为：
Figure 462696DEST_PATH_IMAGE016
40：将相位赋给
Figure 278336DEST_PATH_IMAGE017
，得到新的散射介质表面的光场：
Figure 880350DEST_PATH_IMAGE019
50：
Figure 638090DEST_PATH_IMAGE020
经过距离为
Figure 489503DEST_PATH_IMAGE021
的自由空间传输，并对得到的光场取实部获得
Figure 843255DEST_PATH_IMAGE022
；
60：根据限制条件对
Figure 814622DEST_PATH_IMAGE022
进行有效信息筛选，得到新的待测物的函数
Figure 245995DEST_PATH_IMAGE023
：
Figure 53545DEST_PATH_IMAGE025
70：重复步骤10至60，对最终得到的新的待测物函数
Figure 460256DEST_PATH_IMAGE023
的实部进行平方，得到待测物的光强分布，实现透过散射介质对隐藏在散射介质后的待测物的成像。
6.根据权利要求5所述的基于随机光场空间结构调控的光学成像方法，其特征在于，根据光强分布求得所述待测光的交叉谱密度的实部和虚部，利用所述交叉谱密度的实部和虚部恢复散射介质的光强分布包括：
所述待测光的交叉谱密度的实部
Figure DEST_PATH_IMAGE028
和虚部
Figure DEST_PATH_IMAGE030
的计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
表示空间平均，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure DEST_PATH_IMAGE038
以及
Figure DEST_PATH_IMAGE040
表示观察面任意一点的坐标，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure DEST_PATH_IMAGE044
分别表示待测光的x方向和y方向偏振的光强分布，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure DEST_PATH_IMAGE048
分别表示参考光的x方向和y方向偏振的光强分布，
Figure DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure DEST_PATH_IMAGE052
分别表示参考光与待测光合束之后的合束光的x方向和y方向偏振的光强分布；
根据公式利用交叉谱密度通过傅立叶变换恢复散射介质的光强分布
Figure DEST_PATH_IMAGE054
，其中公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE056
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
表示光的波长，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
表示傅立叶透镜的焦距，
Figure DEST_PATH_IMAGE062
表示散射介质所在平面任意一点的坐标，
Figure DEST_PATH_IMAGE064
表示虚数单位。
7.根据权利要求5所述的基于随机光场空间结构调控的光学成像方法，其特征在于：对所述散射介质的光强分布进行计算，得到所述待测物的形状和位置包括：
利用菲涅尔域中的相位恢复算法对散射介质的光强分布进行运算，得到所述待测物的形状和位置。
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