散射介質(zhì)成像技術(shù)

1、散射介質(zhì)成像技術(shù)及其應(yīng)用中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所賀正權(quán) 散射介質(zhì)成像原理 傳輸矩陣構(gòu)成方法 單光纖成像技術(shù) 散射介質(zhì)成像應(yīng)用（1）Turbid Media 渾濁介質(zhì)： 不透明（2）Random（disordered ） Material 隨機(jī)介質(zhì)： 內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻，不規(guī)則，隨機(jī)性 （3）Scattering Material 散射介質(zhì)： 光通過后，發(fā)生散射為什么要研究散射介質(zhì)成像？為什么要研究散射介質(zhì)成像？ 成像環(huán)境限制 在成像光路上如果有散射介質(zhì)存在。在成像光路上如果有散射介質(zhì)存在。 生物組織，細(xì)胞膜，霧霾等 傳統(tǒng)成像系統(tǒng)分辨率有限 傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)的分辨率極限為光波長的一傳統(tǒng)光學(xué)成

2、像系統(tǒng)的分辨率極限為光波長的一半。半。 可見光波長可見光波長550nm， 550/2 = 275nm 散射介質(zhì)成像技術(shù)突破傳統(tǒng)的光學(xué)成像原理，不是采用透散射介質(zhì)成像技術(shù)突破傳統(tǒng)的光學(xué)成像原理，不是采用透鏡進(jìn)行成像，而是利用光學(xué)干涉和衍射的原理，來實現(xiàn)成鏡進(jìn)行成像，而是利用光學(xué)干涉和衍射的原理，來實現(xiàn)成像。像。 一、散射介質(zhì)成像原理散射介質(zhì)成像散射介質(zhì)成像（無透鏡成像無透鏡成像Lensless Imaging）透鏡成像透鏡成像物體透鏡 成像透鏡透鏡散光片散光片散斑圖散斑圖 散射介質(zhì)成像技術(shù)突破傳統(tǒng)的光學(xué)成像原理，不是采用透鏡進(jìn)行成像，而是利用光學(xué)干涉和衍射的原理，來實現(xiàn)成像。 OMI= OMOT

3、I= OTIISignalS(t)Noise n(t)OutputfO(t) = f(t)* S(t) + n(t)Systemf(t)系統(tǒng)函數(shù)二、傳輸矩陣的構(gòu)成二、傳輸矩陣的構(gòu)成 成像系統(tǒng)的傳輸矩陣能夠全面、準(zhǔn)確地表征系統(tǒng)的成像能力和成像質(zhì)量。 傳輸矩陣的構(gòu)成方法： 相位匹配法（波前補(bǔ)償法） 空間頻率分解法 遞推逼近法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補(bǔ)償器相位補(bǔ)償器空間光調(diào)制器相位補(bǔ)償空間光調(diào)制器相位補(bǔ)償 = M/N相關(guān)函數(shù)與重建數(shù)量的關(guān)系EOP ( , )= A (k v, k ) exp i(k , k )EIP (x,y ) = A (

4、k v, k ) Etr (x, y, k v, k ) x,y A (k v, k )2、空間頻率分解法A (k v, k )Etr (x, y, k v, k ）成像實驗光路ShutterShutterFiber or振鏡掃描振鏡掃描點陣掃描點陣掃描渾濁透鏡渾濁透鏡傳輸矩陣傳輸矩陣獲獲 取取圖像圖像重構(gòu)重構(gòu)物體圖像角物體圖像角譜信息獲取譜信息獲取2D2D角度掃描角度掃描記錄散斑圖像記錄散斑圖像圖像去噪圖像去噪提取相位信息提取相位信息計算傳輸矩陣計算傳輸矩陣記錄物體散斑圖像記錄物體散斑圖像提取物體散斑圖像提取物體散斑圖像相位信息相位信息計算物體信息矩陣計算物體信息矩陣矩陣投影計算角譜矩陣投影

5、計算角譜利用角譜合成利用角譜合成圖像圖像圖像亮度對比圖像亮度對比度調(diào)整度調(diào)整物體圖像輸出物體圖像輸出利用傳輸矩陣重構(gòu)圖像利用傳輸矩陣重構(gòu)圖像圖像重構(gòu)圖像重構(gòu) 基本原理基本原理 I3 = E21+E22+ 2E1E2 cos（） 其中，E1是信號光振幅，E2 是參考光振幅，I3 是干涉光場強(qiáng)度， 信號光和參考光的相位差 此方法可以得到物體圖像復(fù)振幅矩陣，再按傳輸矩陣投影后即可得到物體的角譜，利用角譜即可重構(gòu)出物體圖像。散射介質(zhì)傳輸矩陣計算及物體圖像重構(gòu)散射介質(zhì)傳輸矩陣計算及物體圖像重構(gòu)基本原理基本原理 I3 = E21+E22+ 2E1E2cos（） 其中，E1是信號光振幅，E2 是參考光振幅，

6、I3 是干涉光場強(qiáng)度， 信號光和參考光的相位差 此方法可以得到物體圖像復(fù)振幅矩陣，再按傳輸矩陣投影后即可得到物體的角譜，利用角譜即可重構(gòu)出物體圖像。實驗圖像暗背景暗背景參考光參考光信號光信號光干涉圖像干涉圖像干涉圖像的局部放大結(jié)果實驗條件（物參光強(qiáng)及對比，物參夾角，系統(tǒng)穩(wěn)定性、抗干擾性等）會對記錄的圖像質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。需要優(yōu)化選擇相應(yīng)的實驗條件。可見cos值的分布正負(fù)并不對稱，且波動太細(xì)小（這是噪聲的表現(xiàn)），這會對傳輸矩陣的正交性產(chǎn)生重要影響，這些都需要做相應(yīng)的修正處理。圖像處理得到的cos余弦項的結(jié)果圖像重構(gòu)結(jié)果當(dāng)激光光斑較小時，直接拍攝鑒別率版的細(xì)條紋（一組0.1mm）再通過散光片成像

7、，頻率采樣數(shù)101101。左邊一張為原始圖像未做去噪處理的重構(gòu)圖像中間一張為原始圖像去噪后角譜未做去噪處理的重構(gòu)圖像右邊一張為原始圖像去噪后角譜也做去噪處理的重構(gòu)圖像 （可以看到有明顯的三條條紋，但噪聲背景依然顯得較大。）傳輸矩陣正交性 實驗條件（物參光強(qiáng)及對比，物參夾角，系統(tǒng)穩(wěn)定性、抗干擾性等）和圖像處理算法（包括對圖像噪聲、灰度失真、傳輸矩陣正負(fù)不對稱等的處理）都會影響到傳輸矩陣的正交性。物體角譜信息中間值最大的是零頻，可見，這不同于一般圖像的頻譜，說明所得角譜中含有較大的噪聲，掩蓋了絕大部分角譜信息。這是目前圖像重構(gòu)過程中最大的障礙。 機(jī)械掃描法機(jī)械掃描法 （Mechanically S

8、canning） 點擴(kuò)散函數(shù)法（點擴(kuò)散函數(shù)法（Point Spread Function，PSF） 散射介質(zhì)成像法（散射介質(zhì)成像法（Turbid lens imaging，TLI） 由于圖像是通過單根光纖（單?；蚨嗄＃﹤鬏斶^來，由于圖像是通過單根光纖（單?；蚨嗄＃﹤鬏斶^來，使得探頭的直徑可以非常小，一般能達(dá)到使得探頭的直徑可以非常小，一般能達(dá)到0.5mm0.5mm以下。這一以下。這一技術(shù)是進(jìn)幾年迅速發(fā)展起來的一種新的成像技術(shù)。技術(shù)是進(jìn)幾年迅速發(fā)展起來的一種新的成像技術(shù)。三、單光纖成像技術(shù)三、單光纖成像技術(shù)多模光纖和散射介質(zhì)的關(guān)系多模光纖和散射介質(zhì)的關(guān)系 CCD物渾濁介質(zhì)渾濁介質(zhì)散斑圖多模光纖多

9、模光纖單光纖成像單光纖成像光源： 激光器成像傳像： 光纖光束經(jīng)過光纖傳輸后得到的散斑圖 左圖為光纖的后向散射光形成的散斑圖，右圖為光纖端面1mm處物體（光纖傳輸?shù)墓庹彰鳎┑姆瓷涔庠俳?jīng)過光纖后得到的散斑圖（其中含照明光經(jīng)光纖的后向散射光），可見，物體反射前后的光斑強(qiáng)度變化還是比較顯著的。同時，較強(qiáng)的后向散射光將對成像信息提取產(chǎn)生很大的干擾散斑成像實驗散斑成像實驗 拍攝鑒別率板由毛玻璃散射后的散斑圖像（下邊兩張），對242張散斑圖處理后得到鑒別率板的圖像（上邊一張） 韓國Youngwoon Choi等人的團(tuán)隊對單根光纖顯微成像進(jìn)行了探索性的研究，其分辨率（約為2.2m）已遠(yuǎn)超過目前的光纖束式內(nèi)窺鏡（a a）鑒別率板經(jīng)光纖傳像束所成的像）鑒別率板經(jīng)光纖傳像束所成的像 （b b）鑒別率板經(jīng)單光纖渾濁透鏡成像）鑒別率板經(jīng)單光纖渾濁透鏡成像 醫(yī)用內(nèi)窺鏡已經(jīng)成為了一種醫(yī)學(xué)臨床必備的診療手段，采用內(nèi)窺鏡，可實現(xiàn)多種微創(chuàng)或無創(chuàng)手術(shù)。經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，內(nèi)窺鏡的質(zhì)量和功能都有了巨大的進(jìn)步。 硬質(zhì)窺鏡硬質(zhì)窺鏡柔性窺鏡柔性窺鏡四、單光纖成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用四、單光纖成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 隨著內(nèi)窺鏡應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，對內(nèi)窺鏡的性能提出來更高的要求: 高分辨率高分辨率 （幾十萬像素）（幾十萬像素） 小直