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散射介質成像方法介紹

發布時間:2020-07-23 13:35:46 瀏覽量:8323

摘要

當激光照射到光學粗糙表麵或者當激光穿過散射體(ti) 或具有懸浮顆粒的空間時,由於(yu) 光波相幹疊加,形成的反射光場具有隨機的空間光強分

布,稱為(wei) 激光散斑效應.散斑的產(chan) 生就是因為(wei) 散射介質的散射,所謂的散射就是光在傳(chuan) 播時因受到傳(chuan) 播介質中分子或原子的作用而改變

其光強的空間分布、偏振狀態或頻率的現象。在我們(men) 的日常生活中,散射現象無處不在,給人們(men) 的生活造成了諸多的不便。霧霾導致車

禍事故的頻發,航班延誤等;生物組織的散射導致顯微鏡無法觀測深層的組織結構;火災引起的濃煙導致救援工作無法順利進行。


正文


當激光照射到光學粗糙表麵或者當激光穿過散射體(ti) 或具有懸浮顆粒的空間時,由於(yu) 光波相幹疊加,形成的反射光場具有隨機的空間光強分

布,稱為(wei) 激光散斑效應.散斑的產(chan) 生就是因為(wei) 散射介質的散射,所謂的散射就是光在傳(chuan) 播時因受到傳(chuan) 播介質中分子或原子的作用而改變

其光強的空間分布、偏振狀態或頻率的現象。散射介質成像的研究對人們(men) 的生活和社會(hui) 的進步都有重要的意義(yi) 。


目前比較流行的散射介質成像方法歸結如下:

- 自適應光學技術

- 光學相幹斷層掃描技術

- 波前校正技術

- 計算鬼成像技術

- 時間反轉技術

- 渾濁透鏡成像技術

- 激光散斑掃描技術


1、自適應光學技術

   大氣的抖動會(hui) 使光波波前發生畸變,而自適應光學(adaptive optics)正是通過對這些畸變進行校正提高係統的成像質量。由於(yu) 大

氣湍流以及溫度變化都會(hui) 導致空氣中折射率的變化,正是這些變化導致了待觀測物體(ti) 發出或者反射的光波麵發生扭曲,這樣一來將會(hui) 使

得傳(chuan) 統的成像係統成像質量和圖像分辨率下降。


   自適應光學技術可以在一定程度上對這些扭曲的波麵進行校正,該技術通過對這些波麵的實時測量、控製和校正,使得整個(ge) 光學係統

可以自動的適應外界條件的變化,避免了波麵扭曲對係統帶來的幹擾,整個(ge) 係統可以始終保持良好的工作狀態。


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2、光學相幹斷層掃描(OCT)技術

   光學相幹斷層掃描技術即OCT(Optical coherence Tomography)技術,該技術是一種新型的無接觸、無創的光學診斷技術。

   OCT技術的基本原理是:寬帶光源發出低相幹光,經過光纖耦合器將相幹光一分為(wei) 二。一束做為(wei) 參考光,該光經參考臂直接照射在反

光鏡上麵反射;另一束光做為(wei) 信號光,該光線經過樣品臂照射到樣品上反射。兩(liang) 束反射光在光纖耦合器處重新匯合,進行相幹疊加。相

幹疊加的光信號經過計算機的處理,我們(men) 就可以得到物體(ti) 的斷層圖像。光學相幹斷層掃描(OCT)技術具有成像速度快、分辨率高、

無損傷(shang) 等優(you) 點。


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3、計算鬼成像技術

   鬼成像技術都是利用空間分離的經物體(ti) 衍射後的光與(yu) 自由傳(chuan) 播的光進行強度關(guan) 聯成像。鬼成像技術的基本原理為(wei) :一束光經過物體(ti) 衍

射後照射到沒有空間分辨率的筒狀探測器內(nei) ,另一束參考光則不經過物體(ti) ,進入高空間分辨率的ccd,作為(wei) 參考光得到空間分布。當兩(liang) 束光

被收集以後,通過對這兩(liang) 束光的強度值進行一個(ge) 關(guan) 聯計算就可以恢複出待測物體(ti) 的信息。


   計算鬼成像技術相對於(yu) 傳(chuan) 統的鬼成像,引入了可以產(chan) 生隨機強度分布的DMD(數字微反射鏡),從(cong) 而不再需要參考光路,隻需要用

一個(ge) 單像素相機就可以完成測量。DMD或者振幅型LCOS為(wei) 壓縮感知的鬼成像(compressive ghost imaging)的核心器件。


4、時間反轉技術

   時間反轉技術(Time Reversal)是由聲學領域發展而來的一種新型的成像技術。其基本原理為(wei) :用一台換能器將接收到的聲音信號

轉化為(wei) 電信號,然後對這個(ge) 電信號進行混頻處理,可以得到一個(ge) 時反信號,最後對該信號用換能器向外發射,實現原始信號的共軛,同

時在目標方位上完成空間聚焦。


   在2008年,國外的團隊使用铌酸鋰晶體(ti) (LiNbO3)進行了相關(guan) 的實驗。首先他們(men) 利用铌酸鋰晶體(ti) (LiNbO3)將散射光場中的相位

分布記錄下來,並以此重構出了共軛的參考光束,之後將光束反轉以後通過散射介質,通過這樣的方法實現對原始入射光線的追擊,並

且重構出了原始光場,成功的獲得了清晰圖像。

 

5、波前校正技術

   純相位的液晶空間光調製(LC-SLM,Spatial light modulator)可以將入射的光波分成非常多的小區域,每個(ge) 區域的相位可以單

獨的調製。通過調製相位使得出射光在特定的點上發生幹涉效應,最後使得控製點的光強值達到最大。這樣就完成了對散射介質前麵點

光源的成像。


   2012年,國外的課題組利用波前矯正技術成功的實現了清晰的散射介質成像。先將待測物體(ti) 替換成點光源,利用空間光調製器對點

光源的波前進行校正,使散射光場能恢複點光源的像,獲得所需要的波前校正相位陣列,接著換回待測物體(ti) 。利用由於(yu) 光學記憶效應,

得到了待測物體(ti) 的清晰成像。


6、渾濁透鏡成像技術

   光波通過散射介質後,原來的光波序列被打亂(luan) ,但是大部分信息並沒有丟(diu) 失。光波經過散射介質的散射作用後高頻信息可以被采集,

光波經過散射介質後係統的橫向分辨率得到提高。原本成像於(yu) CCD靶麵之外的物點也因散射介質的散射作用的被CCD采集。


   國外的團隊使用激光在一塊散射介質上進行逐點高精度角度掃描,同時配合一台高速幹涉顯微鏡對所得的散射圖像逐一保存,再用傳(chuan)

輸矩陣表征各個(ge) 角度的輸入-輸出響應,之後把物體(ti) 散斑圖與(yu) 各個(ge) 角度的傳(chuan) 輸矩陣進行對比,通過計物體(ti) 散斑圖和各個(ge) 角度傳(chuan) 輸矩陣的

相關(guan) 性恢複出了位於(yu) 25um 厚的 ZnO 金屬板後的圖像,從(cong) 實驗上對渾濁透鏡成像計術進行了驗證。

 

7、激光散斑掃描技術

   激光散斑掃描技術的原理是:在散射介質前麵用激光器以θ角進行環狀高精度掃描,同時逐一采集對應的散射圖像,通過分析這些散

射圖像之間的相關(guan) 性,最終通過迭代算法恢複出待測物體(ti) 的圖像。


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