基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場重建裝置及其重建方法
【專利摘要】基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場重建裝置及其重建方法，屬于紅外光學成像領域。目前缺少通過微透鏡陣列測量光場信號的技術方法。基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場重建裝置，數據采集處理系統(7)連接激光控制器(1)和三個微透鏡陣列光場相機；激光控制器(1)連接激光頭(2)，激光頭(2)和三個微透鏡陣列光場相機圍成的區域中心設置彌散介質(3)。基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場重建方法，包括介質邊界出射輻射測量、近紅外脈沖激光在彌散介質的傳輸計算、光學參數場重建環節。本發明實現對彌散介質光學參數場的重建，為近紅外光學成像和紅外探測技術提供新的技術手段。
【專利說明】
基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場重建裝置 及其重建方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種通過微透鏡陣列測量光場信號的裝置和技術方法，具體設及基于 微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場重建裝置及其重建方法。
【背景技術】
[0002] 彌散介質內部光學參數場的重建是通過分析介質邊界的測量信號來反演內部光 學參數場，由于介質內部的光學參數分布與介質內部的結構相關，所W彌散介質內部光學 參數場的重建技術有助于探測介質內部幾何結構。作為一種有效的探測技術，彌散介質光 學參數場重建廣泛應用于無損探測、光學成像、紅外遙感、信息處理和故障診斷等領域。
[0003] 超短脈沖激光持續時間非常短，其脈沖寬度與激光在介質內傳輸的時間相當，達 到皮秒和飛秒量級，此時測量信號(如福射信號)隨時間的變化與光子的傳播速度相比不可 忽略，其福射傳輸過程中必須考慮瞬態效應。與穩態福射問題相比，瞬態福射具有大量的隨 時間變化的信息可W利用，瞬態光學性質及其時間衰減蘊藏了介質內的一些重要信息，尤 其是關于介質內部結構的信息。
[0004] 光場成像技術與傳統成像技術相比，獲取的信息多出了兩個自由度，因而在信息 重建中能獲得更加豐富的信息。微透鏡陣列是最常用的光場獲取方式，具有光學系統簡單、 硬件設備成本低、結構緊湊，標定簡單，成像效果好，數據處理方便等優點。利用微透鏡陣列 獲取福射光場信息，提供比傳統接觸式測量更為豐富的測量信號，能夠有效的克服光學參 數場重建中的病態特性和吸收散射系數之間的串擾問題。在目前的彌散介質光學參數場重 建研究中，福射信號的測量主要W接觸式的光纖測量為主，缺少通過微透鏡陣列測量光場 信號的技術方法。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是為了解決目前缺少通過微透鏡陣列測量光場信號的技術方法的 問題，而提出一種基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場重建裝置，和一種基 于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場的重建方法。
[0006] -種基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場重建裝置，其組成包括： 激光控制器、激光頭、彌散介質、第一微透鏡陣列光場相機、第二微透鏡陣列光場相機、第= 微透鏡陣列光場相機和數據采集處理系統，數據采集處理系統連接激光控制器，激光控制 器連接激光頭;數據采集處理系還同時與第一微透鏡陣列光場相機、第二微透鏡陣列光場 相機、第=微透鏡陣列光場相機連接；
[0007] 其中，激光頭、第一微透鏡陣列光場相機、第二微透鏡陣列光場相機、第=微透鏡 陣列光場相機的中屯、點在同一平面上;激光頭和第二微透鏡陣列光場相機中屯、點的連線， 與第一微透鏡陣列光場相機和第=微透鏡陣列光場相機中屯、點的連線垂直相交，兩條中屯、 點連線的交點處分別為各自中點，且在兩條中屯、點連線的交點處設置彌散介質。
[0008] -種基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場的重建方法，所述方法通 過W下步驟實現，
[0009] 步驟一、開啟激光控制器，使激光頭發射的脈沖激光射入彌散介質，然后將彌散介 質W第一微透鏡陣列光場相機和第立微透鏡陣列光場相機中屯、點的連線為軸旋轉90°，使 脈沖激光作用于彌散介質的另外一個邊界，直至彌散介質的四個邊界都受到一次激光頭發 射的脈沖激光；
[0010] 激光頭每發射一次脈沖激光時都利用第一微透鏡陣列光場相機、第二微透鏡陣列 光場相機、第=微透鏡陣列光場相機進行一次經彌散介質透射或反射出的福射場信號的采 集，再將獲得的所有福射場信號發送至數據采集處理系統中；
[0011] 數據采集處理系統分別對獲得的福射場信號進行處理，獲得彌散介質各邊界射出 的光譜福射強度值;其中，S表示光源位置，i表示探測點位置，M表示測量信號；
[0012] 步驟二、設彌散介質的光學參數場為4*\通過時域福射傳輸方程計算出彌散介質 邊界的透射及反射福射強度信號巧,?，將計算得到的彌散介質邊界的透射及反射福射強度信 號^,與步驟一采集的福射場信號構成目標函數。(4<^);
[0013] 其中，透射及反射福射強度信號巧,.中上角標P表示估算信號或模擬信號;y表示待 重建的彌散介質的光學參數場；
[0014] 步驟=、利用共輛梯度法進行迭代計算，更新第k次迭代計算得到的彌散介質光學 參數場的分布值：
[0015]
[0016] 式中，k = l,2,…；Ay表示參數的改變量；
[0017] 步驟四、根據步驟=第k次迭代計算得到的彌散介質光學參數場的分布值yk，計算 彌散介質邊界的福射強度信號W及目標函數F(yk);
[0018] 若目標函數F(yk)的值小于極值，則執行步驟六；
[0019] 否則，執行步驟五；
[0020] 步驟五、若迭代次數k達到最大迭代次數K，則使當前的彌散介質光學參數場的分 布值作為初值，重新開始迭代，即令4*^ = 4'，返回至步驟二；
[0021] 否則，返回至步驟S;
[0022] 步驟六、將當前迭代計算得到的光學參數場分布值作為重建結果，結束反演過程。
[0023] 本發明的有益效果為：
[0024] 本發明屬于一種近紅外光學成像技術，具體地說是一種基于微透鏡陣列與近紅外 脈沖激光提供的彌散介質邊界時域測量信號，對介質內部的未知光學參數場進行重建的方 法。本發明通過介質邊界出射福射測量、近紅外脈沖激光在彌散介質的傳輸計算、光學參數 場重建環節實現基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場重建方法。利用具有微 透鏡陣列的光場相機獲取脈沖激光作用下彌散介質邊界各個方向上的福射強度信息，通過 模擬彌散介質內的紅外福射傳輸過程，并結合最優化方法，重建得到介質內部的光學參數 場分布圖像，從而探測得到彌散介質的內部結構。通過本發明的仿真計算，可實現對彌散介 質光學參數場的重建，為近紅外光學成像和紅外探測技術提供新的技術手段。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發明所采用的硬件的結構示意圖；
[0026] 圖2為基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場重建方法的流程圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0027] 一：
[0028] 本實施方式的基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場重建裝置，結合 圖1其組成包括:激光控制器1、激光頭2、彌散介質3、第一微透鏡陣列光場相機4、第二微透 鏡陣列光場相機5、第=微透鏡陣列光場相機6和數據采集處理系統7,數據采集處理系統7 連接激光控制器1，激光控制器1連接激光頭2;數據采集處理系統7還同時與第一微透鏡陣 列光場相機4、第二微透鏡陣列光場相機5、第=微透鏡陣列光場相機6連接；
[0029] 其中，激光頭2、第一微透鏡陣列光場相機4、第二微透鏡陣列光場相機5、第=微透 鏡陣列光場相機6的中屯、點在同一平面上;激光頭2和第二微透鏡陣列光場相機5中屯、點的 連線，與第一微透鏡陣列光場相機4和第立微透鏡陣列光場相機6中屯、點的連線垂直相交， 兩條中屯、點連線的交點處分別為各自中點，且在兩條中屯、點連線的交點處設置彌散介質3。
【具體實施方式】 [0030] 二：
[0031] 與【具體實施方式】一不同的是，本實施方式的基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介 質光學參數場重建裝置，所述彌散介質3是指是指對紅外光呈吸收、散射特性的介質，所述 彌散介質3包括為生物組織、火焰或者陶瓷中的一種。
【具體實施方式】 [0032]
[0033] 本實施方式的基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場的重建方法，所 述方法通過W下步驟實現，
[0034] 步驟一、開啟激光控制器1，使激光頭2發射的脈沖激光射入彌散介質3,然后將彌 散介質3W第一微透鏡陣列光場相機4和第=微透鏡陣列光場相機6中屯、點的連線為軸旋轉 90%使脈沖激光作用于彌散介質3的另外一個邊界，直至彌散介質3的四個邊界都受到一次 激光頭2發射的脈沖激光；
[0035] 激光頭2每發射一次脈沖激光時都利用第一微透鏡陣列光場相機4、第二微透鏡陣 列光場相機5、第=微透鏡陣列光場相機6進行一次經彌散介質3透射或反射出的福射場信 號的采集，再將獲得的所有福射場信號發送至數據采集處理系統7中；
[0036] 數據采集處理系統7分別對獲得的福射場信號進行處理，獲得彌散介質3各邊界射 出的光譜福射強度值4^其中，3表示光源位置，1表示探測點位置，1表示測量信號，是英文 單詞Measured的縮寫；
[0037] 步驟二、設彌散介質3的光學參數場為tiD，通過時域嬌射傳輸方程計算出彌散介質 3邊界的透射及反射福射強度信號巧,，將計算得到的彌散介質3邊界的透射及反射福射強 度信號巧,與步驟一采集的福射場信號構成目標函數。(4<^);
[0038] 其中，透射及反射福射強度信號/P，,中上角標P表示估算信號或模擬信號，是英文 單詞Predicted的縮寫;y表示待重建的彌散介質的光學參數場；
[0039] 步驟=、利用共輛梯度法進行迭代計算，更新第k次迭代計算得到的彌散介質光學 參數場的分布値：
[0040]
[0041] 式中，k = l,2,…；Ay表示參數的改變量；
[0042] 步驟四、根據步驟=第k次迭代計算得到的彌散介質光學參數場的分布值yk，計算 彌散介質3邊界的福射強度信號/]；,. W及目標函數F(yk);
[0043] 若目標函數F(yk)的值小于極值e，則執行步驟六；
[0044] 否則，執行步驟五；
[0045] 步驟五、若迭代次數k達到最大迭代次數K，則使當前的彌散介質光學參數場的分 布值作為初值，重新開始迭代，即令4*^ = 4"，返回至步驟二；
[0046] 否則，返回至步驟S;
[0047] 步驟六、將當前迭代計算得到的光學參數場分布值作為重建結果，結束反演過程。 [004引【具體實施方式】四：
[0049] 與【具體實施方式】=不同的是，本實施方式的基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介 質光學參數場的重建方法，步驟一所述激光頭2發射的脈沖激光射入彌散介質3時，激光頭2 發射的脈沖激光射入彌散介質3各邊界的中屯、點。
【具體實施方式】 [0050] 五：
[0051] 與【具體實施方式】=或四不同的是，本實施方式的基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌 散介質光學參數場的重建方法，步驟二所述待重建的彌散介質的光學參數場y包括吸收系 數Wa和散射系數iis兩部分參數，且兩部分參數場同時進行重建。
【具體實施方式】 [0052] 六：
[0053] 與【具體實施方式】五不同的是，本實施方式的基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介 質光學參數場的重建方法，步驟二所述通過時域福射傳輸方程計算出彌散介質3邊界的透 反射福射強度信號/?的過程為，利用離散坐標法對時域福射傳輸方程進行求解，其中，瞬 態的時域福射傳輸方程的表達式為：
[0化4]
[0055]式中，t表示時刻，r表示空間位置，Q表示福射傳輸方向，Q/表示福射入射方向，C 表示彌散介質3中的光速，▽表示梯度；O ( Q /，Q )表示彌散介質3的散射相函數；
[005引 Kr, Q，t)為在t時刻、位置為r、方向為Q的福射強度。
【具體實施方式】 [0化7] 屯：
[0058]與【具體實施方式】=、四或六不同的是，本實施方式的基于微透鏡陣列與脈沖激光 的彌散介質光學參數場的重建方法，步驟二所述目標函數。(4<^)的表達式為：
[0化9]
[0060] 式中，S表示光源，d表示探測點，n表示時層的數量，iKii)為正則化項，由廣義馬克 爾夫隨機場模型構建得到，用W克服反問題的病態特性。
【具體實施方式】 [0061] 八：
[0062] 與【具體實施方式】屯不同的是，本實施方式的基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介 質光學參數場的重建方法，步驟=所述利用共輛梯度法進行迭代計算，更新第k次迭代計算 得到的彌散介質光學參數場的分布值的過程為，所述共輛梯度法具體描述為：
[0063] yk 二 yk-i+曰 kdk
[0064] 式中，ak表示第k次迭代的步長，可由一維捜索得到;dk表示第k次迭代的下降方向， 由當前目標函數梯度和上一次迭代的下降方向決定，且dk = -VF+護dW;式中，▽表示▽表 示梯度;e表示共輛系數。
【具體實施方式】 [0065] 九：
[0066] 與【具體實施方式】一、二、四、六或八不同的是，本實施方式的基于微透鏡陣列與脈 沖激光的彌散介質光學參數場的重建方法，所述彌散介質3包括為生物組織、火焰或者陶瓷 中的一種。
[0067] 本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，本領域 技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但運些相應的改變和變形都應屬于 本發明所附的權利要求的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場重建裝置，其組成包括:激 光控制器（1)、激光頭(2)、彌散介質（3)、第一微透鏡陣列光場相機(4)、第二微透鏡陣列光 場相機(5)、第三微透鏡陣列光場相機(6)和數據采集處理系統(7)，其特征在于:數據采集 處理系統(7)連接激光控制器(1)，激光控制器(1)連接激光頭(2);數據采集處理系統(7)還 同時與第一微透鏡陣列光場相機(4)、第二微透鏡陣列光場相機(5)、第三微透鏡陣列光場 相機(6)連接； 其中，激光頭(2)、第一微透鏡陣列光場相機(4)、第二微透鏡陣列光場相機(5)、第三微 透鏡陣列光場相機(6)的中心點在同一平面上;激光頭(2)和第二微透鏡陣列光場相機(5) 中心點的連線，與第一微透鏡陣列光場相機(4)和第三微透鏡陣列光場相機(6)中心點的連 線垂直相交，兩條中心點連線的交點處分別為各自中點，且在兩條中心點連線的交點處設 置彌散介質(3)。2. 根據權利要求1所述基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場重建裝置， 其特征在于:所述彌散介質(3)是指對紅外光呈吸收、散射特性的介質。3. -種利用基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場重建裝置的重建方法， 其特征在于:所述方法通過以下步驟實現， 步驟一、開啟激光控制器（1)，使激光頭（2)發射的脈沖激光射入彌散介質（3)，然后將 彌散介質(3)以第一微透鏡陣列光場相機(4)和第三微透鏡陣列光場相機(6)中心點的連線 為軸旋轉90°，使脈沖激光作用于彌散介質(3)的另外一個邊界，直至彌散介質(3)的四個邊 界都受到一次激光頭(2)發射的脈沖激光； 激光頭(2)每發射一次脈沖激光時都利用第一微透鏡陣列光場相機(4)、第二微透鏡陣 列光場相機(5)、第三微透鏡陣列光場相機(6)進行一次經彌散介質（3)透射或反射出的輻 射場信號的采集，再將獲得的所有輻射場信號發送至數據采集處理系統(7)中； 數據采集處理系統(7)分別對獲得的輻射場信號進行處理，獲得彌散介質（3)各邊界射 出的光譜輻射強度值其中，s表示光源位置，i表示探測點位置，M表示所測量信號； 步驟二、設彌散介質(3)的光學參數場為μ'通過時域輻射傳輸方程計算出彌散介質(3) 邊界的透射及反射輻射強度信號/&，將計算得到的彌散介質（3)邊界的透射及反射輻射強 度信號與步驟一采集的輻射場信號構成目標函數F(J); 其中，透射及反射輻射強度信號中上角標P表示估算信號或模擬信號;μ表示待重建 的彌散介質的光學參數場； 步驟三、利用共輒梯度法進行迭代計算，更新第k次迭代計算得到的彌散介質光學參數 場的分布值： μ1? = μ1?-1+Λμ 式中，k=l，2，···； Δμ表示參數的改變量； 步驟四、根據步驟三第k次迭代計算得到的彌散介質光學參數場的分布值μ15，計算彌散 介質(3)邊界的輻射強度信號以及目標函數F(yk); 若目標函數F(yk)的值小于極值，則執行步驟六； 否則，執行步驟五； 步驟五、若迭代次數k達到最大迭代次數K，則使當前的彌散介質光學參數場的分布值 作為初值，重新開始迭代，即令J=Pk，返回至步驟二； 否則，返回至步驟三； 步驟六、將當前迭代計算得到的光學參數場分布值作為重建結果，結束反演過程。4. 根據權利要求3所述基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場的重建方 法，其特征在于:步驟一所述激光頭(2)發射的脈沖激光射入彌散介質（3)時，激光頭(2)發 射的脈沖激光射入彌散介質(3)各邊界的中心點。5. 根據權利要求3或4所述基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場的重建 方法，其特征在于:步驟二所述待重建的彌散介質的光學參數場μ包括吸收系數~和散射系 數y s兩部分參數，且兩部分參數場同時進行重建。6. 根據權利要求5所述的基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場的重建方 法，其特征在于，步驟二所述通過時域輻射傳輸方程計算出彌散介質(3)邊界的透反射輻射 強度信號/?的過程為，利用離散坐標法對時域輻射傳輸方程進行求解，其中，瞬態的時域輻 射傳輸方程的表達式為：式中，t表不時刻，r表不空間位置，Ω表不福射傳輸方向，Ω '表不福射入射方向，c表不 彌散介質(3)中的光速，▽表示梯度；Φ(Ω'，Ω)表示彌散介質(3)的散射相函數。7. 根據權利要求3、4或6所述的基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場的 重建方法，其特征在于，步驟二所述目標函數F(J)的表達式為：式中，s表示光源，d表示探測點，η表示時層的數量，Φ(μ)為正則化項，由廣義馬克爾夫 隨機場模型構建得到，用以克服反問題的病態特性。8. 根據權利要求7所述的基于微透鏡陣列與脈沖激光的彌散介質光學參數場的重建方 法，其特征在于，步驟三所述利用共輒梯度法進行迭代計算，更新第k次迭代計算得到的彌 散介質光學參數場的分布值的過程為，所述共輒梯度法具體描述為： yk=yk^+akdk 式中，ak表示第k次迭代的步長，可由一維搜索得到;dk表示第k次迭代的下降方向，由當 前目標函數梯度和上一次迭代的下降方向決定，且= 式中，▽表示梯度;β表 示共輒系數。
【文檔編號】G06F17/50GK106023082SQ201610348998
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月24日
【發明人】喬要賓, 齊宏, 阮世庭, 阮立明, 談和平, 許傳龍, 張彪
【申請人】哈爾濱工業大學