提高鬼影成像质量的策略

摘要

提出了一种新方法，以改善在一个重影的利息（投资回报）​​区域的信噪比（SNR）（GI）系统与不均匀的斑点照明。在GI系统的成像结果可以在存在光的不均匀分布会失真。在这项研究中，三薄膜偏振器用于产生在不均匀的光强度分布的照明图案。特别地，偏振器组被装载在物体上只臂，即，原来的均匀分布的光场由参考臂仍然获得的。在光路中这个很小的变化消除了由不均匀的照明，同时增加了ROI的SNR的失真。这一策略已被证实的原则，通过仿真和实验。

一。介绍

鬼影成像（GI）[1-6]也被称为相关成像，可以利用探测器在没有空间分辨率的情况下恢复物体的信息。经典的GI系统一般由两个臂组成，一个臂（参考臂）通过面阵探测器直接采集光源的空间分布，另一个臂（目标臂）通过桶形探测器采集目标的强度信息。该信息在两臂同步采集，通过相关运算恢复目标图像。

然而，传统的方案不能重建图像以非常高的质量，即使当有大量样品，并且这样的成像系统需要获取动态场景的实时成像的现有采样时间的许多小时。近年来，许多优化方案[7-14个]已经被用来改善这种情况，比如[7]，差分[8]，归一化[9]，压缩感知计算[10个，11个]，正弦[德意志北方银行]，高阶[13个]，和伪逆[14个] GI。一的GI比传统的成像系统的优点显著是回收在低光照条件下的图像的能力[15个，16个]或者有大的干扰。[17岁-20个].

在传统的GI系统中，激光被应用到旋转的磨砂玻璃上以产生热光。随着磨砂玻璃的旋转，热光可以看作是一组时间变化的高斯分布的照明模式。当然，照明模式与成像质量密切相关[德意志北方银行，21岁-23个]，光照模式下光强的不均匀分布将重新分配信噪比（SNR）[24个]除了图像的失真。因此，主动产生的非均匀光场可以提高局部roi的信噪比。在本研究中，三个薄膜偏振器被用来产生光强度分布不均匀的照明图案。偏振器组仅加载在目标臂上，即参考臂仍能获得原均匀分布的光场。光路的这种微小变化有助于消除由不均匀照明引起的失真（不需要额外的数字后处理），同时增加感兴趣区域（ROI）的信噪比。该策略在原理上、仿真和实验上都得到了验证。

2.一种不均匀的光场的调制

如图1，在光路中，我们使用两种自由转动角膜偏振器，P₁和P₃和环状的膜偏振器P₂装载有二维平移台，以调制的光场，并产生不均匀的斑点图案。应当注意的是，尽管孔径可以实现无穷的SNR，它不能用于不平坦的点提供的条件。统一三个薄膜偏振器的相对偏航角，中间环形膜偏振器的初始角度为0°，并且由这两个前，后偏振器膜的顺时针旋转得到的角度的值是和 ，分别是。

初始照度表示为一世₀。通过3薄膜偏振器后，将中间圆形区域和外围环形区域的点亮由下式表示一世₂和一世₁， 分别。根据马吕斯定律，可以得到下面的公式： 其中[R表示圆形区域的照度的到外环区域的照度之比。此外，该值 表示在实际情况下由于偏振器吸收光而产生的损耗因子。

如图2从三个偏振片上获得了不同的散斑图。数字3显示了理论与实践之间的关系第三个偏振器旋转角度 。可以看出[R理论上是宽泛而不精确的。事实上[R在具体实验中意义不大，反映了一种定性关系。我们确定了至30度，即第一薄膜偏振器和第二环形偏振器保持不变，以便第三薄膜偏振器可以调整以达到不同的值[R。

三。带偏振器组的GI系统

实验A的设置在图中所示4. He-Ne激光器（北京大学物理系工厂，JD2B-0506103）产生的红光通过偏振片P1变成线偏振光。由步进电机控制的旋转磨砂玻璃将激光调制成热光。热光首先通过针孔，然后通过分束器，形成两条光路。在其中一条路径上，散斑图由位于M1位置的电荷耦合器件（CCD）（大亨MER-031-U3M）直接采集。在另一条路径上，光束通过透镜大号1个(F = 50 mm) and annular film polarizerP2到达物平面，其中中号1和中号2被从分束器等距，和的位置中号2满意的物平面的成像关系。穿过物体之后，光束通过透镜传送大号2个(F = 30 mm）和偏振器P3被放大的光电探测器（APD）（Thorlabs PDA100A2）收集，将光信号转换成电信号并放大。最后，通过数据采集卡（NI PCI-6220）将电信号转换成数字信号，并传输到计算机。在数据处理中，利用散斑图和同时采集的强度值来恢复图像。

为了便于数学推导，我们使用矩阵运算来描述GI的物理过程。我们用了ñ-维行向量 来表示所述目标进行成像，这里的值ñ表示恢复对象的像素数。传统的GI需要大量的光照模式或散斑模式才能有效。在这里，我们使用了测量矩阵 以表示不同的散斑图案或照明图案（中号）。这些中号光照模式被投射到物体上，其反射或透射光被会聚透镜收集，并使用桶形探测器收集光强度。这一物理过程可以用下列方程式来近似： 其中，矢量 表示单像素检测器检测到的相对强度值。

在一个GI系统中，常见的是使用下面的等式来恢复对象的图像： 哪里表示成像后的恢复解决方案Ø，表示矢量中所有元素的平均值b和^Ť表示矩阵的转置。

为了更好地说明ROI的应用，我们将向量分成Ø分为两个部分， 和 ，哪里和Ø₁表示与中间ROI相对应的对象，以及Ø₂表示对应于其它区域中的对象，如显示在下面的等式：

因此，小号也可以分为两部分， 并且如图所示，如下式：

由于这三个偏振器的调制，照度的在内部的圆形区域到位于外侧的环形面积之比为[R，所以等式(五)可写如下：

类似于方程式(2)，可以得到以下方程：

忽略常数项而代方程（7)进入方程式(3)收益率

方程式(8）所示Ø₁与竞争关系Ø₂. 尽管我们不能精确控制小号在传统的GI，我们可以调整的价值[R通过调整偏振镜的角度，在我们的系统。通过这种方式， ， ， ，和不能人为控制。对于Ø₁，是一个不可避免的背景噪声术语Ø₂。因此，确定的成像质量Ø₁的条件下，背景噪声项不能被改变。下的初始条件，的值[R是1，并且其物理意义是，偏振器系统不能均匀调节的散斑图案。当我们转动偏振镜，使价值[R大于1，无关背景噪声项Ø₁完全抑制和无关的背景噪声项Ø₂被放大，反之亦然。

如果不均匀光场也被加载到参考臂中，则可以得到以下方程：

通过比较方程（8）和（9)结果表明，在GI系统中，当两臂同时存在不均匀光场时，会对成像产生明显的线性失真。这种线性失真不会进一步增加感兴趣区的信噪比，因为它会放大信号并均匀地缩放噪声。将极化群应用于GI系统的目标臂，消除了乘法失真，提高了ROI的信噪比。

4.仿真和实验结果

一组仿真结果如下。在模拟中，我们使用了大小的“CNU”的掩膜图案毫米²作为成像目标。收集10,000张图像，并使用等式（后3)，恢复目标图像，如图所示五. 数字五（a） 显示等待分析的图像。数字五（b）表示的高斯分布的计算机模拟的散斑图案。数字五（c） 显示使用原始散斑图案的成像结果。数字五（d）示出了其中的强度分布是不均匀的，与所述ROI中的其他区域的三倍的强度，即散斑图案， 。数字五（e）示出在两个臂使用不均匀的光场成像结果。数字五（f）表示由所提出的方法，即，不平坦光场被加载只到对象臂中获得的成像结果。它可以从结果可以看出，ROI的SNR的可见性，并且比引入不均匀的光场的后原来的成像效果显著更高。这是不可避免的，但是，其它区域的可见性和SNR将相应减少下相同数量的采样时间，并在图中的数据6表明我们得到这个结果。数字6示出了相应区域的用于图的灰度值五（一个），五（c） 我是说，五（e） ，和五（F）作为像素位置的函数，其中虚线表示在图的成像目标的灰度值分布五（a） 是的。比较数字时五（e）和五（f） ，可见成像的光强分布图五（e） 是不均匀的，有明显的扭曲，而数字五（f） 看起来很自然。仿真结果证实了该理论的正确性。

数字7示出了一组使用提出的方法不同的ROI的模拟结果的。模拟的设置参数是相同的如前面提到的，测量次数为10,000和[R = 3. Comparing the imaging results of figures7（a）和7（c） 可见，偏振系统的成像结果确实提高了信噪比。在下面描述的具体实验中，我们控制了圆极化的空间位置P₂通过二维翻译阶段主动选择感兴趣区域的位置。这确保了更实际的实现，例如，可以对目标进行动态采样以恢复具有高信噪比的图像。

如图所示8（a）和8（b） 在黑色亚克力板上刻有周期分布的三角形图案，黑色部分不透明，白色部分透明。共进行了7次对比实验，通过实验结果直观地展示了成像的差异。进行了10000次采样实验，将磨玻璃的转速设定为每转5000步，CCD的采集帧频为2 Hz。第一偏振器与第二环形偏振器的夹角α为30°。

比较数字8（d） 我是说，8（f） ，和8（j）中，作为值[R随着信噪比的增加，感兴趣区的对比度也相应增加。数字8（d） 我是说，8（h） ，和8（L）表明，SNR和ROI的对比度相应地减少，直到ROI是由背景噪声淹没。与数字相比8（d）和8（f）中，可以看出的是，ROI的成像结果是更好的溶液中加入所述偏振器系统时。所述第二偏振器的位置是通过移动二维平移台以获得图的实验结果调整8（n）和8（P）。对于定量描述和比较，我们选择了标有在图一红色粗体虚线的区域8（a） 作为比较对象。数字9示出了相应区域的用于图的灰度值8（d） 我是说，8（f） 我是说，8（h） 我是说，8（j） ，和8（L），为的像素位置，其中所述虚线表示成像目标的灰度值分布的函数。表1介绍不同的灰度值的比值[R值和灰度值时[R = 1。这张桌子是数字的补充9. 实验结果没有明显的强度畸变。总的来说，成像结果与理论预期相当。利用所提出的系统和方案，消除了光强不均匀的影响，提高了ROI的信噪比和对比度。

五，结论

总之，本研究提出了改进ROI的SNR与不均匀的斑点照明用的GI系统的新方法。三个薄偏振器被用来实现SNR的区域再分配，和偏振器系统装入只有对象臂。这些小的变化同时消除所造成的不均匀的照明，同时提高了SNR和可见性的失真。此外，我们灵活通过调整圆偏振器的位置来实现GI与多个不同ROI的高的SNR。当需要大量的测量，这种方法也可以被使用。

数据可用性

由于我们现在正在进行另一项实验，需要使用本文中的原始数据，因此没有提供用于支持本研究结果的原始数据。

利益冲突

作者宣称，他们没有利益冲突。

作者的贡献

所有的作者都为理论分析、计算、实验和手稿的准备做出了贡献。

致谢

这项工作得到了国家自然科学基金（6157513161675138和61575130）和北京市教育委员会的资助(编号：SQKM201810028004)). 作者们想感谢“enago”提供的英语修饰。

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