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《光学学报》2023年第08期封面故事二:高分辨三维成像技术

已有 755 次阅读 2023-5-11 17:16 |系统分类:论文交流

《光学学报》于2023年43卷第08期推出“现代光学设计与制造”专题,其中,中国科学院光电技术研究所研究论文“基于共聚焦亚像素扫描的高分辨三维成像”被选为本期封面文章。

 

 

封面解析

 

       空间碎片严重威胁着在轨运行航天器的安全,大多数空间碎片尺寸小、距离远,难以实现有效探测。封面以空间碎片探测为背景,形象展示了共聚焦亚像素扫描三维成像技术对远距离小目标探测的过程,通过聚焦照明、亚像素扫描和先进重建算法多种技术的有效结合,解决多重回波和高频信息提取等难题,突破光学系统口径限制,实现对成像目标的超衍射三维成像,在危险空间碎片探测、对地观测等高分辨望远成像领域有着广泛的应用潜力。

 

       《光学学报》2023年第08期封面文章 |黄远建; 李晓银; 叶文怡; 郭迎辉; 杨龙飞; 贺江; 柯源; 蒲明博; 罗先刚; 基于共聚焦亚像素扫描的高分辨三维成像[J].光学学报, 2023, 43 (08): 0822014

 

       激光雷达技术因具有高精度、高分辨率和工作距离远等优点被广泛应用于三维成像。然而,受光学系统衍射极限限制,激光雷达的空间分辨率随着目标距离增大而显著降低。为解决上述问题,本文结合共聚焦照明技术和亚像素扫描技术,提出了一种聚焦照明亚像素扫描光子计数激光雷达,并在实验室内进行了10 m成像实验验证。

 

01  研究背景

 

       “背负青天朝下看,都是人间城郭”。科学技术的发展让人类可以像鲲鹏一样实现从万里高空俯瞰人间城郭,如今更是可以从更遥远的太空俯瞰人间。这其中,光学成像技术是看清人间城郭的核心,看得更远、看得更清也是光学成像技术不断追逐的目标。

 

       光学成像分辨力本质上受到衍射极限限制,为满足空间探测、对地观测等高分辨望远成像重大需求中对成像分辨力的要求,光学系统不断朝着大口径的方向发展。然而,光学系统口径增大给系统体积、质量和功耗、成本、研制周期等方面都带来极大挑战。

 

02  高分辨的三维成像系统

 

        激光扫描三维成像中,光束通过逐点扫描的方式对目标进行扫描照明,并可以通过探测目标不同位置的返回光信号来获取探测目标表面的深度信息,从而实现三维成像的目的。在该过程中,照明光斑在成像目标上的尺寸与分布是影响成像分辨率的一个重要因素,光斑尺寸越小,扫描步长越小,获取到目标表面处的信息越精细,重建恢复的物体三维信息更清晰。

 

        传统激光扫描三维成像为了减小光束的发散,一般将激光准直扩束后以平行光束的模式照射至远处目标物体,目标物体处的光斑尺寸主要取决于扩束后的光束发散角以及成像工作距离,且通常情况下远大于衍射极限下的光斑尺寸。光斑尺寸的增大对激光扫描三维成像质量的影响主要体现在两方面:一方面会使照射到物体表面处的光信号能量降低,导致返回光信号变弱从而影响探测距离;另一方面,大光斑照射到物体表面的面积也较大,从而导致同一光斑因为物体面型的变化产生多回波信号,影响测距的精度。

 

       针对上述问题,本文提出基于共聚焦扫描的三维成像方法,其结构示意图如图1所示,将平行照明光束改为聚焦照明光束,借助共聚焦扫描的特点,将接收视场与照明视场基本匹配,保证扫描精度的同时降低回波噪声。实验结果表明,相同实验条件下,相比于准直照明,聚焦照明可以实现更高的分辨率和更强的回波信号。

 

图1 激光三维成像原理图。(a)准直照明;(b)聚焦照明;(c) 8m处准直光束和聚焦光束照明深度及强度对比

 

       然而,聚焦照明扫描对激光三维成像分辨率的提升也有限,成像分辨率仍受限于光学系统的衍射极限,光束扫描步长最小只能到聚焦光斑尺寸。由于光学系统口径一定,聚焦光斑产生的二维空间频率信息固定,重叠后的亚像素扫描也只是对这固定空间频率增加了采样次数,难以产生新的高频信息。得益于三维成像中的深度信息,单点扫描的测距信息可以在二维空间外新增一个深度约束,从而对重叠的两个光斑通过深度信息的不同进行区分,结合三维反卷积算法完成模型的求解,得到点云数据并完成图像的三维重建,如图2所示。

 

图2 共聚焦亚像素扫描装置设计。(a)装置原理图;(b)亚像素扫描示意图;(c)成像目标

 

       图3所示的实验结果表明,随着扫描精细度的增加,在深度信息的辅助下(测距精度优于7.5 mm@10 m),0.9 mm的狭缝由无法分辨、到粗略分辨再到清晰分辨,突破了光学系统的衍射极限(1.22 mm)。进一步,本文验证了共聚焦亚像素扫描在三维成像中突破衍射极限分辨成像的能力。

 

图3 共聚焦亚像素扫描实验结果。(a)分辨率靶成像结果;(b)熊猫玩偶成像结果

 

       综上所述,本文基于单光子探测技术和共聚焦亚像素扫描技术,构建了一种可用于远距离高分辨的三维成像系统,结合聚焦照明、亚像素扫描和计算成像算法等技术,解决了多重回波和高频信息提取难题,实现了超衍射极限三维成像。

 

03  后续工作

 

       未来,团队将进一步研究基于超振荡的超衍射聚焦主动照明三维成像来解决分辨率受光学衍射极限限制的问题。同时,考虑远距离传输中的环境因素,将开展矢量光场在抗干扰和提高分辨率方面的研究。

 

编辑 |王晓琰

 

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