[论文解读] Imaging in scattering media via the second-order correlation of light field

Wenlin Gong, Pengli Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2009

Random lasers and scattering media参考文献 2被引用 66

一句话总结

本文展示了利用热光的二阶关联成像可在强多重散射介质中实现高质量图像重建。通过利用双光子干涉实现探测与成像的分离，该方法在参考臂无散射时，相比传统的一阶关联技术，显著提升了图像可见度和分辨率。

ABSTRACT

Imaging with the second-order correlation of two light fields is a method to image an object by two-photon interference involving a joint detection of two photons at distant space-time points. We demonstrate for the first time that an image with high quality can still be obtained in the scattering media by applying the second-order correlation of illuminating light field. The scattering effect on the visibility of images is analyzed both theoretically and experimentally. Potential applications and the methods to further improve the visibility of the images in scattering media are also discussed.

研究动机与目标

• 探究二阶关联成像是否能够克服光学介质中多重散射导致的图像退化。
• 分析散射对通过二阶关联重建的图像可见度和质量的影响。
• 探讨在测试臂中使用传统成像技术以提升散射环境中图像质量的可行性。
• 确定在何种条件下，二阶关联成像在散射介质中优于传统的一阶关联成像。

提出的方法

• 使用分束器将热光源分为两路：一路为测试臂（通过散射介质），另一路为参考臂（无散射）。
• 通过一阶关联函数 $ G^{(1,1)}(x_1, x_2) $ 及脉冲响应函数 $ h_t(x_2, x_t) $ 和 $ h_r^*(x_1, x_r) $ 计算二阶关联函数 $ \Delta G^{(2,2)}(x_r, x_t) $。
• 使用归一化的二阶关联度 $ g^{(2)}(x_1, x_2=0) $ 量化图像可见度，其中 $ g^{(2)} \approx 1.05 $ 表示图像质量可用。
• 系统在两臂均使用轴向分辨率高达 6.45 × 6.45 μm 的 CCD 相机，通过相关性捕捉强度涨落并重建图像。
• 理论建模采用脉冲响应函数 $ h(x, x_0) = \alpha h_{in}(x, x_0) + \beta h_{sca}(x, x_0) $，其中 $ \alpha $ 和 $ \beta $ 分别代表直接光与散射光的贡献。
• 通过分析 $ g^{(2)}(x_r, x_t=0) $ 和 $ g^{(2)}(x_{t1}, x_{t2}=0) $ 随散射厚度 $ L_1 $ 的变化，评估图像质量，结果表明可见度随散射增加而下降，但仍保持可用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在传统一阶成像失效的散射介质中，二阶关联成像能否生成高质量图像？
• RQ2 测试臂中的多重散射如何影响通过二阶关联重建的图像可见度和分辨率？
• RQ3 参考臂（无散射）在二阶关联成像中对图像质量保持起何作用？
• RQ4 在二阶关联系统中，测试臂内传统成像技术能在多大程度上提升图像质量？
• RQ5 归一化的二阶关联度 $ g^{(2)} $ 在不同散射厚度下与图像可见度的相关性如何？

主要发现

• 即使多重散射严重劣化一阶成像，该二阶关联成像方法仍能成功在散射介质中重建高质量图像。
• 随着散射厚度 $ L_1 $ 增加，图像可见度下降，表现为 $ g^{(2)}(x_r=0, x_t=0) $ 降低，但在 $ L_1 = 40 $ mm 时仍高于 1.05，支持可用的图像重建。
• 当两台探测器均为高分辨率 CCD 相机时，由于双光子干涉的鲁棒性，即使测试臂存在强散射，仍可获得高质量图像。
• 当 $ L_1 \ll L_2 $ 时，重建图像质量主要取决于参考臂的成像机制；当 $ L_1 \gg L_2 $ 时，主要取决于测试臂的传统成像系统。
• 在目标平面上，$ g^{(2)}(x_r=0, x_t=0) $ 越高，且横向相干宽度越大，散射介质中的图像可见度越高。
• 该方法实现的图像重建质量优于一阶关联成像，尤其在参考臂无散射时，验证了探测与成像的分离策略。