基于光场理论的短波红外和紫外像增强器成像质量提升方法与流程

本发明属于图像处理领域，具体涉及基于光场理论的短波红外和紫外像增强器成像质量提升方法。

背景技术：

1、在短波红外和紫外图像增强器的成像技术中，最常用的方法是使用适当的光源和探测器进行成像。然而，由于短波红外和紫外光的特性，以及光的传播和衍射过程中的复杂性，传统的成像技术往往不能得到理想成像结果。例如，经常存在图像模糊、对比度低、分辨率差等问题。

2、传统成像技术的主要限制在于其忽略了光场的复杂性和动态性。光在传播过程中会受到许多因素的影响，包括光源的性质(例如光的波长和强度)、光线经过的媒介的物理特性(例如折射率和吸收率)，以及光线路径中的障碍物等。这些因素会改变光的传播方向和强度，进而影响最终的成像效果。然而，传统的成像技术通常假设光沿直线传播，没有考虑光场的这些特性，因此很难得到理想的成像结果。

3、此外，探测器需要具有足够高的灵敏度和分辨率，以检测到光的微弱信号，并能够分辨出细微的图像细节。然而，现有的探测器技术并不能完全满足这些需求，特别是在短波红外和紫外区域，探测器的性能往往较差。这就限制了传统成像技术的应用范围和成像质量。

4、另一方面，现有成像技术在超高分辨率成像、全息成像等领域中也无法满足需求。例如，近年来物联网、大数据等技术的快速发展，对各种传感器的性能提出了更高的要求。然而，传统成像技术在这方面的研发尚处于初级阶段，尚无法满足这些领域的需求。

技术实现思路

1、本发明提出了一种基于光场理论的短波红外和紫外像增强器成像质量提升方法。该方法能够充分利用光场的信息，通过对光场模型和探测器的优化，以提高成像质量，扩展成像技术的应用范围。

2、为了实现上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：所述的方法根据光场理论建立光的传播和衍射模型，并替换原本的探测器模型，包括：

3、s1：首先根据光源的性质、探测器的性能参数以及光传输过程中可能遇到的环境或素材的物理特性，来设定初始的光场模型；

4、s2：将设定的模型代入如菲涅耳-吉森公式中，通过数值计算来预测光场在目标探测位置的分布情况；

5、s3：对于任何不符合预期的光场分布结果，更新或修正初始的光场模型；并反复进行s2的计算，直到模型预测的结果符合实际情况；

6、s4：针对新的光场模型(更新或修正后的光场模型)，对探测器进行相应的优化或调整；

7、s5：运用新光场模型和优化后的探测器，重新进行成像；若结果的成像质量仍有待提高，继续迭代以上s2-s4的步骤，达到最终的成像效果。

8、进一步地，所述的s1中光源的性质包括光源类型、波长、功率；

9、所述的光场模型包括但不限于平面波、球面波和高斯束模型。

10、进一步地，所述的平面波为光场在空间的任何一点上，振动总是同相同振幅，表示为：

11、e＝e0exp[i(kz-ωt)](1)

12、其中e表示光的电场强度，e0为复振幅，k为波矢密度，z为方向，ω为角频率，t为时间；

13、所述的球面波为光场的强度随与光源距离的增大而减小，表示为：

14、e＝e0/r exp[i(kr-ωt)](2)

15、其中e0为复振幅，k为波矢密度，r为与光源的距离，ω为角频率，t为时间；

16、所述的高斯束模型为一种横向强度分布呈高斯形状的光束，可表示为：

17、e＝e0exp(-r2/w2)exp(-ikz)exp(-i2arctan(z/z0))(3)

18、其中w为波束半径，r为横向距离，z为方向，k为波矢密度，z0为波束腰距离。

19、进一步地，所述的s2具体步骤如下：

20、s201：选择适当的数值计算方法，由于涉及到的物理模型包含复杂的微分方程，用数值方法进行求解；选择有限差分时间域方法(fdtd)；

21、s202：将设定的模型逐个代入法线-吉尔森公式中，菲涅耳-吉尔森公式是光场传播和衍射的基础公式；

22、所述的菲涅耳-吉森公式如下：

23、

24、其中，u(p)是观察点p在波前上的光场强度，u(q)是光源平面上的光场强度，λ是光波长，z是观察点p与光源平面的距离，r是p与q的距离。

25、s203：通过数值计算来预测光场在目标探测位置的分布情况。

26、进一步地，所述的有限差分时间域方法(fdtd)计算过程如下：

27、s2011：离散化空间和时间，首先，设立一定的空间网格，每个网格点上都会计算电场和磁场的值；然后，设定一个时间步长，使得每经过一步时间，都需要重新计算所有网格点上的电场和磁场值；

28、s2012：代入差分公式，在离散的网格环境下，电场e和磁场h的更新公式为：

29、

30、

31、其中δh和δe分别表示磁场和电场在时间δt内的变化，ε和μ分别是电介质的电容率和磁导率，δx是空间步长；

32、s2013：迭代更新，根据以上步骤，不断迭代更新每个网格点上的电场和磁场值，从而模拟电磁场在空间网格上的演化情况。

33、进一步地，所述的s3具体步骤如下：

34、s301：检查预测结果：得到s2步骤中数值计算的结果后，首先需要检查光场在目标探测位置的分布情况，看是否满足预期；这包括光场的强度模式是否符合预期，光场的相位分布是否正确等。

35、s302：分析偏差来源：若光场分布结果不符合预期，那么需要分析偏差来源；主要判断模型设置、参数选择是否有误；

36、s303：更新模型：根据偏差来源，对初始的光场模型进行更新或修正；若光源模型不准确，更新为更适合的模型；若环境或物料的物理特性选择不恰当，重新设定；

37、s304：重复计算：嵌套或循环计算，此步骤反复进行，即反复执行s2和s3，直到获得一种符合实际测量结果的模型。

38、进一步地，所述的s4具体实现过程如下：

39、s401：分析新光场模型：根据s3步骤中得到的新光场模型，分析其对探测器性能的影响；

40、新光场模型是否改变了入射光的角度，是否影响了光强分布，是否改变了光的波长；

41、s402：判断探测器性能是否需要优化：根据新光场模型对探测器性能的影响，判断探测器是否需要进行优化调整；

42、s403：探测器优化：包括更新探测器的参数，改变探测器的工作波长、增强探测器的灵敏度；

43、改变探测器的结构，改变探测器的尺寸、形状；

44、调整探测器的位置，改变探测器与目标的距离、改变探测器的角度。

45、本发明有益效果：

46、提高成像质量：通过建立准确的光场模型并优化探测器的性能，可以显著提高成像的分辨率、对比度和信噪比，使得成像结果更清晰、更准确。

47、扩大成像范围：传统的成像技术往往受限于光源和探测器的性能。而本发明的方法，通过对光场和探测器的优化调整，可以在更广泛的条件下得到良好的成像效果。对探测器的优化：对探测器的优化可以提高探测器的性能，并且简化操作，减小负担。