[发明专利]一种时间分辨单光子计数二维成像系统及方法

权利要求书

1.一种时间分辨单光子计数二维成像系统，该系统主要基于压缩传感理论，用于对随时间动态变化的物体成像，输出按时间序列排列的连续灰度视频图像帧，所述系统包含：触发器、光学成像系统、DMD微镜阵列、光学聚焦收集系统、光衰减器、单光子计数器、驱动控制模块和最优化算法模块；

所述触发器由位于其前端的极弱光触发源触发，该触发器输出端与驱动控制模块的输入端相连，当触发器被触发时驱动控制模块将输出驱动控制信号触发与其输出端相连的DMD微镜阵列和单光子计数器开始工作，则该DMD微镜阵列开始翻转，单光子计数器同时开始计数，光衰减器用于对光强度进行衰减，光学聚焦收集系统用于对光线的聚焦收集，单光子计数器是对光进行单光子计数；

所述单光子计数器的输出端与所述最优化算法模块的一个输入端相连，将单光子计数器的计数值作为最优化算法模块的一个输入参数，所述最优化算法模块的另一输入端与所述驱动控制模块的一输出端相连，用于接收该驱动控制模块存储的选定区域的随机测量矩阵作为其另一输入参数；所述最优化算法模块根据输入的单光子计数器的测量值与所述随机测量矩阵重建出稀疏信号，并反演出光子密度图像，经过M个t时间间隔，就能重建出按时间序列排列的可时间分辨的一系列二维灰度图像视频帧；

所述DMD微镜阵列为数字微镜器件；

其中，所述驱动控制模块的另一输出端与所述DMD微镜阵列的输入端相连，用于驱动控制DMD微镜阵列的翻转；该驱动控制模块基于DLP数字光处理技术，该驱动控制模块在选定DMD微镜阵列工作区域后，下载伪随机测量矩阵驱动控制所述DMD微镜阵列的翻转；所述DMD微镜阵列在翻转的同时会向所述单光子计数器发送同步信号，保证DMD微镜阵列与单光子计数器之间同步，即DMD微镜阵列每翻转一次，单光子计数器累积计数在该次翻转的时间间隔内的光单子数，DMD微镜阵列翻转完成后，单光子计数器清零重新开始累积计数，所有计数和该选定区域的随机测量矩阵均传送至最优化算法模块中。

2.根据权利要求1所述的时间分辨单光子计数二维成像系统，其特征在于，所述极弱光触发源为：极弱光光源或自发光生物体。

3.根据权利要求2所述的时间分辨单光子计数二维成像系统，其特征在于，当所述极弱光触发源采用极弱光光源时，其投射方式有两种：1)极弱光光源直接透射物体对象上，光源与光学成像系统光轴在同一条直线上，物体对象可以是半透明的或者镂空的，通过透射光成像；2)极弱光光源斜着打在物体上，光源与光学成像系统光轴不在同一条直线上，通过物体对象反射极弱光来成像；

当所述极弱光光源比较强时采用滤光片滤除该极弱光的杂光，若极弱光光源的光强极其微弱，且其波长在本发明探测所要求的波长范围内，则不需要再设置滤光片。

4.根据权利要求1所述的时间分辨单光子计数二维成像系统，其特征在于，所述光学成像系统和光学聚焦收集系统均采用光学透镜组，分别负责光学成像和光学聚焦，极弱光通过光学成像系统后，可在DMD上成等大或缩小或放大的像，按实际需求进行成像调整；

其中，所述光学聚焦收集系统采用光纤耦合技术，即将经由所述分光光度计分光后的光束耦合到光纤中，利用光纤耦合技术将分光分别收集到对应的单光子计数器上。

5.根据权利要求1所述的时间分辨单光子计数二维成像系统，其特征在于，所述的光衰减器是由多块衰减片组成，放置在光学聚焦收集系统和单光子计数器之间的光路上或光源处，用于将光衰减到单光子计数器的工作范围；该光衰减器的设计是为了防止被测光子密度过大和单光子计数器的门控时间过长引起的饱和，若被测光已经达到单光子级别，则不需要再设置光衰减器了；若将光衰减片放置在光源处，这可将光源变成单光子源，这种方式噪声会略大。

6.一种时间分辨单光子计数二维成像方法，该方法对随时间动态变化的物体成像，输出按时间序列排列的连续灰度视频图像帧，所述方法包含如下步骤：

步骤1，用于采用极弱光触发源触发触发器进行触发同步的步骤，该步骤实现了时间分辨的效果；

步骤2，用于将被测信号由高维向低维进行映射的步骤，该步骤采用压缩和采样对被测信号进行由高维向低维进行映射；

步骤3，用于对待输出的视频帧进行稀疏重建最优化，输出按时间序列排列的连续灰度视频图像帧的步骤。