[发明专利]一种互补测量的单光子光谱计数成像系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及极弱光成像光谱的技术领域，特别涉及一种互补测量的单光子光谱计数成像系统及方法。

背景技术

在光谱成像测量分析、生物检测、星空探测、夜视观测、极弱光探测、浓度检测、遥感成像、医疗成像、监控等新兴高科技领域，不仅需要探测极弱光，还要对若干个光谱波段进行成分分布分析，且可见光的成像光谱探测已经无法满足需求，科学家们更多时候需要知道近红外光波段的光谱信息。此外，现有成像光谱仪器对极弱光不敏感，大多采用扫描方式，稳定性差，很难达到成像高精度的要求。由于激光器一般工作在倍频的波长上，波长范围有限，常规的成像探测器也仅工作在可见光波段，很难实现对极弱光对象进行可见光和近红外光的宽谱成分分布的同时检测分析，亟待一种全新的成像光谱系统来满足日益增长的科研需求。

本发明为解决上述问题而应运而生，同时也是基于前人工作的改进与创新。在本领域，本研究所已有一份相关专利：《一种极弱光多光谱成像方法及其系统》（申请号或专利号：201110166471.6，申请人或专利权人：中国科学院空间科学与应用研究中心），在该专利申请中由于没有考虑随机测量矩阵的特点所以仅采用空间光调制器（SLM）的一臂反射光路进行光子收集分光，且所采用的算法重建质量差，运算量大，原理上尚存在一定技术上的缺陷，本发明为了克服上述技术缺陷充分考虑技术特征之间的关系提出一种互补测量的单光子光谱计数成像系统及方法，采用双臂互补测量，可见光与近红外光同时测量，改进了原理和算法，并提出波长-光功率的光谱图的生成方法，以解决上述一系列的问题。

光谱成像是获得和显示精确颜色信息的重要技术，原因之一是光谱图像包含了光谱信息，原因之二是光谱成像技术很好地克服了同色异谱现象。对极弱光对象的光谱成像更是在多种领域有广泛的应用前景。

光子计数成像就是一种极弱光探测技术，通过记录成像位置的光子计数，计数等效于光强信息，于是得到光强的空间分布情况，最后累计出一幅图像。

现有的成像光谱技术必须将一维光谱、二维平面图像中的任何一维，以辅助扫描的方式来实现，由于纳米位移扫描平台的稳定性差、扫描过程复杂，不仅增加了制造成本，也极大延长了待测物体的测试时间，对于某些生物样品而言会降低成功率。这样带来的弊端是采样时间必须给扫描留出充分的空间。若一维光谱以扫描形式实现时，必须采用面元探测器（由大量的光敏探测元件组成）进行探测，如ICCD、EMCCD、APDs等。面元探测器在对极弱光进行探测时需要曝光一定时间（即积分时间），平均到单位像素上的光通量极小，加上暗计数的影响，信噪比较差，极难准确推算落在该像元上的光强值，具有灵敏度的问题。其中ICCD、EMCCD都号称可以做到单光子探测，但需深度半导体制冷，成本昂贵，ICCD空间分辨率较差，而EMCCD空间分辨率稍好，存在的共同问题都是弱光下很难对仪器噪声进行控制或线性输出；而APDs可以工作在盖革模式，但尚处在研究阶段，而且高精度的APD阵列很难制造和流片，林肯实验室对外公布的APD阵列也仅有64×256像素，对中国禁运，且目前的APD阵列波长响应范围十分有限，仅在中可视波段达到量子效率峰值，由于每个像素都极小，光通量必须平均分配在整个阵列上，那么散粒噪声的影响将变得十分显著。

所述压缩传感（Compressive Sensing，简称CS）理论是由Donoho、Candès和Tao等人提出的一个全新数学理论，实现以随机采样的方式、更少的数据采样数（远低于奈奎斯特/香农采样定理的极限）来完美地恢复信号，且具有更高鲁棒性。该原理先压缩采样，将被测信号由高维向低维映射并对其进行采样，选取合适的稀疏变换框架Ψ，使得x经Ψ变换所得向量是稀疏的，然后根据观测数据y、测量矩阵A和框架Ψ，求解最后由反演出x。