[发明专利]一种高速单像素成像方法

说明书

本发明公开了一种高速单像素成像方法，产生一系列二值化傅里叶基图案，用于近似表示多灰度级的傅里叶基图案,再根据这些二值化傅里叶基图案利用高速空间波场调制器，调制波源发出的波场，生成一系列在空间被调制的不同波场；将这些波场根据不同的频率和不同的初位相，依次通过投影系统照射到目标物体，照射波和目标物体将形成相互作用，产生相互作用信号，单像素探测器同步依次测量这些相互作用信号；利用探测器对同一频率的不同初位相的多个波场的测量值，计算该频率的傅里叶变换谱系数，从而得到一系列的傅里叶变换谱系数；最后对所有频率或部分频率傅里叶变换谱系数构成的傅里叶变换谱，进行逆傅里叶变换，即获得目标物体图像。

技术领域

本发明涉及成像领域，特别涉及高速单像素成像的方法。

背景技术

单像素成像技术通过使用没有空间分辨能力的探测器(例如光电二极管)进行时间上的多次采样，从而完成图像信息的获取。目前被广泛使用的二维阵列型硅光探测器(例如CCD 和CMOS)只适合在可见光波段进行探测。然而，生物医学和工业等某些领域必须使用非可见光波段(如红外、太赫兹波段)的光波，或者声波等进行成像，而这些非可见光波或声波的二维阵列探测器难于制作，由此催生了单像素成像技术的需求，这正是单像素成像技术在近十年来成为热门研究的原因。

对于二维成像，已公开发表的单像素的解决方案包括了鬼成像技术[Pittman,T.B., “Optical imaging by means of two-photon quantum entanglement,”Phys.Rev.A 52,R3429 (1995).]、单像素计算成像技术[Duarte,M.F.et al.,“Single-pixel imaging via compressive sampling,”IEEE Signal Processing Magazine 25,83(2008).]、哈达玛变换技术[J.Gourlay,et al., “Time-multiplexed optical Hadamardimage transforms with ferroelectric-liquid-crystal-over-silicon spatial lightmodulators,”Opt.Lett.20,1745-1747(1993).] 和利用获取傅里叶谱的单像素成像技术[Zibang Zhang,Xiao Ma,Jingang Zhong,“Single-pixel imaging by means of Fourierspectrum acquisition,”Nature Communications 6,6225(2015).]及 [发明专利：一种使用单像素探测器的光学成像方法,专利号201410367541.8]等。其中，利用获取傅里叶谱的单像素成像技术已被实验证明能够重建出高质量的二维图像。然而，实时的单像素成像依然是一个重大的挑战。由于单像素成像技术使用仅有一个像素的探测器来进行物理信号的采样，需要使用大量在空间上进行了调制的不同波场，按时间先后顺序投射到目标物体，以获取空间分辨，故需要大量的采样次数才能重建出像素点数多且质量高的图像。可见，单像素成像技术是一种以牺牲时间分辨率来换取空间分辨率的成像方案。采样次数越多，则获取图像信息的时间则越长。采样速率既受到单像素探测器的响应频率限制，也受到空间波场调制器对波场的调制速率限制。由于调制器对波场的调制频率往往远低于单像素探测器的响应频率，因此调制器对波场的调制速率是限制单像素成像采样速率的主要因素。数字微镜器件(digital micro-mirror device，DMD)[Zhou J,Wu R.“Digital micromirrordevice,” Chin J Liq Cryst Displays 18(6),445-449(2003).],[Duarte,Marco F.,etal.,“Single-pixel imaging via compressive sampling.”IEEE Signal ProcessingMagazine 25(2),83(2008).]是目前被广泛使用的空间光波场调制器，因其具有对比度高、速率高、精度高、廉价等特点。目前数字微镜器件对波场的二值化调制频率可达20000Hz,，即每秒可生成20000幅不同花样的二值化图案。但如果产生256灰度级的图案，数字微镜器件每秒只能生成大约250幅，也就是，按照250Hz 的采样率来计算，按文献[Zibang Zhang,Xiao Ma,Jingang Zhong,“Single-pixel imaging by means of Fourier spectrumacquisition,”Nature Communications 6,6225(2015).]提出的四步相移算法重建一幅256×256像素图像需耗费约524秒。获取傅里叶谱的单像素成像技术，利用多灰度级的傅里叶基图案控制空间波场调制器生成一系列不同频率、不同相位的余弦分布的傅里叶基波场，其中(x,y)表示二维空间坐标，(f_x,f_y)表示二维空间频率，a、b是实常数，是初位相。因此，由于作为空间波场调制器的数字微镜器件，无法高速生成具有多灰度级的一系列不同频率、不同相位的余弦分布的傅里叶基波场，从而导致单像素成像测量时间过长，成像速度过慢，无法实现实时成像。