[发明专利]一种全斯托克斯单光子压缩偏振成像装置和方法

权利要求书

1.一种全斯托克斯单光子压缩偏振成像装置，其特征在于，包括：

成像透镜(1)，用于对成像目标进行成像；

DMD(3)，设置在所述成像透镜(1)的像面上，用于接收成像透镜(1)所成的像；DMD(3)由U×N个微镜构成，其中U、N分别为DMD每一行和每一列的微镜数目；

微偏振片阵列(2)，贴合在DMD(3)的镜面上；微偏振片阵列(2)包括R×Q个2×2维微偏振单元(21)，每一个微偏振片单元(21)均包括设置在同一平面上的四个不同偏振角度的微偏振片(211)，四个不同偏振角度从左上角顺时针依次为45°、90°、135°、0°；将所述DMD(3)的微镜划分为2R×2Q个微镜组合像素，一个所述微镜组合像素包括个微镜，微偏振片阵列(2)的各个微偏振片(211)与DMD(3)上的各个微镜组合像素的位置一一对应设置；R、Q均为大于等于1的整数；

聚焦透镜(4)，设置在DMD(3)的反射光路上，用于将DMD(3)的反射光汇聚至单光子探测器(5)的光敏面上；

单光子探测器(5)，用于将收集到的光信号转化为离散的单光子脉冲信号，并输入基于FPGA的控制与同步计数模块；

基于FPGA的控制与同步计数模块，用于向DMD控制器输出同步采样脉冲信号、对单光子探测器(5)输出的所述单光子脉冲信号进行计数并输出至上位机，以及从上位机接收控制指令；

上位机，用于生成扩展测量矩阵，并将扩展测量矩阵加载至DMD控制器；所述扩展测量矩阵由数字0和1构成，通过数字0或1控制DMD(3)中微镜的翻转；

DMD控制器，接收所述扩展测量矩阵，当检测到输入的同步采样脉冲信号脉冲的上升沿时，控制DMD(3)中微镜的翻转。

2.基于权利要求1所述的全斯托克斯单光子压缩偏振成像装置的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将成像目标放置于成像透镜(1)之前，采用极弱的平行光照射成像目标，并在上位机上设置采样频率为F，每个偏振角度的采样次数为M；所述平行光的光束的照射面积大于成像目标的平面面积；

步骤2：生成4×M个大小为R×Q的实际测量矩阵A，然后通过实际测量矩阵A生成4×M个大小为U×N的扩展测量矩阵B，并将所有的扩展测量矩阵B加载至DMD控制器；

步骤3：基于FPGA的控制与同步计数模块通过上位机发出控制指令产生开始测量信号；

步骤4：基于FPGA的控制与同步计数模块探测到开始测量信号的上升沿后，向DMD控制器输出频率为F、个数为4M的同步采样脉冲信号，同步采样脉冲信号中的每一个脉冲代表一次采样；

步骤5：DMD控制器每检测到一个同步采样脉冲信号脉冲的上升沿，加载一个对应的扩展测量矩阵B到DMD(3)上控制其微镜的翻转；

步骤6：与步骤5同步地，在每检测到一个同步采样脉冲信号脉冲的上升沿时，基于FPGA的控制与同步计数模块保存当前光子计数值a_i到其内部缓存器，然后将基于FPGA的控制与同步计数模块中的计数器清零；

步骤7：基于FPGA的控制与同步计数模块对单光子探测器(5)输出的单光子脉冲信号进行计数；

步骤8：重复步骤5-7，直到经过4M个同步采样脉冲信号的脉冲，完成4M次采样；

步骤9：重建45°偏振图像，90°偏振图像，0°偏振图像，135°偏振图像：

基于FPGA的控制与同步计数模块将第1～第M次采样的M个光子计数值a₁～a_M输出到上位机作为45°偏振角的M个测量值，将M个测量值形成列向量y₁；将相对应的M个扩展测量矩阵B变成M个大小为1×(U×N)的测量行向量，再将这M个测量行向量组合成一个大小为M×(U×N)的大测量矩阵C₁，则45°偏振角的测量过程为：

y₁＝C₁x₁+e (1)

通过压缩传感算法，求解式(1)的最优解x₁，重建45°偏振图像；

基于FPGA的控制与同步计数模块将第M+1～第2M次采样的M个光子计数值a_M+1～a_2M输出到上位机作为90°偏振角的M个测量值，将M个测量值形成列向量y₂；将相对应的M个扩展测量矩阵B变成M个大小为1×(U×N)的测量行向量，再将这M个测量行向量组合成一个大小为M×(U×N)的大测量矩阵C₂，则90°偏振角的测量过程为：

y₂＝C₂x₂+e (2)

通过压缩传感算法，求解式(2)的最优解x₂，重建90°偏振图像；

基于FPGA的控制与同步计数模块将第2M+1～第3M次采样的M个光子计数值a_2M+1～a_3M输出到上位机作为0°偏振角的M个测量值，将M个测量值形成列向量y₃；将相对应的M个扩展测量矩阵B变成M个大小为1×(U×N)的测量行向量，再将这M个测量行向量组合成一个大小为M×(U×N)的大测量矩阵C₃，则0°偏振角的测量过程为：

y₃＝C₃x₃+e (3)

通过压缩传感算法，求解式(3)的最优解x₃，重建0°偏振图像；

基于FPGA的控制与同步计数模块将第3M+1～第4M次采样的M个光子计数值a_3M+1～a_4M输出到上位机作为135°偏振角的M个测量值，将M个测量值形成列向量y₄；将相对应的M个扩展测量矩阵B变成M个大小为1×(U×N)的测量行向量，再将这M个测量行向量组合成一个大小为M×(U×N)的大测量矩阵C₄，则135°偏振角的测量过程为：

y₄＝C₄x₄+e (4)

通过压缩传感算法，求解式(4)的最优解x₄，重建135°偏振图像；

上述e为整个全斯托克斯单光子压缩偏振成像装置的系统噪声；

步骤10：上位机利用45°偏振图像，90°偏振图像，0°偏振图像，135°偏振图像重建偏振度图像和偏振角图像。