[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

说明书

为了解决现有偏振成像技术成像灵敏度低的问题，本发明提供了一种全斯托克斯单光子压缩偏振成像装置和方法。本发明将微偏振片阵列贴合在DMD镜面上，实现了基于单像素成像技术的偏振成像，同时采用单光子探测器探测光强，具有超高的成像灵敏度。

技术领域

本发明属于微弱光成像领域和偏振成像领域，涉及一种全斯托克斯单光子压缩偏振成像装置和方法。

背景技术

偏振成像技术，即通过获取物体表面反射光波偏振态进行成像的技术。偏振成像探测能够在背景复杂、目标遮挡和隐藏等情况下有效探测和感知目标，满足安防监控、遥感遥测、光电跟踪和目标捕捉等领域的应用需求。根据技术方案的不同，已发展出了分时型、分振幅型、分孔径型、分焦平面型和干涉型等多种偏振成像技术。由于现有偏振成像技术灵敏度低，在极弱光、高散射介质条件下，成像距离和成像质量方面有待提高。

单光子探测技术是一项具有单光子限灵敏度的极微弱光探测技术，其原理是当微弱的光波信号入射到单光子探测器后，探测器输出离散的脉冲序列，每个脉冲表示探测到一个光子，然后通过对单光子脉冲的甄别和计数来探测光强。单光子探测器如光电倍增管(PMT)、单光子雪崩光电二极管(SPAD)、超导单光子探测器(SSPD)等多属于点探测器，要实现成像探测，必须采用高精密光学扫描元件进行扫描成像，成像时间长。具有二维空间分辨的单光子探测器，如阵列SPAD，阵列SSPD，ICCD，EMCCD等非常昂贵，且分辨率不高。

单像素成像是一种基于压缩传感理论，采用无位置分辨探测器实现二维成像的新型成像技术。采用数字微镜器件(Digital Micromirror Device，DMD)对物体进行随机光调制，最后将调制后的光汇聚在点探测器上，利用每次探测器接收到的光信号和加载至DMD的伪随机码重建出二维图像。与传统多像素成像技术相比，单像素成像有两个主要优点：一是通过仅使用点检测器可以实现二维成像，因此该成像方法具有低成本，尤其是在红外，太赫兹等特殊波段；二是单像素成像系统中的点检测器可以同时收集多个像素的光强度，信噪比大大提高，具有超高的灵敏度。本发明提出将微偏振片阵列贴合在DMD的微镜阵列上，将单光子探测技术和单像素成像技术结合在一起，实现全斯托克斯单光子压缩偏振成像，具有超高灵敏度和低成本的优势。

发明内容

为了解决现有偏振成像技术成像灵敏度低的问题，本发明提供了一种全斯托克斯单光子压缩偏振成像装置和方法。

本发明的技术方案是：

一种全斯托克斯单光子压缩偏振成像装置，其特殊之处在于，包括：

成像透镜，用于对成像目标进行成像；

DMD，设置在所述成像透镜的像面上，用于接收成像透镜所成的像；DMD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，贴合在DMD的镜面上；微偏振片阵列包括R×Q个2×2维的微偏振单元，每一个微偏振片单元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，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，微偏振片阵列的各个微偏振片与DMD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，设置在DMD的反射光路上，用于将DMD的反射光汇聚至单光子探测器的光敏面上；

单光子探测器，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中微镜的翻转；