[发明专利]一种时间分辨单光子计数二维成像系统及方法

摘要

本发明提供一种时间分辨单光子计数成像系统及方法，属于极弱光探测技术领域，通过触发器2触发开始采样，每隔t时间间隔集中采样，在该间隔有进光就开始测量计数，从而实现对极弱光对象的时间分辨，生成时间序列图像。成像主要基于压缩传感(Compressive Sensing，简称CS)理论，利用数字微镜器件(DigitalMicromirror Device，简称DMD5)对可压缩的二维图像进行线性随机投影，经光学调制后用单光子计数器同步探测，仅需少量采样便可实现高分辨率的极弱光图像重建，其测量过程是线性的、非自适应的，而重建过程是非线性的，有更好的通用性、健壮性、可扩展性、叠加性和计算非对称性，可广泛应用于生命科学、医疗成像、数据采集、通信、天文、军事、超光谱成像、量子测量等领域。

主权项

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。