專(zhuān)利名稱(chēng)：一種極弱光多光譜成像方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及極弱光探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種極弱光多光譜成像方法及其系統(tǒng)，采用單光子探測(cè)器線性陣列和分光技術(shù)實(shí)現(xiàn)了極弱光對(duì)象的多光譜二維成像，可應(yīng)用在生物自發(fā)光、醫(yī)療診斷、非破壞性物質(zhì)分析、天文觀測(cè)、國(guó)防軍事、光譜測(cè)量、量子電子學(xué)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
多光譜成像是獲得和顯示精確顏色信息的重要技術(shù)，原因之一是多光譜圖像包含了更多的光譜信息，原因之二是多光譜成像技術(shù)很好地克服了同色異譜現(xiàn)象。極弱光對(duì)象的多光譜成像更是在多種領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。一種典型的極弱光探測(cè)器就是單光子探測(cè)器，計(jì)數(shù)型的單光子探測(cè)器工作在飽和狀態(tài)，靈敏度可以到達(dá)單光子水平，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法獲得光子密度圖像；具備光子數(shù)分辨能力的單光子探測(cè)器工作在亞飽和狀態(tài)，輸出的電信號(hào)幅值隨探測(cè)到的光子數(shù)的變化而變化，據(jù)此電信號(hào)獲得極弱光圖像。雖然目前的單光子探測(cè)器響應(yīng)光譜范圍覆蓋了紅外、可見(jiàn)光等波段，但是對(duì)于單個(gè)單光子探測(cè)器，它的響應(yīng)光譜范圍很窄，一般用來(lái)探測(cè)單一頻率的光。其中，單光子探測(cè)器實(shí)現(xiàn)二維成像是基于壓縮傳感理論(Compressive Sensing, 簡(jiǎn)稱(chēng)CS)和數(shù)字光處理(Digital Light Processing，簡(jiǎn)稱(chēng)DLP)技術(shù)，克服了目前的極弱光二維成像技術(shù)中面元探測(cè)技術(shù)不甚成熟，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)極弱光對(duì)象的高質(zhì)量成像的困難，避免了采用點(diǎn)探測(cè)器結(jié)合二維傳動(dòng)掃描的方法帶來(lái)的成像時(shí)間長(zhǎng)、分辨率受機(jī)械傳動(dòng)精度制約的問(wèn)題。CS理論是由E. J. Candes等人提出的，它打破了傳統(tǒng)的線性采樣模式，表明可壓縮信號(hào)的少量線性隨機(jī)投影中包含足夠的信息來(lái)重建原信號(hào)。這種“先采樣，后重建”的思想使得將二維信號(hào)轉(zhuǎn)換為隨時(shí)間分布的一維信號(hào)，并且由單個(gè)探測(cè)器采樣成為可能。CS理論包括兩部分壓縮采樣和稀疏重建。壓縮采樣是被測(cè)信號(hào)由高維向低維映射的過(guò)程。假設(shè)χ e Rn是被測(cè)數(shù)據(jù)，y e Rk 是觀測(cè)數(shù)據(jù)，φ e Rkxn是隨機(jī)投影矩陣(k<<n)，e e Rk是測(cè)量噪聲，那么壓縮采樣過(guò)程可以描述為(1)式y(tǒng) = Φχ+e(1)如果χ是變換域稀疏的，S卩θ = Ψχ，Ψ是稀疏變換矩陣，那么(1)式變化為(2) 式y(tǒng) = φ ψ-1 θ +e(2)隨機(jī)投影矩陣Φ，也叫測(cè)量矩陣，需要滿(mǎn)足RIP (Restricted Isometry Property) 0另外，Φ與Ψ越不相關(guān)，采樣所需的測(cè)量數(shù)k越小。所以，一般情況下Φ設(shè)計(jì)為隨機(jī)矩陣。稀疏重建實(shí)際上是在已知觀測(cè)數(shù)據(jù)y和測(cè)量矩陣Φ的條件下求解(1)式中的X，這是一個(gè)ill-posed問(wèn)題，一般用最優(yōu)化方法求解，可描述為( 式
權(quán)利要求
1.一種極弱光多光譜二維成像方法，其特征在于，該極弱光多光譜二維成像方法采用壓縮傳感理論和DLP技術(shù)，并以單光子探測(cè)器線陣為探測(cè)元件，實(shí)現(xiàn)了高分辨率的光學(xué)調(diào)制；其步驟包括1)壓縮采樣的步驟；所述的壓縮采樣是由DMD控制系統(tǒng)(7)結(jié)合第一透鏡(1)和第二透鏡O)，用于將二維圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一維數(shù)據(jù)序列完成被測(cè)信號(hào)的壓縮采樣，極弱光通過(guò)濾光片(6)濾除雜光，經(jīng)第一透鏡(1)在DMD控制系統(tǒng)(7)處成像，并由DMD 控制系統(tǒng)(7)控制光子被反射到第二透鏡O)的概率，經(jīng)過(guò)第二透鏡( 控制光子聚焦； 被調(diào)制和會(huì)聚的極弱光經(jīng)由分光光度計(jì)C3)進(jìn)行分光后，通過(guò)單光子探測(cè)器線陣(4) 對(duì)不同的波長(zhǎng)進(jìn)行成像；2)稀疏重建的步驟；所述的稀疏重建是由中央處理單元(5)結(jié)合單光子探測(cè)器線陣(4)完成稀疏重建，并和DMD控制系統(tǒng)(7)上的測(cè)量矩陣經(jīng)過(guò)最優(yōu)化算法重建光子密度圖像，解算出二維圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極弱光多光譜二維成像方法，其特征在于，該方法的具體步驟包括1)所述的壓縮采樣，是被測(cè)信號(hào)由高維向低維映射的過(guò)程假設(shè)χ e Rn是被測(cè)數(shù)據(jù)，y e Rk是觀測(cè)數(shù)據(jù)，Φ e Rkxn是隨機(jī)投影矩陣(k < < η)， e e Rk是測(cè)量噪聲，那么，壓縮采樣的過(guò)程可以描述為(1)式 y = Φχ+e(1)如果Χ是變換域稀疏的，即θ = ΨΧ，Ψ是稀疏變換矩陣，那么(1)式變化為(2)式 y = Φ Ψ-1 θ +e (2)式中，Ψ為小波變換矩陣，Φ為Gaussian隨機(jī)矩陣；2)假設(shè)測(cè)量數(shù)為k，二維圖像的像素個(gè)數(shù)為n，則(1)式中的測(cè)量矩陣則為Φ= {Φ” ...，Φρ ...，(1^}，(^是Φ的第i行，把▲><▲的二維圖像的列首尾相連，化成nXl 的一維列向量，對(duì)應(yīng)(1)式中的X，其中的每一個(gè)元素代表相應(yīng)位置處的光子密度；DMD控制系統(tǒng)具有同樣的分辨率，它的列首尾相連，化成IXn的一維行向量，對(duì)應(yīng)測(cè)量矩陣Φ中的一行，其中的每個(gè)元素代表相應(yīng)位置處光子透射到第二透鏡O)的概率；3)假設(shè)測(cè)量周期為Τ，在這段時(shí)間內(nèi)，DMD控制系統(tǒng)(7)保持不變，分光光度計(jì)(3)使光譜分離，對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)波長(zhǎng)的單光子探測(cè)器，單光子探測(cè)器線陣中對(duì)應(yīng)某一波長(zhǎng)的單光子探測(cè)器探測(cè)到的光子數(shù)為N，那么Ν/Τ就相當(dāng)于被觀察對(duì)象光譜中相應(yīng)波長(zhǎng)的光子密度圖像與DMD控制系統(tǒng)上的隨機(jī)數(shù)陣列的內(nèi)積值，對(duì)應(yīng)于(1)式中觀察向量y的一個(gè)元素η只=式中，Oi, j、Xj分別是Φ 和X的第j個(gè)元素；根據(jù)測(cè)量矩陣改變DMD控制系；=1統(tǒng)，重復(fù)k次測(cè)量，就可以得到整個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)y，進(jìn)而為得到該波長(zhǎng)的光譜圖像準(zhǔn)備好了數(shù)據(jù)；其他波長(zhǎng)的光譜圖像的獲取也適用同樣的方法；4)所述的稀疏重建是在已知觀測(cè)數(shù)據(jù)y和測(cè)量矩陣Φ的條件下求解(1)式中的X，一般用最優(yōu)化方法求解，可描述為C3)式
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極弱光多光譜二維成像方法，其特征在于，所述的最優(yōu)化方法是采用小波變換下可分離逼近的稀疏重建算法，把本次迭代的估計(jì)值做DWT變換，對(duì)變換系數(shù)做閾值處理，再做DWT反變換得到下一次迭代的估計(jì)值，并且在每次迭代中計(jì)算最優(yōu)的步長(zhǎng)因子；如果閾值處理函數(shù)描述為S(u，ν) = Sign(U)max{ |u卜v，0}，那么，該算法可以描述為
4.一種極弱光多光譜二維成像系統(tǒng)，其特征在于，該極弱光多光譜二維成像系統(tǒng)采用壓縮傳感理論和DLP技術(shù)，并以單光子探測(cè)器線陣為探測(cè)元件，實(shí)現(xiàn)了高分辨率的光學(xué)調(diào)制；所述的極弱光多光譜二維成像系統(tǒng)包括濾光片(6)、第一透鏡(1)、DMD控制系統(tǒng)(7)、 第二透鏡O)、分光光度計(jì)(3)、由若干不同響應(yīng)波長(zhǎng)的單光子探測(cè)器組成的單光子探測(cè)器線陣(4)，和中央處理單元(5)；其中，DMD控制系統(tǒng)(7)結(jié)合第一透鏡(1)和第二透鏡O)，用于將二維圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一維數(shù)據(jù)序列完成被測(cè)信號(hào)的壓縮采樣，極弱光通過(guò)濾光片(6)濾除雜光，經(jīng)第一透鏡(1)在 DMD控制系統(tǒng)(7)處成像，并由DMD控制系統(tǒng)(7)控制光子被反射到第二透鏡(2)的概率， 經(jīng)過(guò)第二透鏡( 控制光子聚焦；被調(diào)制和會(huì)聚的極弱光經(jīng)由分光光度計(jì)C3)進(jìn)行分光后，再通過(guò)單光子探測(cè)器線陣 (4)對(duì)不同的波長(zhǎng)進(jìn)行成像；中央處理單元(5)結(jié)合單光子探測(cè)器線陣⑷完成稀疏重建，并和DMD控制系統(tǒng)(7) 上的測(cè)量矩陣經(jīng)過(guò)最優(yōu)化算法重建光子密度圖像，解算出二維圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的極弱光多光譜二維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的單光子探測(cè)器采用計(jì)數(shù)型單光子探測(cè)器，用于在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)光子進(jìn)行計(jì)數(shù)，用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算光子數(shù)密度，將該數(shù)值折算成探測(cè)到光子的概率作為測(cè)量值。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的極弱光多光譜二維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的單光子探測(cè)器采用具備光子數(shù)分辨能力的單光子探測(cè)器，用于根據(jù)輸出電信號(hào)幅值的大小獲得圖像數(shù)據(jù)，其輸出的電信號(hào)幅值即可作為光子密度的測(cè)量值。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的極弱光多光譜二維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的分光光度計(jì)包括光準(zhǔn)直部分、分光部分、角度測(cè)量部分、光度觀察和測(cè)量部分，用于光譜分析和測(cè)量。
8.根據(jù)權(quán)利要求4或7所述的極弱光多光譜二維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的分光光度計(jì)為棱鏡分光光度計(jì)或光柵分光光度計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種極弱光多光譜成像方法及其系統(tǒng)，將各個(gè)響應(yīng)波段的單光子探測(cè)器組成線性陣列，結(jié)合分光技術(shù)，即可實(shí)現(xiàn)極弱光對(duì)象的多光譜二維成像。該極弱光多光譜二維成像系統(tǒng)采用壓縮傳感理論和DLP技術(shù)，并以單光子探測(cè)器線陣為探測(cè)元件，實(shí)現(xiàn)了高分辨率的光學(xué)調(diào)制；所述的極弱光多光譜二維成像系統(tǒng)包括濾光片(6)、第一透鏡(1)、DMD控制系統(tǒng)(7)、第二透鏡(2)、分光光度計(jì)(3)、由若干不同響應(yīng)波長(zhǎng)的單光子探測(cè)器組成的單光子探測(cè)器線陣(4)，和中央處理單元(5)；其靈敏度可以達(dá)到單光子水平。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于生物自發(fā)光檢測(cè)、醫(yī)療診斷、非破壞性物質(zhì)分析、天文觀測(cè)、國(guó)防軍事、光譜測(cè)量、量子電子學(xué)等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01J11/00GK102353449SQ20111016647
公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月20日
發(fā)明者何微, 劉國(guó)才, 孫志斌, 杜克銘, 王超, 王迪, 翟光杰, 蔣遠(yuǎn)大, 蔡世界 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心