[发明专利]基于时分复用的快速单像素频域成像方法

说明书

本发明提出一种基于时分复用的快速单像素频域成像方法，包括以下步骤：S1：搭建成像系统；S2：在照明端用空间光调制器调制照明图案，得到将多张二维正弦图案线性叠加后得到的复用照明图案；S3：采用数字微镜阵列对得到的复用照明图案的频域进行调制，得到每张正弦图案照射样本时单像素探测器收集到的光强；S4：根据得到的每张正弦图案照射样本时单像素探测器收集到的光强对相应的样本进行样本恢复。本发明能够极大地减少空间光调制器需要调制图案的总数量，将成像速度提升一个数量级，对单像素成像的实际应用具有推动作用。

技术领域

本发明涉及于单像素成像、计算摄像学技术领域，特别涉及一种基于时分复用的快速单像素频域成像方法。

背景技术

计算单像素成像是一种新兴的成像方法，与传统的以CCD(Charge CoupledDevice，电荷耦合元件)、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)等感光阵列为核心元件的数字成像技术相比，该方法的探测器为只有一个像素单元的桶形探测器。单像素探测器具有较宽的光谱响应范围和较强的光敏感度，在极弱光成像、穿透散射介质成像等方面具有很大的应用前景。但是单像素成像需要对物象或照明图案进行调制，在不同的调制状态下通过多次测量来获得成像对象的信息，这限制了单像素成像的速度，是制约该方法广泛应用的主要瓶颈之一。而成像速度的主要制约因素为光调制器件的调制频率，如DMD(Digital Micromirror Device，数字微镜阵列)的调制速率约为20kHz，但是单像素采集端采集速度可以达到45GHz，两者相差近10⁶。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于时分复用的快速单像素频域成像方法，该方法能够极大地减少空间光调制器需要调制图案的总数量，将成像速度提升一个数量级，对单像素成像的实际应用具有推动作用。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种基于时分复用的快速单像素频域成像方法，包括以下步骤：S1：搭建成像系统；S2：在照明端用空间光调制器调制照明图案，得到将多张二维正弦图案线性叠加后得到的复用照明图案；S3：采用数字微镜阵列对得到的所述复用照明图案的频域进行调制，得到每张正弦图案照射样本时单像素探测器收集到的光强；S4：根据得到的每张正弦图案照射样本时单像素探测器收集到的光强对相应的样本进行样本恢复。

另外，根据本发明上述实施例的基于时分复用的快速单像素频域成像方法还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述S1，进一步包括：激光光源首先经过空间光调制器进行调制，调制好的照明图案经过一个4f系统，在4f系统的频域处放置数字微镜阵列对照明图案的频域进行调制，调制后的图案通过普通成像光路成像，其中，探测端采用单像素探测器。

在一些示例中，所述S2，进一步包括：将n张正弦图片复用，正弦图案两个维度的频率分别记为和复用后的图案记作G，则可以得到如下表达式：

其中，为初始相位，四步相移时需要分别取0，π/2，3π/2，2π。

在一些示例中，在所述S3中，在进行n路复用时需要在垂直方向将数字微镜阵列均分为n部分。

在一些示例中，所述S4，进一步包括：用表示频率为f_x、f_y，初始相位为的正弦图案照射样本时探测器探测到的光强，则根据四步相移法，频率为f_x、f_y的正弦图案对应的频点强度为：

得到所有频点的强度值后，通过傅里叶反变换即可恢复出图像。