[发明专利]基于多模光纤的单像素相机系统

说明书

本发明提供了一种基于多模光纤的单像素相机系统，它具有高信噪比、光路结构简单、可拓展性强的优点，主要包括DMD调制、数据采集、算法恢复三个部分。具体来讲，传统单像素相机系统，利用透镜将经过DMD调制后的光汇聚到单元探测器感光面中，再进行A/D转换为相应光强值，结合观测矩阵一起导入恢复算法即可成像；而这种利用普通透镜的方法往往会给实验结果带来很大的噪声干扰，除了系统噪声和环境噪声，在光传播过程当中，由于透镜对空间光的汇聚产生的像差、光的色散、环境光的影响都会降低系统信噪比。在此基础上利用多模光纤不但可以降低光在空间中传输的损耗，还可以实现特定波段的单像素成像，只需要更换成特定的传输波长光纤即可。

技术领域

本发明属于光学成像系统以及图像处理领域，尤其涉及一种单像素相机系统。

背景技术

在科技迅速发展的今天，人们所需要获取的信息数据量成指数增长的同时，对传统的数据获取技术也提出了很大的挑战。在成像技术方面，比如MRI、数码相机，数码相机上COMOS阵列传感器收集了大量的数据，然后再经过压缩丢弃掉90％的数据，这种处理数据方式造成了资源存储空间的浪费，如果在数据采集的过程中收集大量的数据只是为了随后的删除，那么为什么不一开始就丢弃占比很大的冗余信息，只采集很少一部分数据并且可以从这些少量数据中就可以解压出大量与原始相关的信息。

2006年由Candes、Romberg、Tao和Donoho等人(参考非专利文献1：Donoho DL.Compressed sensing.IEEE Transactions onInformation Theory,2006,52(4):1289-1306)提出一种新型原始信号或者图像进行精确重构的理论──压缩感知理论，是一种通过对信号的高度不完备线性测量的高精确的重建技术。2006年，由美国RICE大学科研组将压缩感知理论应用于成像，并且设计出单像素相机模型，利用数字微镜阵列(DMD)的实时翻转和单元光电探测器分别对光路进行调制以及测量光强值，在PC端将经过A/D转换的电压值与数字微镜翻转对应的测量矩阵导入重构算法恢复出场景图。

单像素相机最大的优点就在于只需要更换一个特定波长，灵敏度更高的探测器即可将这个系统应用于非可见光领域的应用，很大程度上降低系统复杂度以及成本。由于国内半导体工艺技术受限，特定波长的探测器阵列成本昂贵，实现非可见光下大面积阵列传感器的成像存在很多困难，此时，单像素成像系统提供了一个新的解决思路。

对于传统的单像素相机模型，结构光是通过透镜来收集传播的，特别是在DMD到探测器的光回路中，由于传统透镜存在像差和球差，再加上周围环境噪声的干扰，对后期成像质量造成很大的影响。不仅如此，由于单元探测器的感光面积很小，我们需要根据物体平面的大小和感光面的大小比来确定透镜的位置，导致对透镜的要求会更高的同时，也不能保证收集到的光全部进入到感光面内，造成一部分光强信息丢失，直接导致装置信噪比下降，当然，可以通过再购买一些精密的光学移动平台来解决将反射光全部收集进入感光面内，第一，会增加装置的复杂度，第二，会增加实验成本，价格比较昂贵。

发明内容

本发明在传统单像素相机的基础上，对其结构光路进行了优化改进，提出了具有更好信噪比，简化实验装置的基于多模光纤的单像素相机模型。本发明只需要在DMD到探测器之间的回路加上光纤，再经过转接件连接到单元探测器的感光面内，就可以同时避免环境光对实验带来的干扰以及省去了将DMD反射光调入感光面的步骤。

本发明具体通过如下技术方案实现：

一种基于多模光纤的单像素相机系统，包括：光源、透镜、DMD芯片、准直镜、多模光纤、光电检测器、采集卡和计算机；所述光源照射到被测物体上，像面投影到所述DMD芯片的表面，经过所述DMD芯片内的数字微镜的翻转进行调制，调制光经过所述多模光纤以及准直镜5进入到所述光电检测器的感光面中；当所述DMD芯片内的数字微镜开始翻转时，同步触发信号通过同轴线缆传送到采集卡上，此时采集卡开始A/D转换以及将数据传送到所述计算机进行图像恢复处理。