[发明专利]一种基于信号加权的快速傅里叶单像素成像方法

说明书

本发明公开了一种基于信号加权的快速傅里叶单像素成像方法，通过将灰度傅里叶基图案分解为一系列相应的二值化图案，再根据这些二值化图案利用数字微镜器件对光源进行调制，单像素探测器依次同步测量调制光与目标物体产生相互作用信号；通过对单像素探测器测量的信号进行加权求和来替代相应灰度傅里叶图案与物体相互作用的强度信号，以此获得相应的傅里叶变换谱系数，最后对所有或者部分谱系数构成的变换谱进行逆傅里叶变换来获得目标物体的图像。本发明大幅减少投影时间，可以在不牺牲成像空间分辨率的前提下提高了傅里叶单像素成像效率。

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，特别涉及一种基于信号加权的快速傅里叶单像素成像方法。

背景技术

单像素成像技术是一种在成像机理上和传统成像技术有着本质区别的技术，因为其具有一些独特的优点，受到人们的关注。单像素成像技术使用没有空间分辨能力的探测器(如光电倍增管)进行时间上的多次采样，实现对目标物体成像。单像素成像技术最早源于利用量子纠缠效应的鬼成像技术，后来发展出利用热光的单像素鬼成像技术。由于单像素成像技术使用仅有一个像素的探测器来进行物理信息的采样，需要使用大量在空间上进行调制的不同光场，按照时间先后顺序投射到目标物体，以获取空间分辨。是一种以牺牲时间分辨率来换取空间分辨率的成像方案。许多科研人员提出不同的方法来提高成像效率和成像质量。[Sun M J,Meng L T,Edgar M P,et al.A Russian Dolls ordering of theHadamard basis for compressive single-pixel imaging[J].Sci Rep,2017,7(1):3464]提出使用Hadamard基图案来进行单像素成像，提高成像效率。[Zhang Z,Ma X,ZhongJ.Single-pixel imaging by means of Fourier spectrum acquisition[J].NatureCommunications,2015,6:6225]提出采用傅立叶基图案来提高成像质量。采用Hadamard基图案和傅立叶基图案的成像系统比采用随机图案的成像系统无论在成像效率还是成像质量上都有巨大改进。[Zhang Z,Wang X,Zheng G,et al.Hadamard single-pixel imagingversus Fourier single-pixel imaging.[J].Optics Express,2017,25(16):19619-19639]对采用Hadamard基图案和傅里叶基图案进行了比较，指出傅立叶基图案效率更高。在单像素成像系统中数字微镜器件是广泛使用的高速空间光调制器件，目前数字微镜器件对光场的二值化调制频率可到20KHz以上，但是调制8位灰度级的图案时，频率大约为250Hz，主要原因是将灰度图案分解为8幅二值化的图案，然后将这8幅二值化图案按照时间权重进行投影，此方法增加了大量的投影时间。傅里叶单像素成像系统中采用灰度余弦空间结构光场，在使用数字微镜器件进行实际应用时，投影频率较低，严重制约了傅里叶单像素成像系统的效率。[Zhang Z,Wang X,Zheng G,et al.Fast Fourier single-pixelimaging via binary illumination[J].Scientific Reports,2017,7(1):12029]提出通过对灰度级的傅里叶基图案进行插值一定的倍数后再进行二值化，通过数字微镜器件实现高速成像，但是此方法牺牲了傅里叶单像素成像的空间分辨率。本专利提出一种在不牺牲成像空间分辨率情况下，有效提高傅里叶单像素成像系统效率的方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，针对使用高速数字微镜器件的傅里叶单像素成像系统，提出一种基于信号加权的快速傅里叶单像素成像方法，来提高成像效率，其技术核心采用具有确定的数学函数解析表达的灰度傅里叶空间结构光场，将灰度调制图案分解为二值化图案，二值化图案按照相同的时间照明目标物体，将对应探测器端的光强信息进行权重相加，进而获得目标物体的傅立叶谱系数，最后应用傅立叶逆变换来重构物体的像。本发明可以在不牺牲成像空间分辨率情况下，降低成像时间，提高成像效率。

本发明的技术方案如下：