基于零光子计数的单像素成像系统和成像方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN112995472A(43)申请公布日2021.06.18(21)申请号202110169699.4(22)申请日2021.02.07(71)申请人河北大学地址071002河北省保定市五四东路180号(72)发明人张素恒赵亚楠侯红云韩佳成梁宝来(74)专利代理机构石家庄国域专利商标事务所有限公司13112代理人胡澎(51)Int.Cl.H04N5/225(2006.01)H04N5/232(2006.01)G01J1/44(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图4页(54)发明名称基于零光子计数的单像素成像系统和成像方法(57)摘要本发明涉及一种基于零光子计数的单像素成像系统和成像方法，所述单像素成像方法包括以下步骤：a、生成二值随机测量矩阵序列；b、将二值随机测量矩阵序列中的测量矩阵逐一加载到空间光调制器上，对空间光调制器上的目标物的像进行调制，经调制后的激光光束进入时间相关单光子计数器，对每个测量矩阵进行次重复探测，最终给出探测到光子的次数；c、按光子计数对二值随机测量矩阵序列进行筛选，保留与零光子计数值对应的测量矩阵，将保留的测量矩阵求和，即可得到目标物的重建图像。本发明利用在每个像素处的零光子计数手段来重建图像，成像的系统噪声位于背景中，而不在成像的目标物上，因此基于零光子计数成像的质量较好。CN112995472ACN112995472A权利要求书1/2页1.一种基于零光子计数的单像素成像系统，其特征是，包括：超连续谱激光器，用于向目标物发射波长为660nm的激光；衰减片，设置在目标物的后方，并处于超连续谱激光器的激光光路上，用于将激光衰减到探测器单光子计数模块的工作范围；第一透镜，设置在衰减片的后方，并置于超连续谱冲激光器的激光光路上，以汇聚照射目标物之后并经衰减的激光；空间光调制器，设置在第一透镜的二倍焦距与一倍焦距之间，用于调制通过目标物的激光；第二透镜，设置在超连续谱冲激光器的激光光路的反射光路上，用于将调制光汇聚到探测器单光子计数模块中；探测器单光子计数模块，设置在第二透镜的成像焦点处，用于在设定时间内对通过的光子进行计数；时间相关单光子计数器，分别与超连续谱激光器、空间光调制器和探测器单光子计数模块电连接，用于记录超连续谱激光器的电同步、空间光调制器的翻转时刻和探测器单光子计数模块的光子到达时刻；以及计算机，分别与空间光调制器和时间相关单光子计数器电连接，用于控制空间光调制器加载二值随机测量矩阵并处理时间相关单光子计数器传送的测量数据。2.一种基于零光子计数的单像素成像方法，其特征是，包括以下步骤：a、生成二值随机测量矩阵序列：设置成像的分辨率为m×m，生成尺寸同为m×m的二值随机矩阵Φ，二值随机矩阵的所有元素均为0或1，即φi,j∈{0,1}，且矩阵元素取0值的概率为T(0<T<1)，即Pr(φi,j＝0)＝T，取1值的概率为1‑T；总共生成K个满足上述条件的测量矩阵，构成二值随机测量矩阵序列：{Φk|k＝1,2,…,K}；b、加载二值随机测量矩阵序列{Φk}，进行重复探测：将二值随机测量矩阵序列{Φk}中的所有测量矩阵逐一加载到空间光调制器上，对空间光调制器上的目标物的像进行调制，经调制后的激光光束进入时间相关单光子计数系统，时间相关单光子计数系统对每个测量矩阵Φk在其调制周期内都进行N次重复探测，最终给出探测到光子的次数，表示为光子计数nk；c、筛选测量矩阵，重建目标物的像：按照光子计数nk对二值随机测量矩阵序列{Φk}进行筛选，仅保留光子计数值为零的测量矩阵，组成测量矩阵序列：{Φk|nk＝0}；在完成一个探测周期后，将保留下来的测量矩阵序列中所有的测量矩阵求和，即可得到目标物的重建像：3.根据权利要求2所述的基于零光子计数的单像素成像方法，其特征是，步骤a中的二值随机测量矩阵Φ是生成方式为：a‑1.生成m×m阶连续随机矩阵Ψ，其中所有矩阵元素ψi,j是独立的随机变量且在(0,1)范围内均匀分布，即ψi,j～U(0，1)；a‑2.该连续随机矩阵Ψ以T为阈值，进行二值化操作：2CN112995472A权利要求书2/2页即得到二值随机测量矩阵Φ。4.根据权利要求2所述的基于零光子计数的单像素成像方法，其特征是，步骤a中每个二值随机矩阵Φ对应一张二值随机散斑图，共生成了K张随机散斑图和1张标记图像；在每张二值随机散斑图的后边加一张空白图像，在标记图像的后边加一张空白图像，构成2K+2张图。5.根据权利要求4所述的基于零光子计数的单像素成像方法，其特征是，步骤b的具体方式是：b‑1.设置空间光调制器为循环播放模式，空间光调制器的帧数A＝2K+2张，该帧数为需要加载二值随机散斑图的数量；设定激光重复频率为B，空间光调制器加载