CN105072358A - 一种少像素相机成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种少像素相机成像方法，包括：光子进入少像素光电传感器，少像素光电传感器为硅光电倍增管；少像素光电传感器将光子转换成电信号得到一组信号数据；采用机械装置控制少像素光电传感器或孔板以某种方式进行微小移动得到一组信号数据；重复前述步骤，遍历整个光电传感器得到多组信号数据；重建图像。一种少像素相机成像装置，包括少像素光电传感器模块、机械控制模块和图像重建模块，少像素光电传感器模块的输出端与图像重建模块相连，机械控制模块的输出端与少像素光电传感器模块相连，少像素光电传感器模块包括硅光电倍增管。本发明成像方法能够以较低的成本实现较高的性能，相应的成像装置能够在微光环境下捕获足够的信号，得到清晰的图像。
Description
技术领域
本发明涉及微光探测和成像领域，尤其涉及一种少像素相机成像方法及装置。
背景技术
随着人们生活水平的不断提高，相机已经成为不可或缺的生活用品，例如，手机、电脑等，应用非常广泛。常见的相机主要包括光电传感器模块和图像重建模块两部分。光电传感器模块将进入相机的光线转换成电信号，并进行处理和传输，图像重建模块将处理之后的电信号转换成图像显示。光电传感器模块主要元件是电荷耦合元件(Charge-coupledDevice，简称CCD)或互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)，简称CMOS)。
相机的像素，即分辨率是相机选购的重要因素，人们往往追求更高的空间分辨率。高像素的相机在微光环境下却呈现出很差的成像质量。因为在微光环境下，CCD或CMOS能感应到的光子数极少，在像素数量非常多的情况下，每个像素接收到的信号会被上千上万倍的分割，同时噪声会被上千上万倍的放大，从而造成了极低的信噪比，使得重建出的图像质量非常差。
硅光电倍增管(SiliconPhotoMultiplier，简称SiPM)是一种新型的弱光光电探测器件，由大量工作在盖革模式的雪崩光电二极管(AvalanchePhoton-diode,简称APD)组成，具有单光子计数探测灵敏度，增益高，偏置电压低，对磁场不敏感、结构紧凑等特点，被广泛应用于高能物理及核医学等领域。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种应用硅光电倍增管作为传感器模块组件的少像素相机成像方法及装置，以克服现有技术的缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种少像素相机成像方法及装置，该成像方法及装置能够以较低的成本实现较高的性能，相应的成像装置能够在微光环境下捕获足够的信号，得到清晰的图像。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种少像素相机成像方法，其包括步骤：
S1：光子通过镜头进入少像素光电传感器，所述少像素光电传感器为硅光电倍增管；
S2：少像素光电传感器将光子转换成电信号，得到一组信号数据；
S3：控制少像素光电传感器进行移动，得到一组信号数据；
S4：重复步骤S3，得到多组信号数据；
S5：对得到的多组信号数据进行处理，并重建图像。
优选的，在上述少像素相机成像方法中，所述步骤S2中得到的信号是经过电路放大、去噪处理之后的电信号。
优选的，在上述少像素相机成像方法中，所述步骤S3中采用机械控制装置控制所述少像素光电传感器进行移动。
优选的，在上述少像素相机成像方法中，所述机械控制装置包括用以发送指令的控制器、与控制器连接的用以传送指令的驱动器、与驱动器连接的用以执行运动指令的电机及与驱动器连接的用以给驱动器反馈运动信息的编码器，所述少像素光电传感器的移动方式由控制器决定。
优选的，在上述少像素相机成像方法中，所述步骤S5中图像重建时，采用解析或迭代的重建方法。
为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：
一种少像素相机成像方法，其包括步骤：
S1：光子通过镜头进入少像素光电传感器，所述少像素光电传感器为硅光电倍增管；
S2：少像素光电传感器将光子转换成电信号，得到一组信号数据；
S3：所述少像素光电传感器不动，控制一孔板在少像素光电传感器上移动，得到一组信号数据；
S4：重复步骤S3，得到多组信号数据；
S5：对得到的多组信号数据进行处理，并重建图像。
优选的，在上述少像素相机成像方法中，所述步骤S2中得到的信号是经过电路放大、去噪处理之后的电信号。
优选的，在上述少像素相机成像方法中，所述步骤S3中采用机械控制装置控制所述孔板在少像素光电传感器上移动。
优选的，在上述少像素相机成像方法中，所述机械控制装置包括用以发送指令的控制器、与控制器连接的用以传送指令的驱动器、与驱动器连接的用以执行运动指令的电机及与驱动器连接的用以给驱动器反馈运动信息的编码器，所述少像素光电传感器不动，所述控制器控制孔板从少像素光电传感器上移动而过。
优选的，在上述少像素相机成像方法中，所述步骤S3中孔板为微米级的孔板。
优选的，在上述少像素相机成像方法中，所述步骤S5中图像重建时，采用解析或迭代的重建方法。
为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：
一种少像素相机成像装置，其包括少像素光电传感器模块、机械控制模块和图像重建模块，所述少像素光电传感器模块的输出端与图像重建模块相连，所述机械控制模块的输出端与少像素光电传感器模块相连，所述少像素光电传感器模块包括两种结构，一种是包括硅光电倍增管及信号处理电路，另一种是包括硅光电倍增管、孔板及信号处理电路，所述信号处理电路包括信号放大电路及模数转换电路，所述信号处理电路将处理之后的信号转换成数字信号并传递给图像重建模块，所述图像重建模块对从少像素光电传感器模块中得到的信息进行处理，并重建出图像。
优选的，在上述少像素相机成像装置中，所述机械控制模块包括机械控制装置和机械运动装置，所述机械控制装置包括电机、驱动器、控制器、编码器，所述机械运动装置包括轨道、丝杆、螺母，所述机械控制装置中的控制器决定所述光电传感器模块中硅光电倍增管或孔板的移动方式。
优选的，在上述少像素相机成像装置中，所述孔板为微米级的孔板。
从上述技术方案可以看出，本发明的成像方法能够以较低的成本实现较高的性能，相应的成像装置能够在微光环境下捕获足够的信号，得到清晰的图像，可以少像素低成本的优势得到多像素的效果，可用于计算机断层扫描仪(CT)、单光子发射计算机断层成像仪(SPECT)、大晶体、无人机等。
附图说明
图1为本发明少像素相机成像方法的工作流程示意图；
图2为本发明少像素相机成像装置的结构示意图；
图3为本发明事实例的少像素光电传感器的一种移动路径示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种少像素相机成像方法及装置，该成像方法能够以较低的成本实现较高的性能，相应的成像装置能够在微光环境下捕获足够的信号，得到清晰的图像。
本发明在微光环境下可以得到清晰的图像，可以少像素低成本的优势得到多像素的效果。可用于计算机断层扫描仪(CT)、单光子发射计算机断层成像仪(SPECT)、大晶体、无人机等。
如图1所示，本发明公开了一种少像素相机成像方法，其包括两种方案，该两种方案的详细描述如下。
方案一：
一种少像素相机成像方法，其包括步骤：
(1)光子通过镜头进入少像素光电传感器；
这里所用的少像素光电转换器件是硅光电倍增管(简称SiPM)，在微光环境下，有很高的光子捕获能力。
SiPM的数量不限制，1、2*2、6*6、8*8等，遵从少像素原则。
(2)少像素光电传感器将光子转换成电信号，得到一组信号数据；
其中，得到的信号是经过电路放大、去噪等处理之后的电信号。
(3)控制光电传感器进行微小移动，得到一组信号数据；
少像素光电传感器的移动方式可以采用机械控制装置控制，所述机械控制装置包括用以发送指令的控制器、与控制器连接的用以传送指令的驱动器、与驱动器连接的用以执行运动指令的电机及与驱动器连接的用以给驱动器反馈运动信息的编码器，所述少像素光电传感器的移动方式由控制器中的程序决定，通过更改程序，可以更换运动轨迹。。
(4)重复步骤(3)，得到多组信号数据；
光电传感器进行微小移动的原则最好可以是遍历，但是原则上其实只要得到足够的数据经过图像重建能够达到用户需要的空间分辨率即可，移动方式不限定，可以由边缘向中心移动，可由上到下由左到右移动等还包括其他的方式，足够多的数据，指这些数据能够重建出用户需要的空间分辨率的图像。
(5)对得到的多组信号数据进行处理，通过适当的算法，重建出高分辨率的图像。
图像重建时，可以采用解析的或迭代的重建方法。
方案二：
一种少像素相机成像方法，其包括步骤：
(1)光子通过镜头进入少像素光电传感器；
这里所用的少像素光电转换器件是硅光电倍增管(简称SiPM)，在微光环境下，有很高的光子捕获能力。
SiPM的数量不限制，1、2*2、6*6、8*8等，遵从少像素原则。
(2)少像素光电传感器将光子转换成电信号，得到一组信号数据；
其中，得到的信号是经过电路放大、去噪等处理之后的电信号。
(3)所述少像素光电传感器不动，控制一孔板在少像素光电传感器上移动，得到一组信号数据；
孔板为微米级的孔板，并采用机械控制装置控制所述孔板在少像素光电传感器上移动，所述机械控制装置包括用以发送指令的控制器、与控制器连接的用以传送指令的驱动器、与驱动器连接的用以执行运动指令的电机及与驱动器连接的用以给驱动器反馈运动信息的编码器，所述少像素光电传感器不动，所述控制器控制孔板从少像素光电传感器上移动而过，所述孔板的移动方式由控制器中的程序决定，通过更改程序，可以更换运动轨迹。
(4)重复步骤(3)，得到多组信号数据；
孔板的移动原则最好可以是遍历，但是原则上其实只要得到足够的数据经过图像重建能够达到用户需要的空间分辨率即可，移动方式不限定，可以由边缘向中心移动，可由上到下由左到右移动等还包括其他的方式，足够多的数据，指这些数据能够重建出用户需要的空间分辨率的图像。
(5)对得到的多组信号数据进行处理，通过适当的算法，重建出高分辨率的图像。
图像重建时，可以采用解析的或迭代的重建方法。
方案二与方案一的区别是将传感器的移动更换为控制一个微米级孔板的移动，孔板上打有各种形状、足够数量的小孔，置于少像素光电转换器上，机械装置控制其快速移动而过。小孔的形状包括圆形、椭圆形、矩形等，形状不限定。足够数量的小孔，指其移动得到的信息，能够重建出用户需要的空间分辨率的图像。
孔板的形状与其移动方式配合，可以有多种。例如孔板的某一边长与光电传感器等长，另一边长是光电传感器的多倍，可以控制孔板沿其长边迅速滑过，记录数据。
如图2所示，本发明还公开了一种少像素相机成像装置，其包括少像素光电传感器模块、机械控制模块和图像重建模块。所述光电传感器模块包括有光电传感器。所述少像素光电传感器模块的输出端与图像重建模块相连，所述机械控制模块的输出端与少像素光电传感器模块相连。
所述少像素光电传感器模块包括两种结构，一种是包括硅光电倍增管及信号处理电路，另一种是包括硅光电倍增管、孔板及信号处理电路，该两种结构通过机械控制模块控制光电传感器或孔板的微小移动以达成少像素得到多像素信息的效果。
所述信号处理电路包括信号放大电路、去噪电路、模数转换电路等信号处理电路。所述信号处理电路将处理之后的信号转换成数字信号并传递给图像重建模块，所述图像重建模块对从少像素光电传感器模块中得到的信息进行处理，并重建出图像。
所述机械控制模块包括机械控制装置和机械运动装置，所述机械控制装置包括用以发送指令的控制器、与控制器连接的用以传送指令的驱动器、与驱动器连接的用以执行运动指令的电机及与驱动器连接的用以给驱动器反馈运动信息的编码器，所述机械运动装置包括轨道、丝杆、螺母，所述机械控制装置中的控制器决定所述光电传感器模块中硅光电倍增管或孔板的移动方式，通过更改控制器中的程序，可以更换运动轨迹。
光电传感器进行微小移动的原则最好可以是遍历，但是原则上其实只要得到足够的数据经过图像重建能够达到用户需要的空间分辨率即可，移动方式不限定，可以由边缘向中心移动，可由上到下由左到右移动等还包括其他的方式，足够多的数据，指这些数据能够重建出用户需要的空间分辨率的图像。
孔板为微米级的孔板，并采用机械控制模块控制所述孔板在少像素光电传感器上移动，所述少像素光电传感器不动，所述控制器控制孔板从少像素光电传感器上移动而过，所述孔板的移动方式由控制器中的程序决定，通过更改程序，可以更换运动轨迹。
孔板的移动原则最好可以是遍历，但是原则上其实只要得到足够的数据经过图像重建能够达到用户需要的空间分辨率即可，移动方式不限定，可以由边缘向中心移动，可由上到下由左到右移动等还包括其他的方式，足够多的数据，指这些数据能够重建出用户需要的空间分辨率的图像。
少像素光电传感器模块的两种结构的区别是将光电传感器的移动更换为控制一个微米级孔板的移动，孔板上打有各种形状、足够数量的小孔，置于少像素光电转换器上，机械控制模块控制其快速移动而过。小孔的形状包括圆形、椭圆形、矩形等，形状不限定。足够数量的小孔，指其移动得到的信息，能够重建出用户需要的空间分辨率的图像。
为何选择微米级孔板，因为原则上这个板孔精度越高即比微米更精像纳米等，得到的图像会越好，但是考虑到电机的定位精度和其他一些因素折中，我们认为微米级孔板是一个比较优的选择。
孔板的形状与其移动方式配合，可以有多种。例如孔板的某一边长与光电传感器等长，另一边长是光电传感器的多倍，可以控制孔板沿其长边迅速滑过，记录数据。
如图3所示，图3为少像素光电传感器的一种移动路径示意图，下面将结合图3以2*2像素成像为例，对本发明的具体一个实施例作进一步的说明。
2*2的SiPM尺寸假定为8mm*8mm，光子入射，先得到一组信号数据，机械控制模块设定光电传感器的移动路径如图(3)所示，中间实线部分是能够接收到光子的区域，少像素光电传感器模块每运动4mm处取信号一次，将时间、位置等信息传送到图像重建模块存储。遍历整个光电传感器之后，共有8组信号数据，在图像重建模块中用适当的算法进行处理，并重建出一幅相当于4*4像素的图像。
根据上述本发明技术方案的描述，在本实施例中，也可以采用孔板的移动来获得多组信号数据，且孔板的大小和孔的形状大小可以有多种。
本发明的成像方法能够以较低的成本实现较高的性能，相应的成像装置能够在微光环境下捕获足够的信号，得到清晰的图像，可以少像素低成本的优势得到多像素的效果，可用于计算机断层扫描仪(CT)、单光子发射计算机断层成像仪(SPECT)、大晶体、无人机等。
本发明并不局限于实例和附图公开的内容。
Claims (14)
1.一种少像素相机成像方法，其特征在于：包括步骤：
S1：光子通过镜头进入少像素光电传感器，所述少像素光电传感器为硅光电倍增管；
S2：少像素光电传感器将光子转换成电信号，得到一组信号数据；
S3：控制少像素光电传感器进行移动，得到一组信号数据；
S4：重复步骤S3，得到多组信号数据；
S5：对得到的多组信号数据进行处理，并重建图像。
2.根据权利要求1所述的少像素相机成像方法，其特征在于：所述步骤S2中得到的信号是经过电路放大、去噪处理之后的电信号。
3.根据权利要求1所述的少像素相机成像方法，其特征在于：所述步骤S3中采用机械控制装置控制所述少像素光电传感器进行移动。
4.根据权利要求3所述的少像素相机成像方法，其特征在于：所述机械控制装置包括用以发送指令的控制器、与控制器连接的用以传送指令的驱动器、与驱动器连接的用以执行运动指令的电机及与驱动器连接的用以给驱动器反馈运动信息的编码器，所述少像素光电传感器的移动方式由控制器决定。
5.根据权利要求1所述的少像素相机成像方法，其特征在于：所述步骤S5中图像重建时，采用解析或迭代的重建方法。
6.一种少像素相机成像方法，其特征在于：包括步骤：
S1：光子通过镜头进入少像素光电传感器，所述少像素光电传感器为硅光电倍增管；
S2：少像素光电传感器将光子转换成电信号，得到一组信号数据；
S3：所述少像素光电传感器不动，控制一孔板在少像素光电传感器上移动，得到一组信号数据；
S4：重复步骤S3，得到多组信号数据；
S5：对得到的多组信号数据进行处理，并重建图像。
7.根据权利要求6所述的少像素相机成像方法，其特征在于：所述步骤S2中得到的信号是经过电路放大、去噪处理之后的电信号。
8.根据权利要求6所述的少像素相机成像方法，其特征在于：所述步骤S3中采用机械控制装置控制所述孔板在少像素光电传感器上移动。
9.根据权利要求8所述的少像素相机成像方法，其特征在于：所述机械控制装置包括用以发送指令的控制器、与控制器连接的用以传送指令的驱动器、与驱动器连接的用以执行运动指令的电机及与驱动器连接的用以给驱动器反馈运动信息的编码器，所述少像素光电传感器不动，所述控制器控制孔板从少像素光电传感器上移动而过。
10.根据权利要求6所述的少像素相机成像方法，其特征在于：所述步骤S3中孔板为微米级的孔板。
11.根据权利要求6所述的少像素相机成像方法，其特征在于：所述步骤S5中图像重建时，采用解析或迭代的重建方法。
12.一种少像素相机成像装置，其特征在于：包括少像素光电传感器模块、机械控制模块和图像重建模块，所述少像素光电传感器模块的输出端与图像重建模块相连，所述机械控制模块的输出端与少像素光电传感器模块相连，所述少像素光电传感器模块包括两种结构，一种是包括硅光电倍增管及信号处理电路，另一种是包括硅光电倍增管、孔板及信号处理电路，所述信号处理电路包括信号放大电路及模数转换电路，所述信号处理电路将处理之后的信号转换成数字信号并传递给图像重建模块，所述图像重建模块对从少像素光电传感器模块中得到的信息进行处理，并重建出图像。
13.根据权利要求12所述的少像素相机成像装置，其特征在于：所述机械控制模块包括机械控制装置和机械运动装置，所述机械控制装置包括电机、驱动器、控制器、编码器，所述机械运动装置包括轨道、丝杆、螺母，所述机械控制装置中的控制器决定所述光电传感器模块中硅光电倍增管或孔板的移动方式。
14.根据权利要求12所述的少像素相机成像装置，其特征在于：所述孔板为微米级的孔板。
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