CN105116542B - 一种双视场计算关联成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种双视场计算关联成像系统及方法，系统包括平行光照明单元，DMD微镜，DMD控制电路，投影镜头，目标，接收镜头，光电探测器，数据采集卡，处理器。数字微镜器件DMD几何中心法线方向与两个投影镜头光轴夹角分别为±24°，DMD每个微镜转动轴与两个投影镜头光轴垂直；两个投影镜头与两个收集透镜在同一光轴。两个投影镜头将DMD调制后的光场投影到两个不同视场上的目标，目标反射光被两收集镜头分别收集并被两光电探测器探测，两数据采集卡采集，两个处理计算处理，显示器分屏显示。本发明克服现有计算关联成像视场小，光源发射能量利用率低，成像时间长，成本高等缺点，可实现成本低的单DMD双视场计算关联成像。

Description

一种双视场计算关联成像系统及方法

技术领域

本发明涉及一种双视场计算关联成像成像系统及方法，属于强度关联成像或量子成像和单像素相机成像等新型成像领域。

背景技术

计算关联成像技术(亦称量子成像技术)是一种由光场强度关联成像技术发展而来的新型使用化技术。计算关联成像具备传统强度关联成像的优势：成像像质受大气湍流或散射介质的影响弱；技术难度低，成本低，灵敏度高等。关联成像技术在国防、军事、遥感，通讯、生物医学等领域都有很大应用价值。计算关联成像技术目前实用化需要解决的问题是，大视场的成像和快速的成像。受限于计算关联成像技术的原理，恢复图像所需的测量次数与图像像素数成正比。因此，在实用化工程中，大视场、快速成像是目前关联成像技术期待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为克服现有计算关联成像视场小，速度慢的问题，提供一种双视场计算关联成像系统及方法，解决了计算关联成像大视场，快速成像的问题。

本发明的技术方案：一种双视场计算关联成像系统，包括平行光照明单元、DMD微镜、DMD控制电路、第一投影镜头、第二投影镜头、第一成像目标、第二成像目标、第一接收镜头、第二接收镜头、第一光电探测器、第二光电探测器、第一数据采集卡、第二数据采集卡、第一处理器和第二处理器；

平行光照明单元发出平行光束，平行光束垂直照射到DMD微镜表面，DMD控制电路控制DMD微镜表面翻转调制后，DMD微镜表面形成±12°的两个反射方向；DMD微镜上的各个微镜元与DMD控制电路加载的调制矩阵元一一对应，调制矩阵元+1对应正+12°翻转，调制矩阵元-1对应正-12°翻转；平行光照明 单元发出的平行光束在DMD微镜作用下被分成两束光束，两束反射光束与入射光束夹角分别为±24°，+12°方向的DMD微镜平面与+24°方向反射的平行光照明单元发出的光场经过第一投影镜头投影到第一成像目标；-12°方向的DMD微镜平面与-24°方向反射的平行光照明单元发出的光场经过第二投影镜头投影到第二成像目标；

第一成像目标吸收和反射光场信号，反射信号被第一接收镜头收集并汇聚成焦斑；第一接收镜头汇聚的焦斑被第一光电探测器的感光面探测并输出电讯号，所述焦斑面积小于第一光电探测器的感光芯片面积；第二成像目标吸收和反射光场信号，反射信号被第二接收镜头收集并汇聚成焦斑；第二接收镜头汇聚的焦斑被第二光电探测器的感光面探测并输出电讯号，所述焦斑面积小于第二光电探测器的感光芯片面积；第一光电探测器将输出的电讯号实时送入第一数据采集卡，第一数据采集卡将输入的模拟信号转换为数字信号后输出到第一处理器进行关联算法的图像重建；第二光电探测器将输出的电讯号实时送入第二数据采集卡，第二数据采集卡将输入的模拟信号转换为数字信号后输出到第二处理器进行关联算法的图像重建；

重复调制DMD微镜，第一光电探测器重复探测，第一数据采集卡重复采集信号，第一处理器重复进行关联计算，最终完成第一成像目标的图像重建；第二光电探测器重复探测，第二数据采集卡重复采集信号，第二处理器重复进行关联计算，最终完成第二成像目标的图像重建。

所述的平行光照明单元为由激光光源与透镜组构成或LED光源与透镜组构成的光学照明系统。

所述的第一投影镜头、第二投影镜头、第一成像目标、第二成像目标、第一接收镜头、第二接收镜头的几何中心在同一光轴上；第一投影镜头、第二投影镜头、第一接收镜头、第二接收镜头的内部透镜组均垂直于光轴。

一种双视场计算关联成像方法，包含步骤如下：

1)平行光照明单元发出亮度均匀的平行光束，垂直照射到DMD微镜表面；

2)DMD微镜表面微镜初始状态为0°，接收平行光照明单元入射的光束后，DMD微镜对电场的振幅进行调制，振幅调制由DMD微镜上±12°摆动的微小反射镜实现；±12°摆动的微小反射镜受正、负电脉冲控制，对应调制矩阵为Hadamard矩阵；+12°调制方向对应调制矩阵元1，-12°调制方向对应调制矩阵元-1；DMD微镜调制频率为单次调制时间的倒数；DMD微镜的调试矩阵Hadamard矩阵的加载和调制实现由DMD控制电路控制实现；

3)DMD微镜在微镜±12°摆动的调制下，调制后的光束与入射光束形成±24°两个反射方向；+24°方向的微镜平面和平行光照明单元发出的照明光场被第一投影镜头投影到第一成像目标；-24°方向的微镜平面和平行光照明单元发出的照明光场被第二投影镜头投影到第二成像目标；

4)第一投影镜头投射的光场信号被第一成像目标反射，第一成像目标反射信号被第一接收镜头收集并汇聚成焦斑；第一接收镜头汇聚的焦斑被第一光电探测器的感光面探测并输出相应电讯号；第二投影镜头投影的光场信号被第二成像目标反射，反射信号被第二接收镜头收集并汇聚成焦斑；第二接收镜头汇聚的焦斑被第二光电探测器的感光面探测并输出电讯号；

5)第一光电探测器将输出的电讯号实时送入第一数据采集卡采集，第一数据采集卡输出数字信号；第二光电探测器将输出的电讯号实时送入第二数据采集卡采集，第二数据采集卡输出数字信号；

6)第一数据采集卡输出的数字信号直接输入第一处理器进行关联算法的运算；第一处理器通过调用已知的Hadamard调制矩阵和第一数据采集卡输入值进行乘法运算；第二数据采集卡输出的数字信号直接输入第一处理器进行关联算法的运算；第二处理器通过调用已知的Hadamard调制矩阵取反后和第一数据采集卡输入值进行乘法运算；

7)重复步骤2)到6)完成Hadamard矩阵的行或列数次调制，第一处理器重建出第一成像目标图像；第二处理器重建出第二成像目标图像。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的系统组成部分DMD微镜将发射光场分为两个，分别发射，从而实现了双视场照明，相比于现有技术，增加了照明光源的光强利用效率。

(2)本发明的系统组成部分DMD微镜的引入，以及本发明方法中DMD微镜在步骤2)中的使用方法，可实现双视场成像，相比于现有技术，只需使用单个DMD微镜(2)器件进行调制，降低了成本；

(3)本发明的方法步骤2)到6)直接对两个视场的目标进行重建，相当于在相同时间内恢复了双视场大小的图像，相比于现有技术降低了成像时间，即提高了成像速度。

(4)本发明的方法使用了第一光电探测器，第二光电探测器均为单点探测器，其技术成熟度高，覆盖光谱范围广，可做到单光子水平的高灵敏探测，故双视场计算关联成像系统灵敏度更高，测量距离可更远。

附图说明

图1为本发明的系统流程框图。

图2为DMD微镜对光束的调制原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开一种双视场计算关联成像系统及方法，系统工作流程图如图1所示包括：平行光照明单元，DMD微镜，DMD控制电路，第一投影镜头，第二投影镜头，第一成像目标，第二成像目标，第一接收镜头，第二接收镜头，第一光电探测器，第二光电探测器，第一数据采集卡，第二数据采集卡，第一处理器，第二处理器。

平行光照明单元组成为：由激光光源或LED光源和透镜组构成的光学照明系统，不要求具体参数，要求功能为：输出平行且均匀的照明光束；

第一投影镜头和第二投影镜头均由光学透镜组和相应机械结构件构成，不要求具体光学参数，要求实现功能为：可变焦距，实现不同距离物体的透镜成像；

第一接收镜头和第二接收镜头组成为：光学透镜组和相应机械结构组件，不要求具体光学参数，要求实现功能为：将入射的平行光束汇聚到焦点上，焦斑面积小于第一光电探测器和第二光电探测器的感光芯片面积；

第一投影镜头，第二投影镜头，第一成像目标，第二成像目标，第一接收镜头，第二接收镜头各个仪器的几何中心在同一光轴上；第一投影镜头、第二投影镜头、第一接收镜头、第二接收镜头的内部透镜组均垂直于光轴；

系统运行流程：平行光照明单元发出平行光束，平行光束垂直照射到DMD微镜表面，如图2所示，DMD微镜元未调制情况下处于水平位置，DMD控制电路将控制DMD微镜表元作±12°两个方向翻转，调制后DMD微镜表面形成±12°的两个反射方向；DMD微镜上的各个微镜元与DMD控制电路加载的调制矩阵元一一对应；如图2(a)所示，调制矩阵元+1对应正DMD微镜元顺时针方向+12°翻转，根据光学反射定律，平行光照明单元发出的平行光束入射到+12°翻转的DMD微镜元上，经反射后，出射光束与入射光束夹角为+24°；如图2(b)所示，调制矩阵元-1对应DMD微镜元沿逆时针方向-12°翻转，根据光学反射定律，平行光照明单元发出的平行光束入射到-12°翻转的DMD微镜元上，经反射后，出射光束与入射光束夹角为-24°；因此，平行光照明单元发出的平行光束入射到DMD微镜后，将形成两束反射光束，两束反射光束与入射光束夹角分别为±24°；

+12°方向的DMD微镜平面和+24°方向反射光束的光场经过第一投影镜头投影到第一成像目标；-12°方向的DMD微镜平面和-24°方向反射的光束的光场经过第二投影镜头投影到第二成像目标；

第一成像目标将会吸收和反射光场信号，反射信号被第一接收镜头收集并汇聚成焦斑；第一接收镜头汇聚的焦斑被第一光电探测器的感光面探测并输出电讯号；第二成像目标将会吸收和反射光场信号，反射信号被第二接收镜头收集并汇聚成焦斑；第二接收镜头汇聚的焦斑被第二光电探测器的感光面探测并输出电讯号；第一光电探测器将输出的电讯号实时送入第一数据采集卡，第一 数据采集卡将输入的模拟信号转换为数字信号后输出到第一处理器进行关联算法的图像重建运算；第二光电探测器将输出的电讯号实时送入第二数据采集卡，第二数据采集卡将输入的模拟信号转换为数字信号后输出到第二处理器进行关联算法的图像重建运算；

第一处理器通过调用已知的调制矩阵和第一数据采集卡输出的信号序列进行乘法运算，即关联算法，运算后输出重建的图像；第二处理器通过调用已知的调制矩阵和第二数据采集卡输出的信号序列进行乘法运算，即关联算法，运算后将会重建出的图像；

重复调制DMD微镜，第一光电探测器重复探测，第一数据采集卡重复采集信号，第一处理器重复进行关联计算，最终输出第一成像目标的重建图像；第一光电探测器重复探测，第二数据采集卡重复采集信号，第一处理器重复进行关联计算，最终输出第二成像目标的重建图像。

如图1所示，一种双视场计算关联成像方法，具体实现步骤如下：

1)平行光照明单元发出平行光束，平行光束亮度均匀，全部垂直照射到DMD微镜表面；

2)DMD微镜表面微镜初始状态为0°，接收平行光照明单元入射的光束后，DMD微镜对电场的振幅进行调制，振幅调制由DMD微镜上±12°摆动的微小反射镜实现；±12°摆动的微小反射镜受正、负电脉冲控制；+12°调制方向对应调制矩阵的元素1，-12°调制方向对应调制矩阵的元素-1；DMD微镜调制频率为单次调制时间的倒数；DMD的调试矩阵加载和调制实现由DMD控制电路控制实现；

3)DMD控制电路控制加载调制矩阵为Hadamard矩阵，按照Hadamard编码原则，产生M行M列的调制矩阵M²＝(P*Q)*(P*Q)，M，P和Q均为大于20的正整数且可分解为2的正整数次幂。具体实施过程为：抽取Hadamard矩阵第一行(或列)中的M*1个元素并归一化，然后抽取第1至第P个元素作为调制信号矩阵H₁的第一行，第P+1至第2P个元素作为作为调制信号矩阵H₁的第二行…第(Q-1)*P至P*Q个元素作为调制信号矩阵H₁的第Q行，形 成P行Q列的调制信号矩阵H₁，其中，P*Q＝M为调制光源光场的像素总数，最高分辨率为单个DMD微镜面积，即DMD微镜阵列具有P行Q列时，每个调制信号矩阵H_i对应一个微镜(若P*Q矩阵小于DMD微镜阵列则会出现多个DMD相邻微镜对应同一矩阵元H_i，此时光源光场光学分辨率降低)；抽取Hadamard矩阵第二行(或列)中的M*1元素并归一化，然后抽取第1至第P个元素作为调制信号矩阵H₂的第一行，第P+1至第2P个元素作为作为调制信号矩阵H₂的第二行，，，第(Q-1)*P至P*Q个元素作为调制信号矩阵H₂的第Q行，形成P行Q列的调制信号矩阵H₂，然后重复上述操作直到抽取调制矩阵最后一行(或列)M*1元素并归一化，然后抽取第1至第P个元素作为调制信号矩阵H_i的第一行，第P+1至第2P个元素作为作为调制信号矩阵H_i的第二行，，，第(Q-1)*P至P*Q个元素作为调制信号矩阵H_i的第Q行，形成P行Q列的调制信号矩阵H_i，每行(或列)抽取得到的调制信号矩阵H_i均用于DMD调制，由于Hadamard矩阵有M行，因此会抽取M次，调制光源M次，测量M次、关联运算M次。

4)DMD微镜在微镜±12°摆动的调制下，根据光学反射定律，DMD调制后的光束与入射光束形成±24°两个反射方向；+24°方向的微镜平面和平行光照明单元发出的照明光场被第一投影镜头投影到第一成像目标表面，此时第一成像目标表面光场与加载的调制矩阵H_i相同；-24°方向的微镜平面和平行光照明单元发出的照明光场被第二投影镜头投影到第二成像目标表面，此时第二成像目标表面光场与加载的调制矩阵H_i相同；

5)第一投影镜头投射的光场信号被第一成像目标反射，第一成像目标反射信号被第一接收镜头收集并汇聚成焦斑；第一接收镜头汇聚的焦斑被第一光电探测器的感光面探测并输出相应电讯号；第二投影镜头投影的光场信号被第二成像目标反射，反射信号被第二接收镜头收集并汇聚成焦斑；第二接收镜头汇聚的焦斑被第二光电探测器的感光面探测并输出电讯号；

6)第一光电探测器将输出的电讯号实时送入第一数据采集卡采集，第一数 据采集卡输出数字信号A_i，其中i代表第i次测量；第二光电探测器将输出的电讯号实时送入第二数据采集卡采集，第二数据采集卡输出数字信号B_i，其中i代表第i次测量i＝1,2,3…M；

7)重复步骤2)到6)M次，第一数据采集卡得到信号序列集合{A₁，A₂，A₃，…，A_M}，并将信号输入第一处理器；第二数据采集卡得到信号序列集合{B₁，B₂，B₃，…，B_M}，并输入第二处理器；

8)第一处理器接收第一数据采集卡得到信号序列集合{A₁，A₂，A₃，…，A_M}，调用已知的Hadamard序列{H₁，H₂，H₃，…，H_M}得到LA＝M*Σ^M _i＝1A_i*H_i-Σ^M _i＝1A_i*Σ^M _i＝1H_i，符号LA定义第一处理器恢复的图像；第二处理器接收第一数据采集卡得到信号序列集合{A₁，A₂，A₃，…，A_M}，调用已知的Hadamard序列并取反{-H₁，-H₂，-H₃，…，-H_M}，作关联算法运算，得到RB＝M*Σ^M _i＝1B_i*H_i-Σ^M _i＝1B_i*Σ^M _i＝1H_i，符号RB定义第二处理器恢复的图像。

Claims (2)

1.一种双视场计算关联成像系统，其特征在于：包括平行光照明单元、DMD微镜、DMD控制电路、第一投影镜头、第二投影镜头、第一成像目标、第二成像目标、第一接收镜头、第二接收镜头、第一光电探测器、第二光电探测器、第一数据采集卡、第二数据采集卡、第一处理器和第二处理器；

平行光照明单元发出平行光束，平行光束垂直照射到DMD微镜表面，DMD控制电路控制DMD微镜表面翻转调制后，DMD微镜表面形成±12°的两个反射方向；DMD微镜上的各个微镜元与DMD控制电路加载的调制矩阵元一一对应，调制矩阵元+1对应正+12°翻转，调制矩阵元-1对应正-12°翻转；平行光照明单元发出的平行光束在DMD微镜作用下被分成两束光束，两束反射光束与入射光束夹角分别为±24°，+12°方向的DMD微镜平面与+24°方向反射的平行光照明单元发出的光场经过第一投影镜头投影到第一成像目标；-12°方向的DMD微镜平面与-24°方向反射的平行光照明单元发出的光场经过第二投影镜头投影到第二成像目标；

第一成像目标吸收和反射光场信号，反射信号被第一接收镜头收集并汇聚成焦斑；第一接收镜头汇聚的焦斑被第一光电探测器的感光面探测并输出电讯号，所述焦斑面积小于第一光电探测器的感光芯片面积；第二成像目标吸收和反射光场信号，反射信号被第二接收镜头收集并汇聚成焦斑；第二接收镜头汇聚的焦斑被第二光电探测器的感光面探测并输出电讯号，所述焦斑面积小于第二光电探测器的感光芯片面积；第一光电探测器将输出的电讯号实时送入第一数据采集卡，第一数据采集卡将输入的模拟信号转换为数字信号后输出到第一处理器进行关联算法的图像重建；第二光电探测器将输出的电讯号实时送入第二数据采集卡，第二数据采集卡将输入的模拟信号转换为数字信号后输出到第二处理器进行关联算法的图像重建；

重复调制DMD微镜，第一光电探测器重复探测，第一数据采集卡重复采集信号，第一处理器重复进行关联计算，最终完成第一成像目标的图像重建； 第二光电探测器重复探测，第二数据采集卡重复采集信号，第二处理器重复进行关联计算，最终完成第二成像目标的图像重建；

所述的平行光照明单元为由激光光源与透镜组构成或LED光源与透镜组构成的光学照明系统；

所述的第一投影镜头、第二投影镜头、第一成像目标、第二成像目标、第一接收镜头、第二接收镜头的几何中心在同一光轴上；第一投影镜头、第二投影镜头、第一接收镜头、第二接收镜头的内部透镜组均垂直于光轴。

2.一种双视场计算关联成像方法，其特征在于包含步骤如下：

1)平行光照明单元发出亮度均匀的平行光束，垂直照射到DMD微镜表面；

2)DMD微镜表面微镜初始状态为0°，接收平行光照明单元入射的光束后，DMD微镜对电场的振幅进行调制，振幅调制由DMD微镜上±12°摆动的微小反射镜实现；±12°摆动的微小反射镜受正、负电脉冲控制，对应调制矩阵为Hadamard矩阵；+12°调制方向对应调制矩阵元1，-12°调制方向对应调制矩阵元-1；DMD微镜调制频率为单次调制时间的倒数；DMD微镜的调试矩阵Hadamard矩阵的加载和调制实现由DMD控制电路控制实现；

3)DMD微镜在微镜±12°摆动的调制下，调制后的光束与入射光束形成±24°两个反射方向；+24°方向的微镜平面和平行光照明单元发出的照明光场被第一投影镜头投影到第一成像目标；-24°方向的微镜平面和平行光照明单元发出的照明光场被第二投影镜头投影到第二成像目标；

4)第一投影镜头投射的光场信号被第一成像目标反射，第一成像目标反射信号被第一接收镜头收集并汇聚成焦斑；第一接收镜头汇聚的焦斑被第一光电探测器的感光面探测并输出相应电讯号；第二投影镜头投影的光场信号被第二成像目标反射，反射信号被第二接收镜头收集并汇聚成焦斑；第二接收镜头汇聚的焦斑被第二光电探测器的感光面探测并输出电讯号；

5)第一光电探测器将输出的电讯号实时送入第一数据采集卡采集，第一数据采集卡输出数字信号；第二光电探测器将输出的电讯号实时送入第二数据采 集卡采集，第二数据采集卡输出数字信号；

6)第一数据采集卡输出的数字信号直接输入第一处理器进行关联算法的运算；第一处理器通过调用已知的Hadamard调制矩阵和第一数据采集卡输入值进行乘法运算；第二数据采集卡输出的数字信号直接输入第一处理器进行关联算法的运算；第二处理器通过调用已知的Hadamard调制矩阵取反后和第一数据采集卡输入值进行乘法运算；

7)重复步骤2)到6)完成Hadamard矩阵的行或列数次调制，第一处理器重建出第一成像目标图像；第二处理器重建出第二成像目标图像。