CN105136672A - 一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统，所述成像光测量系统包括：在样品的一侧成均匀分布一组n×n个单色光源，对侧对应单色光源的正中位置放置光敏器件；采用不同频率且成2倍比率关系的三角波分别驱动一组单色光源中的各个单色光源，单色光源和光敏器件同步地进行两个方向的扫描，每移动一个预设距离计算机采集一次光敏器件检测到的光电信号；计算机对光电信号进行解调分离得到各个单色光源对光敏器件的贡献，据此对样品进行高精度图像重建。本发明实现了高速度、大信息的成像光的高精度测量，且具有结构和电路简单、器件和工艺要求低、调试容易、可靠性高等优点。

Description

一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统

技术领域

本发明涉及成像光测量系统领域，尤其涉及一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统。

背景技术

现有技术中通过光对物体内部进行成像，特别是对人体内部进行成像，具有无损无创无辐射的突出优点，但至今尚未有能够进入临床使用的面阵成像光测量系统，其原因在于现有的面阵成像光测量系统精度低、信息量较小，无法满足实际应用中的需要。

发明内容

本发明提供了一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统，本发明实现了高速度、大信息的成像光的高精度测量，满足了实际应用中的需要，详见下文描述：

一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统，所述成像光测量系统包括：一组n×n个单色光源、一个光敏器件，以及与光敏器件外接的计算机，

在样品的一侧成均匀分布一组n×n个单色光源，对侧对应单色光源的正中位置放置光敏器件；

采用不同频率且成2倍比率关系的三角波分别驱动一组单色光源中的各个单色光源，单色光源和光敏器件同步地进行两个方向的扫描，每移动一个预设距离计算机采集一次光敏器件检测到的光电信号；

计算机对光电信号进行解调分离得到各个单色光源对光敏器件的贡献，据此对样品进行高精度图像重建。

所述单色光源呈正方形均匀分布。

所述单色光源为激光二极管，所述光敏器件为光敏二极管。

另一实施例，所述单色光源为单色二极管，所述光敏器件为光敏二极管。

另一实施例，所述单色光源为单色滤波片对白光滤波后得到的单色光，所述光敏器件为光敏二极管。

另一实施例，所述单色光源为激光二极管，所述光敏器件为光电倍增管。

另一实施例，所述单色光源为单色二极管，所述光敏器件为光电倍增管。

另一实施例，所述单色光源为单色滤波片对白光滤波后得到的单色光，所述光敏器件为光电倍增管。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明采用不同频率且成2倍比率关系的三角波驱动单色光源，对光敏器件检测到的光电信号进行分离可以得到各个单色光源对光敏器件的贡献，据此对样品进行高精度图像重建。本发明实现了高速度、大信息的成像光的高精度测量，且具有结构和电路简单、器件和工艺要求低、调试容易、可靠性高等优点。

附图说明

图1为一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统的结构示意图；

图2为本发明提供的单色光源、样品和光敏器件相对位置示意图；

图3为三角波激励信号示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：一组单色光源；2：样品；

3：一组光敏器件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统，参见图1、图2和图3，所述成像光测量系统包括：一组n×n个单色光源1(LD₁…LD_n)和一个光敏器件3(PD)，n≥3且为奇数(其中，n为奇数，则最中间的光源或光敏器件可作为中线，便于对准排布，其中，n的具体取值与样品2的横截面积相关，本发明实施例对此不做限制)。即在样品的一侧成均匀分布一组预设波长的n×n个单色光源，对侧对应单色光源的正中位置放置光敏器件PD。

其中，优选单色光源LD₁…LD_n呈正方形均匀分布；该成像光测量系统还包括与光敏器件3外接的计算机(图中未示出)。

采用不同频率且成2倍比率关系的三角波分别驱动一组单色光源1中的各个单色光源LD_ij，单色光源LD_ij和光敏器件PD可以同步地进行两个方向的扫描，光敏器件PD每移动一个预设距离计算机采集一次光敏器件PD检测到的光电信号I，计算机对光电信号I进行分离可以得到各个单色光源LD_ij对该光敏器件的贡献I_ij，据此可以对样品2进行高精度图像重建。

即，根据每个正对单色光源的光敏器件接收到的光强，反投影重建获得样品2的透射图像，而其他位置的光敏器件获得该波长的信息作为辅助，强化图像信息。根据图像分析样品2中的组织信息，确定样品组织的散射程度信息。

其中，计算机对光电信号I进行解调分离可以得到各个单色光源LD_ij对该光敏器件的贡献I_ij，据此可以对样品2进行高精度图像重建的步骤具体为：

1)假设以驱动单色光源的LD_j最高频率f_max(在上述情况下f_max＝f₁)的4M倍速度对光电信号进行采样f_s＝4M×f_max，获取采样信号x(m)，其中M为大于等于1的正整数；

$x\left(m\right)=\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}x(4\mathrm{lm}+i),l=\mathrm{0,1,2},......---\left(1\right)$

2)计算机将分别对各个波长对应的每个三角波周期内的正、负半个周期内的采样信号进行累加，累加结果进行求差运算；

即，将一定时间(整数个三角波周期)内的每个三角波的正半个周期的采样值累加得到累加

和，每个三角波的负半个周期的采样值累加得到累加和，这两个累加和相减。

3)将上述各个波长的差值进行k个周期或整数倍k个周期累加，即可得到每个波长的光谱值。其中：

$k=\frac{a\frac{1}{f_{\min }}}{\frac{1}{f_n}}---\left(2\right)$

式中：f_min为激励三角波中的最低频率；a为预设常数，取值为大于或等于1的正整数，a/f_min为下抽样的周期；f_n为所处理波长的三角波激励频率。

对幅值为x的被采样值，如果在一定的时间内均匀采样N(>>1)点并进行平均，得到的平均值是

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[x_i\right]=\frac{1}{N}N\left(\right[x]+\mathrm{\Δ}{x}_i)=\left[x\right]+\mathrm{\Δ}{x}_i---\left(3\right)$

其中，[x]是模数转换器对x进行量化，也即按四舍五入圆整得到的正整数，x_i是第i点的幅值，[x_i]是模数转换器对x_i进行量化，也即按四舍五入圆整得到的正整数。

(3)式表明，对一个比较“干净”的信号采样多次进行平均，并不能提高其精度，所得到的平均值的误差与单次采样的误差相同，为Δx_i。

如果对幅值为x的被采样锯齿波，同样在一定的时间内均匀采样N(>>1)点并进行平均，得到的平均值是

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[x_i\right]=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[m_i+\mathrm{\Δ}{x}_i]---\left(4\right)$

其中，x_i＝m_i+Δx_i，m_i＝[x_i]。也即m_i是圆整得到正整数，而Δx_i是被四舍五入后丢去的“随机”误差。

(4)式可以进一步利用等差级数求和公式得到：

$\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{x}_i=\frac{1}{N}\frac{1}{2}(0+[x\left]\right)N+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{x}_i\\ =\frac{1}{2}\left[x\right]+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{x}_i\end{array}---\left(5\right)$

(5)式中的前一项是量化后的值，虽然比(3)式的结果小了一半，但按照误差理论，一个数据的精度并不因乘以一个固定非零常数而改变。但后面一项中是零均值的随机数，相比(3)式中的要降低倍，因此，对锯齿波或三角波激励信号进行过采样后同样可以得到提高精度的效果，且不需要另外加高频扰动信号。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

实施例2

一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统，参见图1、图2和图3，该实施例以激光二极管作为单色光源LD₁…LD_n，光敏二极管作为光敏器件PD为例进行说明。

采用不同频率且成2倍比率关系的三角波分别驱动一组单色光源1中的各个激光二极管LD_ij，激光二极管LD_ij和光敏二极管PD可以同步地进行两个方向的扫描，每移动一个预设距离计算机采集一次光敏二极管PD检测到的光电信号I，计算机对光电信号I进行解调分离可以得到各个激光二极管LD_ij对该光敏二极管PD的贡献I_ij，据此可以对样品2进行高精度图像重建。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

实施例3

一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统，参见图1、图2和图3，该实施例以单色二极管作为单色光源LD₁…LD_n，光敏二极管作为光敏器件PD为例进行说明。

采用不同频率且成2倍比率关系的三角波分别驱动一组单色光源1中的各个单色二极管LD_ij，单色二极管LD_ij和光敏二极管PD可以同步地进行两个方向的扫描，每移动一个预设距离计算机采集一次光敏二极管PD检测到的光电信号I，计算机对光电信号I进行解调分离可以得到各个单色二极管LD_ij对该光敏二极管PD的贡献I_ij，据此可以对样品2进行高精度图像重建。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

实施例4

一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统，参见图1、图2和图3，该实施例以单色滤波片对白光滤波后单色光LD₁…LD_n，光敏二极管作为光敏器件PD为例进行说明。

采用不同频率且成2倍比率关系的三角波分别驱动一组单色光源1中的各个单色滤波片对白光滤波后单色光LD_ij，单色光LD_ij和光敏二极管PD可以同步地进行两个方向的扫描，每移动一个预设距离计算机采集一次光敏二极管PD检测到的光电信号I，计算机对光电信号I进行解调分离可以得到各个单色光LD_ij对该光敏二极管PD的贡献I_ij，据此可以对样品2进行高精度图像重建。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

实施例5

一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统，参见图1、图2和图3，该实施例以激光二极管作为单色光源LD₁…LD_n，光电倍增管作为光敏器件PD为例进行说明。

采用不同频率且成2倍比率关系的三角波分别驱动一组单色光源1中的各个激光二极管LD_ij，激光二极管LD_ij和光电倍增管PD可以同步地进行两个方向的扫描，每移动一个预设距离计算机采集一次光电倍增管PD检测到的光电信号I，计算机对光电信号I进行解调分离可以得到各个激光二极管LD_ij对该光电倍增管PD的贡献I_ij，据此可以对样品2进行高精度图像重建。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

实施例6

一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统，参见图1、图2和图3，该实施例以单色二极管作为单色光源LD₁…LD_n，光电倍增管作为光敏器件PD为例进行说明。

采用不同频率且成2倍比率关系的三角波分别驱动一组单色光源1中的各个单色二极管LD_ij，单色二极管LD_ij和光电倍增管PD可以同步地进行两个方向的扫描，每移动一个预设距离计算机采集一次光电倍增管PD检测到的光电信号I，计算机对光电信号I进行解调分离可以得到各个单色二极管LD_ij对该光电倍增管PD的贡献I_ij，据此可以对样品2进行高精度图像重建。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

实施例7

一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统，参见图1、图2和图3，该实施例以单色滤波片对白光滤波后单色光LD₁…LD_n，光电倍增管作为光敏器件PD为例进行说明。

采用不同频率且成2倍比率关系的三角波分别驱动一组单色光源1中的各个单色光LD_ij，单色光LD_ij和光电倍增管PD可以同步地进行两个方向的扫描，每移动一个预设距离计算机采集一次光电倍增管PD检测到的光电信号I，计算机对光电信号I进行解调分离可以得到各个单色光LD_ij对该光电倍增管PD的贡献I_ij，据此可以对样品2进行高精度图像重建。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统，所述成像光测量系统包括：一组n×n个单色光源、一个光敏器件，以及与光敏器件外接的计算机，其特征在于，

在样品的一侧成均匀分布一组n×n个单色光源，对侧对应单色光源的正中位置放置光敏器件；

采用不同频率且成2倍比率关系的三角波分别驱动一组单色光源中的各个单色光源，单色光源和光敏器件同步地进行两个方向的扫描，每移动一个预设距离计算机采集一次光敏器件检测到的光电信号；

计算机对光电信号进行解调分离得到各个单色光源对光敏器件的贡献，据此对样品进行高精度图像重建。

2.根据权利要求1所述的一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统，其特征在于，所述单色光源呈正方形均匀分布。

3.根据权利要求1所述的一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统，其特征在于，所述单色光源为激光二极管，所述光敏器件为光敏二极管。

4.根据权利要求1或2所述的一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统，其特征在于，所述单色光源为单色二极管，所述光敏器件为光敏二极管。

5.根据权利要求1或2所述的一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统，其特征在于，所述单色光源为单色滤波片对白光滤波后得到的单色光，所述光敏器件为光敏二极管。

6.根据权利要求1或2所述的一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统，其特征在于，所述单色光源为激光二极管，所述光敏器件为光电倍增管。

7.根据权利要求1或2所述的一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统，其特征在于，所述单色光源为单色二极管，所述光敏器件为光电倍增管。

8.根据权利要求1或2所述的一种面阵发射光位置三角波频率编码的成像光测量系统，其特征在于，所述单色光源为单色滤波片对白光滤波后得到的单色光，所述光敏器件为光电倍增管。