CN106154542A - 一种量子成像方法以及量子成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种量子成像方法及系统，该方法包括以下步骤：S1，提供一入射光;S2，将所述入射光分为一信号光及一参考光;S3，所述信号光照射一成像物体后由一桶探测器收集，并定义第n次测量结果为 ;S4，所述参考光由一面阵列探测器收集，定义其第n次测量结果为，其中为所述面阵列探测器对应的像素点坐标; 以及S5，存储所述及，当接收到第n+1次数据和时，计算。
Description
技术领域
本发明属于量子成像领域，本发明涉及一种成像方法，尤其涉及一种量子成像方法以及应用该量子成像方法的量子成像系统。
背景技术
量子成像也被称为“鬼成像”或者“关联成像”，近年来取得了很大的进展，受到人们的广泛关注，其具有重要的理论和实践意义。量子成像通过将光源发出的光（热光、赝热光等）分成两束:一束称为信号光，照到目标物体上并由一个“桶探测器”（可以收集一定范围的光，探测其总强度，比如大面积的光电二极管）收集；另外一束称为参考光，直接照到一个面阵列探测器（如CCD）上（或将点探测器在参考光路合适位置的横向平面进行逐点扫描）。将面阵列探测器上的每一个像素的结果与桶探测器的结果输送到数据处理单元进行符合运算，从运算结果可以再现物体的像。
当前的量子成像方法中的所述符合运算，主要通过计算关联函数及其量子期望值来实现的，如二阶关联函数计算法
，其中为桶探测器结果，为面阵探测器点结果，表示取量子平均，最终的图像信息由这一项呈现。后来的差分鬼成像、归一化鬼成像等方法都是在这一方法基础上发展起来的，而上述这些方法都需要预先计算系统的平均值（和），这就导致在获取图像之前，必须把所有相关的图像数据存贮起来（为了计算平均值）。比如，要对100000帧图像求平均值，则需要存贮这100000帧图像数据，按VGA图像尺寸（640x480）算，每一副图数据为0.9MB（每个像素24bit），则需要90GB的数据，图像的存贮量与图像的大小和帧数成比例关系。这就使得系统的存贮负荷非常重，无法在芯片级实现，目前的方法都是后处理，即都是先存贮在计算机系统里，等数据采集完再进行处理，这点是限制鬼成像技术走向实用的一大难关。
还有一种方法是通过计算来获取图像，虽然可以不存贮大量的数据，但由于涉及到大量的除法（等于对640x480图像，每副图像需要计算900000次除法），使得计算量非常大，速度极其之慢，为此也只能将数据先存储到计算机系统中，再离线计算。这点也限制了鬼成像技术的实用性。
综上所述，当前的量子成像系统都依靠计算机系统来存贮实现，无法在线成像，这就大大限制了系统的实时性和实用性。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种低计算量、低存储需求的新量子成像方法以及量子成像系统，使系统在不增加计算量的情况下，只需要存储一帧或两帧图像，就可以在线实现量子成像,从而大大提高实时性和实用性。
一种量子成像方法，包括以下步骤：
S1，提供一入射光;
S2，将所述入射光分为一信号光及一参考光;
S3，所述信号光照射一成像物体后由一桶探测器收集，并定义第n次测量结果为;
S4，所述参考光由一面阵列探测器收集，定义其第n次测量结果为，其中为所述面阵列探测器对应的像素点坐标; 以及
S5，存储所述及，当接收到第n+1次数据和时，计算。
一种量子成像系统，其包括：热光源、一分束器、一桶探测器、一面阵列探测器以及一数据处理单元，所述分束器用于将所述热光源发出的光分成信号光和参考光，所述桶探测器设置在所述信号光的光路上用于收集所述信号光照射成像物体后的测量结果，定义所述桶探测器第n次的测量结果为，所述面阵列探测器设置在所述参考光的光路上用于收集所述参考光的测量结果，定义所述面阵列探测器第n次的测量结果为，所述数据处理单元用于处理所述信号光的测量结果，和所述参考光的测量结果，所述数据处理单元通过计算进行量子成像。
与现有技术比较，本发明的量子成像方法及量子成像系统通过存储所述及，当接收到第n+1次数据和时，计算，在整体实现上降低了存储的数据量，提高了数据计算速度，可以快速高效地实现成像，大大提高了量子成像的速度和效率，从而可以实现在线成像。
附图说明
图1为本发明实施例提供的量子成像系统的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的量子成像系统中的数据处理单元的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的量子成像方法的流程图。
图4为本发明实施例提供的量子成像方法中入射光在垂直于光束传播方向的平面光强分布图。
图5为本发明实施例提供的量子成像方法中的待测物体的示意图。
图6为本发明实施例提供的量子成像方法对应图5中的待测物体的成像结果图。
主要元件符号说明
| 量子成像系统 | 100 |
| 光源 | 11 |
| 分束器 | 12 |
| 待测物体 | 13 |
| 桶探测器 | 14 |
| 面阵列探测器 | 15 |
| 数据处理单元 | 16 |
| 桶探测器信号接口 | 161 |
| 面阵列探测器信号接口 | 162 |
| 电源及时钟模块 | 163 |
| 数据处理模块 | 164 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述，参照附图。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
请参阅图1，本发明实施例提供一种量子成像系统100，其包括一光源11、一分束器12、一桶探测器14、一面阵列探测器15以及一数据处理单元16。所述光源11发出的入射光进入所述分束器12分成一信号光以及一参考光。所述桶探测器14设置在所述信号光的光路上用于收集所述信号光的测量结果。所述面阵列探测器15设置在所述参考光的光路上用于收集所述参考光的测量结果。所述数据处理单元16用于处理所述信号光的测量结果，和所述参考光的测量结果，从而实现量子成像。
所述光源11用于提供所述入射光，该入射光具有热光源的特点，其可以是太阳光、白炽灯等。本实施例中，所述光源11包括一激光器以及一旋转毛玻璃，激光器发出的激光通过所述旋转毛玻璃后，由相干光变为赝热光，从而获得所述入射光。所述激光器型号为Newfocus
SWL-7500。
所述分束器12用于将所述光源11发出的入射光分束成所述信号光以及所述参考光。所述信号光与所述参考光成一定角度。所述信号光照射到待测物体13上，经所述待测物体13反射或透射后被所述桶探测器14收集。所述参考光由所述面阵列探测器15收集。
所述桶探测器14设置于所述分束器12分出的信号光的光路上，用于收集照射到待测物体13后的信号光。所述桶探测器14为具有一定面积的光电探测器，如大面积光电二极管、面阵CCD、面阵CMOS等。本实施例中，所述桶探测器14为MTV-1881EX。
所述面阵列探测器15设置于所述分束器12分出的参考光的光路上，用于收集参考光的信号。所述面阵列探测器15包括面阵CCD、面阵CMOS等。本实施例中，所述面阵列探测器15为MTV-1881EX。
请参见图2，所述数据处理单元16包括一桶探测器信号接口161、一面阵列探测器信号接口162、一电源及时钟模块163以及一数据处理模块164。所述桶探测器信号接口161与所述桶探测器14电连接，用于将所述桶探测器14收集的数据传输给所述数据处理模块164。所述面阵列探测器信号接口162与所述面阵列探测器15电连接，用于将所述面阵列探测器15收集的数据传输给所述数据处理模块164。所述电源及时钟模块163与所述数据处理模块164电连接，用于为所述数据处理模块164提供电源和时钟。所述数据处理模块164用于成像计算。
请一并参见图3，本发明实施例进一步提供一种量子成像方法，其包括以下步骤：
S1，提供一入射光;
S2，将所述入射光分为一信号光及一参考光;
S3，所述信号光照射一待测物体13后由一桶探测器收集，并定义第n次测量结果为;
S4，所述参考光由一面阵列探测器15收集，定义其第n次测量结果为，其中为所述面阵列探测器15对应的像素点坐标; 以及
S5，存储所述及，当接收到第n+1次数据和时，计算。
步骤S1中，所述入射光为热光源发出的光，如太阳光、白炽灯或高温热源发出的光。本实施例中，该入射光由图1中的所述光源11提供，由一个激光器发出的激光穿过旋转毛玻璃获得的赝热光。请参见图4，所述赝热光的平面强度分布中，各像素强度随时间无规律变化，各像素点间强度变化彼此无关联。其中所述旋转毛玻璃的转速要求是可控的，并与所述桶探测器14和所述面阵列探测器15的探测速度相匹配。
步骤S2中，所述入射光由所述分束器12分成信号光和参考光。所述信号光用于照射所述待测物体13。所述参考光用于为成像提供一参考信号。
步骤S3中，所述待测物体13可以为各种需要成像的物体。请参见图5，本实施例中，该待测物体13为一个基底表面上形成的镂空图案，该图案为清华大学的英文首字母的缩写“THU”。所述信号光照射到所述待测物体13上，通过透镜等光学系统收集到所述桶探测器14中，定义其第n次测量结果为。所述桶探测器14的测量结果输入到所述数据处理单元16中。
步骤S4中，所述参考光照射到所述面阵探测器15上，定义其第n次测量结果为，其中为所述面阵探测器15对应的像素点坐标。所述面阵列探测器15的测量结果输入到所述数据处理单元16中。
步骤S5在一个实施例中，设所述数据处理单元16当前存储的数据是第n次测量数据和，当接收到第n+1次数据和时，用和覆盖和存储，同时计算出，并累加到结果上并输出平均值，即可再现物体图像，如图6所示。从图6可以看出，该待测物体13的像清楚的呈现出来字母“THU”。
步骤S5在另外的实施例中，设所述数据处理单元16当前存储的数据是第n次测量数据和以及第n-1次数据和，当接收到第n+1次数据和时，用和覆盖和存储，同时用和覆盖和存储，另计算出，并累加到结果上并输出平均值，即可再现物体图像。
从本发明的实施例可以看出，本发明的量子成像方法通过存储所述及，当接收到第n+1次数据和时，计算，在不增加系统计算量的情况下，大大减少了系统的存贮负荷，提高了数据计算速度，可以快速高效的实现成像，大大提高了量子成像的速度和效率，使得量子成像系统中的数据处理单元可在IC级（如FPGA、DSP、专用ASIC）上简单实现，将量子成像向实用化方向大大推进了一步,从而可以实现在线成像。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种量子成像方法，包括以下步骤：
S1，提供一入射光;
S2，将所述入射光分为一信号光及一参考光;
S3，所述信号光照射一成像物体后由一桶探测器收集，并定义第n次测量结果为
;
S4，所述参考光由一面阵列探测器收集，定义其第n次测量结果为，其中为所述面阵探测器对应的像素点坐标; 以及
S5，存储所述及，当接收到第n+1次数据和时，计算。
2.如权利要求1所述的量子成像方法，其特征在于，所述入射光为热光源发出的光。
3.如权利要求2所述的量子成像方法，其特征在于，所述入射光通过激光照射旋转毛玻璃获得。
4.如权利要求3所述的量子成像方法，其特征在于，所述旋转毛玻璃的转速与所述桶探测器和所述面阵列探测器的探测速度相匹配。
5.如权利要求1所述的量子成像方法，其特征在于，所述入射光通过分束器分为所述信号光和所述参考光。
6.如权利要求1所述的量子成像方法，其特征在于，步骤S5中，用和覆盖和存储，同时计算出，并累加到结果上并输出平均值。
7.如权利要求1所述的量子成像方法，其特征在于，步骤S5中，存储第n-1次数据和及第n次数据和，当接收到第n+1次数据和时，用和覆盖和存储，同时用和覆盖和存储，另计算出，并累加到结果上并输出平均值。
8.一种量子成像系统，其包括：热光源、一分束器、一桶探测器、一面阵列探测器以及一数据处理单元，所述分束器用于将所述热光源发出的光分成信号光和参考光，所述桶探测器设置在所述信号光的光路上用于收集所述信号光照射成像物体后的测量结果，定义所述桶探测器第n次的测量结果为和，所述面阵列探测器设置在所述参考光的光路上用于收集所述参考光的测量结果，定义所述面阵列探测器第n次的测量结果为，所述数据处理单元用于处理所述信号光的测量结果，和所述参考光的测量结果，其特征在于，所述数据处理单元通过计算进行量子成像。
9.如权利要求8所述的量子成像系统，其特征在于，所述热光源为激光照射旋转毛玻璃获得。
10.如权利要求9所述的量子成像系统，其特征在于，所述旋转毛玻璃的转速与所述桶探测器和所述面阵列探测器的探测速度相匹配。
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