CN110044483A - 一种单光子压缩偏振成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微弱光成像领域和偏振光成像领域，特别涉及一种单光子压缩偏振成像装置及方法。一种单光子压缩偏振成像装置包括成像目标、物镜、旋转偏振片、旋转平移台、数字微镜器件、聚焦透镜、单光子探测器、基于FPGA的控制与同步计数模块和上位机。本发明通过基于FPGA的控制与同步计数模块控制数字微镜器件翻转和旋转偏振片旋转，获得基于压缩感知的4种偏振角度的光子计数值，从而进行图像重建及融合，不仅减少了测量成本和测量次数，还提升了装置的光通量和灵敏度，并具有集成度高，操作简便等优点。

Description

一种单光子压缩偏振成像装置及方法

技术领域

本发明涉及微弱光成像领域和偏振光学成像领域，特别涉及一种单光子压缩偏振成像装置及方法。

背景技术

偏振成像技术作为一种新型的探测技术，不仅可以探测目标的强度信息，还能从光强、光谱、空间、偏振度、偏振角、偏振椭率和旋转方向获得成像信息。目前偏振成像技术已应用于光学遥感、大气透雾、伪装目标探测和水下目标探测等领域。偏振成像技术方案与偏振成像分类密切相关，按照同一像素偏振分量获取方式划分，有分孔径(ApertureDivision)偏振成像、分振幅(Amplitude Division)偏振成像、分时(Time Sequential/Division time)偏振成像和分焦面(Division focalplane)偏振成像等。相比于传统成像，偏振成像能获得额外的偏振多维信息。但因为系统结构复杂、需要动态调制、长时间测量、需要运用面阵探测器等原因导致成本昂贵，且存在光通量低、灵敏度低等问题。

压缩感知理论指出如果信号本身是稀疏的或在摸个变换基下是稀疏的，那么就可以找出一个与变换基满足约束等距性的观测矩阵，将高维度的原始信号投影到低维空间上，然后将低维空间上得到的少量测量值求解一个非线性优化问题，就可以高概率重构原始信号。且压缩感知与光子计数技术结合的单像素成像每次测量点探测器收集的光通量远大于逐点扫描和面阵探测器单位像素上获得的光通量，因此它具有更高的灵敏度。将压缩感知运用在偏振成像中，可以极大的减少成本。2016年中国科学院西安光学精密机械研究所的王朋等人发表的基于压缩感知的偏振光成像技术研究(王朋，荣志斌，何俊华，et al.基于压缩感知的偏振光成像技术研究[J].红外与激光工程，2016，45(2)：274-280.)通过压缩感知偏振成像实验重构出了水平和垂直偏振的图像。其使用激光作为光源输出平行偏振光并在光电倍增管前加检偏器以接受偏振信号，每次测量只能获取一个方向的偏振信息，偏振信息不够丰富，其系统未利用FPGA对系统的各个模块集成化进行控制，操作较为繁琐。

发明内容

本发明的目的在于减少偏振成像的成本并提高其灵敏度，设计一种单光子压缩偏振成像装置及方法，基于被动成像获得了4种偏振角度的偏振图像，偏振信息丰富，并使用FPGA进行控制，利用其集成度高的特点，将光子的采集及测量，测量矩阵的加载，偏振片的旋转以及各模块的控制集成在一起，使装置的操作更为简便。

本发明采用的技术方案是：

一种单光子压缩偏振成像装置，包括成像目标、物镜、旋转偏振片、旋转平移台、数字微镜器件、聚焦透镜、单光子探测器、基于FPGA的控制与同步计数模块和上位机；

所述的物镜，旋转偏振片，数字微镜器件，聚焦透镜，单光子探测器依次放置；

所述的旋转平移台用于控制旋转偏振片的偏振角度；所述的FPGA控制与同步计数模块分别和所述的旋转平移台、数字微镜器件、单光子探测器、上位机连接。

所述的旋转平移台通过旋转一定的旋转角度从而控制旋转偏振片的相应偏振角度，所对应的4个不同的偏振角度依次为0°，45°，90°，135°，所述的旋转平移台的旋转角度由基于FPGA的控制与同步计数模块输出相对应的电压幅值控制。

所述的基于FPGA的控制与同步计数模块包含以下模块：脉冲展宽模块，光子计数模块，测量矩阵加载模块，控制逻辑模块，旋转平移台控制模块；

所述的脉冲展宽模块与单光子探测器相连，用于对单光子脉冲信号进行展宽；

所述的测量矩阵加载模块与上位机相连，用于接收来自上位机输入的测量矩阵及采样参数；

所述的光子计数模块与脉冲展宽模块相连，用于测量光子数；

所述的光子计数模块与上位机相连，用于将光子计数值发送至上位机进行图像重建；

所述的控制逻辑模块与上位机相连，用于接收测量开始的指令；

所述的控制逻辑模块与测量矩阵加载模块相连，用于产生控制数字微镜器件翻转的同步触发脉冲输入至测量矩阵加载模块并计数数字微镜器件的翻转次数；

所述的测量矩阵加载模块与数字微镜器件相连，用于在接收到同步触发脉冲时控制数字微镜器件上的微镜对应测量矩阵翻转；

所述的控制逻辑模块与光子计数模块相连，用于将同步触发脉冲输入至光子计数模块使得每次数字微镜器件翻转时将光子计数值清零；

所述的控制逻辑模块与旋转平移台控制模块相连，用于在接收到测量开始的指令时或数字微镜器件翻转次数计数至X次时产生旋转平移台控制脉冲输入至旋转平移台控制模块；

所述的旋转平移台控制模块与旋转平移台相连，用于在接收到旋转平移台控制脉冲时通过改变输出电压幅值控制旋转平移台旋转相应角度。

一种单光子压缩偏振成像方法，包括以下步骤：

1)所述的成像目标反射光经所述的物镜汇聚至旋转偏振片；

2)所述的基于FPGA的控制与同步计数模块控制旋转平移台旋转一定的角度从而控制旋转偏振片的相应偏振角度，光经所述的旋转偏振片成为具有相应偏振角度的偏振光，入射至数字微镜器件进行压缩采样；

3)所述的基于FPGA的控制与同步计数模块控制数字微镜器件翻转，对入射光进行调制；

4)被调制后的光经所述的聚焦透镜汇聚至所述的单光子探测器光敏面上，光信号经单光子探测器转化为单光子脉冲信号；

5)所述基于FPGA的控制与同步计数模块对单光子脉冲信号进行展宽并计数，随后将光子计数值输入上位机；

6)所述的上位机对4种偏振角度的光子计数值进行压缩感知重建，并进行图像融合，得到偏振度图像和偏振角图像。

在所述第2～5步中，测量矩阵的生成步骤及基于FPGA的控制与同步计数模块的具体时序为：

1)上位机加载测量矩阵和设置采样参数

1.1)上位机将大小为4*X*M的测量矩阵加载到测量矩阵加载模块，4为偏振角度个数，X为每个偏振角度的测量次数，M＝P*Q，为重建目标图像的像素大小；

1.2)上位机设置采样频率F；

1.3)上位机发送指令至基于FPGA的控制与同步计数模块开始测量；

2)基于FPGA的控制与同步计数模块时序

2.1)所述的脉冲展宽模块对单光子探测器输入的离散电脉冲信号展宽得到展宽单光子脉冲信号；

2.2)所述的控制逻辑模块检测到所述的上位机发送的指令后，向旋转平移台输出旋转平移台控制脉冲；

2.3)旋转平移台控制模块在接收第一个平移台控制脉冲后，控制偏振片旋转到0°偏振角。开始在0°偏振光条件下对成像目标进行压缩偏振测量；

2.4)所述的控制逻辑模块向测量矩阵加载模块和光子计数模块输入X个频率为F的同步触发脉冲信号；

2.5)所述的测量矩阵加载模块每接收到一个同步触发脉冲信号后，控制数字微镜器件按对应测量矩阵翻转1次；

2.6)所述的光子计数模块每接收到一个同步触发脉冲信号后，缓存光子计数值，同时清零计数器，然后开始对展宽后的单光子脉冲信号进行计数；

2.7)所述的光子计数模块接受到X个同步触发脉冲信号后将缓存的光子计数值发送至上位机，完成在0°偏振光条件下对成像目标的压缩偏振测量。然后所述的控制逻辑模块向旋转平移台输出下一个旋转平移台控制脉冲开始在45°偏振光条件下对成像目标进行压缩偏振测量；

2.8)重复上述2.4-2.7，依次在45°，90°，135°偏振光条件下对成像目标进行压缩偏振测量，整个步骤一共产生4个旋转平移台控制脉冲从而完成所有偏振角度的压缩偏振测量。

在所述第6步中，在4种偏振光条件下得到的光子计数值可由上位机运用压缩感知重建算法重建成相应偏振角下单光子压缩偏振成像I_0°、I_45°、I_90°、I_135°。通过斯托克斯矢量法式(1)能够得出相应斯托克斯参量对应的成像结果。

S＝[I，Q，U，V]^T＝[I_0°+I_90°，I_0°-I_90°，I_45°-I_135°，0] (1)

再通过式(2)和式(3)计算能够分别得出偏振度DoLP以及偏振角AoLP进行偏振度图像重建和偏振角图像重建。

本发明所具有的优点：

1.成本减少，本发明结合压缩感知进行偏振成像只需要采用一个探测器，避免了运用面阵探测器，且减少了测量次数。

2.光通量及灵敏度高，本发明运用压缩感知，每次测量点探测器收集的光通量远大于面阵探测器单位像素上获得的光通量，因此具有更高的灵敏度。

3.集成度高，本发明利用FPGA进行控制，将各控制与计数模块集成在一起，运作灵活。

附图说明

图1为一种单光子压缩偏振成像装置图

图2为基于FPGA的控制与同步计数模块内部模块划分及连接关系框图

图3为FPGA的控制与同步计数模块的时序图

图4为图像重建出偏振度和偏振角流程图

1-成像目标，2-物镜，3-旋转偏振片，4-旋转平移台，5-数字微镜器件，6-聚焦透镜，7-单光子探测器，8-基于FPGA的控制与同步计数模块，9-上位机。

具体实施方式

本发明提供了一种单光子压缩偏振成像装置及方法，如图1所示，包括成像目标1、物镜2、旋转偏振片3、旋转平移台4、数字微镜器件5、聚焦透镜6、单光子探测器7、基于FPGA的控制与同步计数模块8和上位机9。

成像目标1，物镜2，旋转偏振片3，数字微镜器件5，聚焦透镜6，单光子探测器7如图1所示依次放置；

成像目标1反射光经物镜2汇聚光束至旋转偏振片3上，旋转偏振片3放置于旋转平移台4上，旋转平移台通过旋转一定的旋转角度从而控制旋转偏振片的相应偏振角度，所对应的4个不同的偏振角度依次为0°，45°，90°，135°，旋转平移台的旋转角度由基于FPGA的控制与同步计数模块8改变输出电压幅值控制。光经过旋转偏振片转化为具有偏振角度的偏振光后，入射至数字微镜器件5上。本例中数字微镜器件采用TI公司0.7XGA 12°DDR型数字微镜器件，由1024×768个的微反射镜阵列组成，微镜尺寸为13.68um×13.68um，每个微镜可以独立控制±12°偏转。在数字微镜器件控制板上加载二值随机矩阵，可同步对每个微镜的转向进行控制，对应于矩阵中元素“1”的微镜偏转+12°，对应于矩阵中元素“0”的微镜偏转-12°。光经数字微镜器件调制后进入聚焦透镜，聚焦透镜6将数字微镜器件的反射光汇聚至单光子探测器7的光敏面上。单光子探测器7采用日本滨松公司的大面积单光子探测器H10682，该探测器的有效感光区域达φ8mm。单光子探测器用于将光信号转化为离散脉冲信号，并输入基于FPGA控制与同步计数模块以计数。基于FPGA控制与同步计数模块会将光子计数值发送至上位机，用于图像重建及融合。

基于FPGA控制与同步计数模块9和旋转平移台4、数字微镜器件、单光子探测器7、上位机分别连接。基于FPGA的控制与同步计数模块9的内部模块划分及连接关系如图2所示，其包含以下模块：脉冲展宽模块，光子计数模块，测量矩阵加载模块，控制逻辑模块，旋转平移台控制模块；

脉冲展宽模块与单光子探测器7相连，用于将输入的单光子脉冲信号进行展宽；

光子计数模块与脉冲展宽模块相连，用于测量光子个数；

光子计数模块与上位机9相连，用于将光子计数值发送至上位机进行图像重建；

控制逻辑模块与上位机9相连，用于接收测量开始的指令；

测量矩阵加载模块与上位机9相连，用于接收来自上位机输入的测量矩阵及采样参数；

控制逻辑模块与测量矩阵加载模块相连，用于产生控制数字微镜器件翻转的同步触发脉冲输入至测量矩阵加载模块并计数数字微镜器件的翻转次数；

测量矩阵加载模块与数字微镜器件相连，用于在接收到同步触发脉冲时控制数字微镜器件上的微镜对应测量矩阵翻转；

控制逻辑模块与光子计数模块相连，用于将同步触发脉冲输入至光子计数模块使得每次数字微镜器件翻转时将光子计数值清零；

控制逻辑模块与旋转平移台控制模块相连，用于在接收到测量开始的指令时或数字微镜器件翻转次数计数至X次时产生旋转平移台控制脉冲输入至旋转平移台控制模块；

旋转平移台控制模块与旋转平移台4相连，用于在接收到旋转平移台控制脉冲时通过改变输出电压幅值控制旋转平移台旋转相应角度。

本发明还公开了一种单光子压缩偏振成像方法，具体步骤如下：

1)上位机生成采样频率F和测量矩阵，测量矩阵大小为4*X*M，4为偏振角度个数，X为每种偏振角度的测量次数，M＝P*Q，为重建目标图像的像素大小；

2)上位机将测量矩阵发送至基于FPGA的控制与同步计数模块9内的测量矩阵加载模块；

3)上位机发送指令至基于FPGA的控制与同步计数模块开始测量，光路方向如图1所示；

4)基于FPGA的控制与同步计数模块9的时序如图3所示，其具体步骤为：

4.1)脉冲展宽模块对单光子探测器7输入的离散电脉冲信号展宽得到展宽单光子脉冲信号；

4.2)控制逻辑模块接收到来自上位机9的测量开始指令后向旋转平移台4输出旋转平移台控制脉冲；

4.3)旋转平移台控制模块在接收第一个旋转平移台控制脉冲后，控制偏振片旋转到0°偏振角。开始在0°偏振光条件下对成像目标1进行压缩偏振测量；

4.4)控制逻辑模块产生X个频率为F的同步触发脉冲发送至测量矩阵加载模块；

4.5)测量矩阵加载模块每接收到一个同步触发脉冲控制数字微镜器件翻转1次，数字微镜器件上的每个微镜根据加载的二值随机矩阵进行翻转，对应于矩阵中元素“1”的微镜偏转+12°，对应于矩阵中元素“0”的微镜偏转-12°；

4.6)光子计数模块每接收到一个同步触发脉冲信号后，缓存光子计数值，同时清零计数器，然后开始对展宽后的单光子脉冲信号进行计数。

4.7)光子计数模块接受到X个同步触发脉冲信号后将缓存的光子计数值发送至上位机，完成在0°偏振光条件下对成像目标1的压缩偏振测量。此时测量矩阵加载模块对数字微镜器件翻转计数X次，向旋转平移台控制模块输出下一个旋转平移台控制脉冲，旋转平移台控制模块改变输出电压幅值控制旋转平移台旋转至45°，开始在45°偏振光条件下对成像目标1进行压缩偏振测量；

4.8)重复上述4.4-4.7，依次在45°，90°，135°偏振光条件下对成像目标1进行压缩偏振测量，整个步骤一共产生4个旋转平移台控制脉冲从而完成所有偏振角度的压缩偏振测量。

5)上位机图像重建

图4为重建出偏振度图像和偏振角图像的流程图，在4种偏振光条件下得到的光子计数值a_i，b_i，c_i，d_i(i＝1，2，...，X)可由上位机运用TVAL3算法重建成相应偏振角下单光子压缩偏振成像I_0°、I_45°、I_90°、I_135°。通过斯托克斯矢量法式(1)能够得出相应斯托克斯参量对应的成像结果。

S＝[I，Q，U，V]^T＝[I_0°+I_90°，I_0°-I_90°，I_45°-I_135°，0] (1)

再通过式(2)和式(3)计算能够分别得出偏振度DoLP以及偏振角AoLP进行偏振度图像重建和偏振角图像重建。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种单光子压缩偏振成像装置，其特征在于：包括成像目标、物镜、旋转偏振片、旋转平移台、数字微镜器件、聚焦透镜、单光子探测器、基于FPGA的控制与同步计数模块和上位机；

所述的物镜，旋转偏振片，数字微镜器件，聚焦透镜，单光子探测器依次放置；

所述的旋转平移台用于控制旋转偏振片的偏振角度；所述的基于FPGA的控制与同步计数模块分别和所述的旋转平移台、数字微镜器件、单光子探测器、上位机连接。

2.根据权利要求1所述的一种单光子压缩偏振成像装置，其特征在于：所述的旋转平移台通过旋转一定的旋转角度从而控制旋转偏振片的相应偏振角度，所对应的4个不同的偏振角度依次为0°，45°，90°，135°，所述的旋转平移台的旋转角度由基于FPGA的控制与同步计数模块输出相对应的电压幅值控制。

3.根据权利要求1所述的一种单光子压缩偏振成像装置，其特征在于：所述的基于FPGA的控制与同步计数模块包含以下模块：脉冲展宽模块，光子计数模块，测量矩阵加载模块，控制逻辑模块，旋转平移台控制模块；

所述的脉冲展宽模块与单光子探测器相连，用于对单光子脉冲信号进行展宽；

所述的测量矩阵加载模块与上位机相连，用于接收来自上位机输入的测量矩阵及采样参数；

所述的光子计数模块与脉冲展宽模块相连，用于测量光子数；

所述的光子计数模块与上位机相连，用于将光子计数值发送至上位机进行图像重建；

所述的控制逻辑模块与上位机相连，用于接收测量开始的指令；

所述的控制逻辑模块与测量矩阵加载模块相连，用于产生控制数字微镜器件翻转的同步触发脉冲输入至测量矩阵加载模块并计数数字微镜器件的翻转次数；

所述的测量矩阵加载模块与数字微镜器件相连，用于在接收到同步触发脉冲时控制数字微镜器件上的微镜对应测量矩阵翻转；

所述的控制逻辑模块与光子计数模块相连，用于将同步触发脉冲输入至光子计数模块使得每次数字微镜器件翻转时将光子计数值清零；

所述的控制逻辑模块与旋转平移台控制模块相连，用于在接收到测量开始的指令时或数字微镜器件翻转次数计数至X次时产生旋转平移台控制脉冲输入至旋转平移台控制模块；

所述的旋转平移台控制模块与旋转平移台相连，用于在接收到旋转平移台控制脉冲时通过改变输出电压幅值控制旋转平移台旋转相应角度。

4.根据权利要求1所述的一种单光子压缩偏振成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)所述的成像目标反射光经所述的物镜汇聚至旋转偏振片；

2)所述的基于FPGA的控制与同步计数模块控制旋转平移台旋转一定的角度从而控制旋转偏振片的相应偏振角度，光经所述的旋转偏振片成为具有相应偏振角度的偏振光，入射至数字微镜器件进行压缩采样；

3)所述的基于FPGA的控制与同步计数模块控制数字微镜器件翻转，对入射光进行调制；

4)被调制后的光经所述的聚焦透镜汇聚至所述的单光子探测器光敏面上，光信号经单光子探测器转化为单光子脉冲信号；

5)所述基于FPGA的控制与同步计数模块对单光子脉冲信号进行展宽并计数，随后将光子计数值输入上位机；

6)所述的上位机对4种偏振角度的光子计数值进行压缩感知重建，并进行图像融合，得到偏振度图像和偏振角图像。

5.根据权利要求4所述的一种单光子压缩偏振成像方法，其特征在于：在所述第2～5步中，测量矩阵的生成步骤及基于FPGA的控制与同步计数模块的具体时序为：

1)上位机加载测量矩阵和设置采样参数

1.1)所述的上位机将大小为4*X*M的测量矩阵加载到测量矩阵加载模块，4为偏振角度个数，X为每个偏振角度的测量次数，M＝P*Q，为重建目标图像的像素大小；

1.2)所述的上位机设置的采样频率F；

1.3)所述的上位机发送指令至基于FPGA的控制与同步计数模块，装置开始测量；

2)基于FPGA的控制与同步计数模块时序

2.1)所述的脉冲展宽模块对单光子探测器输入的离散电脉冲信号展宽得到展宽单光子脉冲信号；

2.2)所述的控制逻辑模块检测到所述的上位机发送的指令后，向旋转平移台输出旋转平移台控制脉冲；

2.3)所述的旋转平移台控制模块在接收第一个旋转平移台控制脉冲后，控制偏振片旋转到0°偏振角。开始在0°偏振光条件下对成像目标进行压缩偏振测量；

2.4)所述的控制逻辑模块向测量矩阵加载模块和光子计数模块输入X个频率为F的同步触发脉冲信号；

2.5)所述的测量矩阵加载模块每接收到一个同步触发脉冲信号后，控制数字微镜器件按对应测量矩阵翻转1次；

2.6)所述的光子计数模块每接收到一个同步触发脉冲信号后，缓存光子计数值，同时清零计数器，然后开始对展宽后的单光子脉冲信号进行计数；

2.7)所述的光子计数模块接受到X个同步触发脉冲信号后将缓存的光子计数值发送至上位机，完成在0°偏振光条件下对成像目标的压缩偏振测量。然后所述的控制逻辑模块向旋转平移台输出下一个旋转平移台控制脉冲开始在45°偏振光条件下

对成像目标进行压缩偏振测量；

2.8)重复上述2.4-2.7，依次在45°，90°，135°偏振光条件下对成像目标进行压缩偏振测量，整个步骤一共产生4个旋转平移台控制脉冲从而完成所有偏振角度的压缩偏振测量。

6.根据权利要求4所述的一种单光子压缩偏振成像方法，其特征在于：

在所述第6步中，在4种偏振光条件下得到的光子计数值可由上位机运用压缩感知重建算法重建成相应偏振角下单光子压缩偏振成像I_0°、I_45°、I_90°、I_135°；通过斯托克斯矢量法式(1)能够得出相应斯托克斯参量对应的成像结果；

S＝[I，Q，U，V]^T＝[I_0°+I_90°，I_0°-I_90°，I_45°-I_135°，0] (1)

再通过式(2)和式(3)计算能够分别得出偏振度DoLP以及偏振角AoLP进行偏振度图像重建和偏振角图像重建。

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