CN111263042A - 基于石墨烯器件的单像素成像系统的工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯器件的单像素成像系统的工作方法。本发明一种基于石墨烯器件的单像素成像系统，包括：第一镜组、数字微镜装置(DMD)、第二镜组、石墨烯器件、数字源表和计算机。目标图像的反射光经过第一镜组汇聚到DMD上，通过随机二值图像控制的DMD翻转后将光反射到第二镜组，第二镜组将光汇聚于单个石墨烯器件上。光强变化引起的石墨烯器件的光电流变化，并通过数字源表检测后传输到计算机，计算机再用优化算法重构出图像，该图像能够以很高的概率复现目标图像特征。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯领域，具体涉及一种基于石墨烯器件的单像素成像系统的工作方法。
背景技术
自从1822年法国涅普斯在感光材料上制造出世界上第一张照片起，成像系统越来越成为人们不可或缺的一种生活工具，并被广泛地运用于工业生产、科研、军工等各个领域。成像系统是将拍摄景物反射的光线通过成像系统的镜头透射到感光元件阵列上，其受到光线的激发释放出电荷,经过控制芯片处理转换成常见的各种图像信息。目前常用的感光元件主要有两类：电行耦合元件(CCD，Charge-coupled Device)和互补金属氧化物半导体(CMOS，Compementary Metal Oxide Semiconductor)。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号，CCD的优势在于成像质量好，但是制造工艺复杂，只要少数的厂商能够掌握、所以导致制造成本居高不下，特别是大型CCD，价格非常高；CMOS是电压控制的一种放大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元。在数字影像领域，CMOS作为一种低成本的感光元件技术被发展出来。CMOS的优势在于允许的电源电压范围宽、逻辑摆幅大、静态功耗低等，但是太容易出现杂点。在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。此外，CCD和CMOS都只适用于可见光波段的成像，而当感光波段需求扩展到红外区域时，这两种器件并不适用，而满足需求的红外感光器件的成本显著增加。因此，发展一种波长适用范围更广，能同时满足可见光波段和红外波段成像的器件，且成本较低是目前成像系统的发展趋势。
石墨烯是2004年由英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出的一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，并在2010年获得诺贝尔物理学奖。石墨烯具有许多优良特性，包括达到2630m2/g的比表面积、高达5×103W/(m*K)的导热系数，42N/m的断裂强度等。特别地，石墨烯具有比其他传统半导体材料更优良的电子结构，例如室温下高达1.5×104cm2/(V*s)的电子迁移率、并且在金属-石墨烯接口处具有很强的光响应特性、并且具有从紫外到红外超长的感光波段。这些优良电学特性使得石墨烯能够作为一种非常良好的制造光电器件的新型材料。
此外，成像的分辨率与感光元件阵列的数量成正比关系。然而，以目前的石墨烯器件制造技术还难以制造出大规模阵列化的石墨烯元件阵列，不能像传统的成像系统那样实现高分辨率的成像过程。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于石墨烯器件的单像素成像系统的工作方法，本针对传统的感光元件CCD制造工艺复杂和CMOS容易出现杂点，且成像波段仅限于可见光波段的不足，和石墨烯虽然能够作为一种更优良的光电元件，但是难以制造出石墨烯感光元件大规模阵列等问题，提出了一种基于石墨烯器件的单像素成像系统。该系统以石墨烯作为感光元件，适用拍摄的波长较宽、灵敏度高成本低，并且用单像素成像技术克服了难以制造石墨烯感光元件大规模阵列的问题，用石墨烯实现高分辨率成像。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于石墨烯器件的单像素成像系统的工作方法，包括：目标图像的反射光经过第一镜组汇聚到DMD上，通过随机二值图像控制的DMD翻转后将光反射到第二镜组，第二镜组将光汇聚于单个石墨烯器件上；检测光强变化引起的石墨烯器件光电流的变化，然后利用光强变化引起的石墨烯器件光电流的变化重构出图像。
在其中一个实施例中，其中，通过数字源表检测光强变化引起的石墨烯器件光电流的变化。
在其中一个实施例中，所述单个石墨烯器件包括单层石墨烯薄膜、金层和Si/SiO2层；其中以Si/SiO2层为基底，在Si/SiO2层上表面镀上一对宽为10um、间隔2um、厚为400nm的金层，在金层的上表面转移一个单层石墨烯薄膜，且石墨烯薄膜覆盖住整个金层及其中间间隙。
在其中一个实施例中，所述单像素成像系统的成像方法基于压缩感知原理。
在其中一个实施例中，所述压缩感知原理描述为：对于某未知信号x∈RN×1，在测量矩阵Φ∈RM×N(M＜N)下的线性观测值为y∈RM×1，则有：
y＝Φx (1)
其中，信号x必需满足稀疏性条件，即x或x转换域内只有K(K＜M)个元素为非零值；根据信号x的稀疏性，从满足式(1)的解中找出最稀疏的，当测量矩阵Φ满足限制性等距性质(Restricted Isometry Property,RIP：(1-δ)||x||2 2≤||Φx||2 2≤(1+δ)||x||2 2)时，这个“最稀疏”的解就是原始信号x。
在其中一个实施例中，所述压缩感知原理更具体的过程是：成像过程中，首先，设定目标图像总像素数N，采样数为M，设计测量矩阵Φ∈RM×N(M＜N)为伯努利随机矩阵，其中每位元素都为1或0；其次，将测量矩阵的每一行映射成一个随机二值图像，该图像大小与目标图像尺寸一致；然后，分别用一张随机二值图像控制DMD的翻转，并用数字源表采集每次翻转后石墨烯器件的电信号，其信号大小可表示为
其中，j＝1,2,...,M，Ii(i＝1,2,3,...,N)在该微镜偏向二极管方向是为1,反之为0，而Dcoffset是所有微镜都偏离石墨烯器件方向的测量值；最后，从获得的采样信号vi和测量矩阵Φ∈RM×N重构出原始图像x。
在其中一个实施例中，通过压缩感知重构算法从获得的采样信号vi和测量矩阵Φ∈RM×N重构出原始图像x。
基于同样的发明构思，本申请还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述方法的步骤。
基于同样的发明构思，本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现任一项所述方法的步骤。
基于同样的发明构思，本申请还提供一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行任一项所述的方法。
本发明的有益效果：
实现了用单个石墨烯光电器件获的高分辨率的图像信息，解决了石墨烯器件成像所面临的无法阵列的问题；其次，以石墨烯器件构建的成像系统具有更宽的光敏波段，能够同时满足可见光波段和红外等波段的成像需求，此外，因石墨烯具有较高的光电转换特性，其在快速成像等领域有着巨大的应用潜力。
附图说明
图1(a)、(b)分别是本发明中的单像素成像系统原理简图和DMD结构简图。
图2是本发明中的石墨烯器件结构简图。
图3是本发明中的石墨烯器件特性示意图，其中，(a)石墨烯的拉曼光谱特性；(b)石墨烯在光照前后的伏安特性；(c)石墨烯器件在光切换下的电流特性。
图4是本发明中的石墨烯光电器件的标定示意图。
图5是本发明中的成像结果示意图，其中(a)目标图像；(b)成像结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
一种基于石墨烯器件的单像素成像系统，其基本原理如图1(a)所示。该成像系统主要包括第一镜组、数字微镜装置(DMD，Digital Micromirrors Device)、第二镜组、石墨烯器件、数字源表和计算机。目标图像的反射光经过第一镜组汇聚到DMD上，通过随机二值图像控制的DMD翻转后将光反射到第二镜组，第二镜组将光汇聚于单个石墨烯器件上。光强变化引起的石墨烯器件光电流的变化，并通过数字源表检测后传输到计算机，计算机再用优化算法重构出图像，该图像能够以很高的概率复现目标图像特征。
单项素成像是基于压缩感知原理，其可描述为：对于某未知信号x∈RN×1，在测量矩阵Φ∈RM×N(M＜N)下的线性观测值为y∈RM×1，则有：
y＝Φx (1)
其中，信号x必需满足稀疏性条件，即x或x转换域内只有K(K＜M)个元素为非零值。由线性代数理论可知，方程(1)有无穷多个解，无法从观测值y中唯一确定原始信号x。然而，根据信号x的稀疏性，从满足式(1)的解中找出最稀疏的，当测量矩阵Φ满足限制性等距性质(Restricted Isometry Property,RIP：(1-δ)||x||2 2≤||Φx||2 2≤(1+δ)||x||2 2)时，这个“最稀疏”的解就是原始信号x。
与传统的成像系统有着本质区别。传统的成像系统是采用CCD/CMOS感光元件列阵对被观测物体进行逐点采样，则目标图像就为该列阵采样值按空间位置排列的结果，图像的分辨率完全取决于CCD/CMOS的数量。而单像素相机只需要单个感光元件对于信号进行低于原始图像分辨率的线性全局采样，然后通过求解线性优化问题从获得的少量采样值中精确的重构出原始信号。单像素相机只需单个感光元件就能重构出与CCD/CMOS列阵相媲美的高分辨率图像，显著的降低了获取高分辨率图像需求对硬件的压力。单像素成像的实现依赖于一个光空间调制器—DMD，它是由可驱动的微小镜面阵列组成，如图1(b)所示。每个镜面都固定在铰链上，并且通过控制输入数值使其正负方向翻转10度。而这种输入数值可通过随机二值图像导入，二值图像的大小与微镜数量一一对应，二值图像上的每个像素点分别控制着DMD上相应微镜的翻转方向。当图像上像素点值为1时，相应微镜向“正”方向翻转，当像素点值为0时，相应微镜向“负”方向翻转。
成像过程中，首先，设定目标图像总像素数N，采样数为M，设计测量矩阵Φ∈RM×N(M＜N)为伯努利随机矩阵，其中每位元素都为1或0；其次，将测量矩阵的每一行映射成一个随机二值图像，该图像大小与目标图像尺寸一致；然后，分别用一张随机二值图像控制DMD的翻转，并用数字源表采集每次翻转后石墨烯器件的电信号，其信号大小可表示为
其中，j＝1,2,...,M，Ii(i＝1,2,3,...,N)在该微镜偏向二极管方向是为1,反之为0，而Dcoffset是所有微镜都偏离石墨烯器件方向的测量值；最后，通过压缩感知重构算法从获得的采样信号vi和测量矩阵Φ∈RM×N重构出原始图像x。
下面给出本发明的一个具体应用场景：
石墨烯器件结构简图如图2所示。通过电子刻蚀的方法在Si/SiO2基底上镀一层400nm厚的对称金电极，电极宽10um，两个电极间隙为2um，如图2(a)所示。将通过化学气象沉积方法生成的大尺度单层石墨烯转移到金电极上表面，最后得到的石墨烯器件如图2(b)所示。
石墨烯的拉曼光谱特性如图3(a)所示，其中G带强度(1586cm-1)与D’带强度(2680cm-1)比值为0.281，与典型的单层石墨烯的拉曼特性相吻合，验证了该器件石墨烯为单层。以恒定光强的LED灯垂直照射在石墨烯器件上，并用数字源表测量石墨烯器件的I-V特性，置数字源表输入为-1V～1V，均匀采样101个电流值，获得的I-V曲线如图3(b)所示。从图3(b)可以发现，在相同电压下，光照下的石墨烯器件产生的电流是无光照时的电流1.596倍。图3(c)是光开关切换下石墨烯器件的电流曲线。外加电压1V，在有光照情况下石墨烯器件电流缓慢增加，经30s后达到稳定，增幅约为30.77％。重复切换多次后，在相同光照条件下，器件保持了相同的增幅，该结果表明了该器件具有较稳定的光响应特性。
对该器件的光电流与光强大小进行标定，标定结果如图4所示。在本实施例中，通过一个光束轮廓仪作为光强测量仪间接标定石墨烯器件的光响应特性。首先，通过控制DMD翻转在石墨烯器件方向的微镜数量，同时用数字仪表检测石墨烯器件的光电流，结果如图4(a)所示；其次，用光强测量仪测量在相同的翻转向石墨烯器件方向的微镜数下的光强大小，获得光强与微镜数的曲线，如图4(b)所示；最后，从前面两步的结果能够求出光电流与光强的关系，如图4(c)所示。在该实施例中，光电流与光强关系为II＝0.01403IL，其中，II为光电流(uA)，IL为入射光强(uW)。
用一个字符“V”图像作为目标图像测试了该成像系统的成像效果，如图5所示。目标图像如图5(a)所示，其中，黑白颜色对光的反射率不同。设定将要拍摄的图像大小为100×100像素，采样率为56％，即需要采集5600个样本。测量矩阵设定为随机伯努利矩阵，大小为5600×10000，矩阵中每个元素为0或者1。用采样矩阵映射的随机二值图像逐个DMD的翻转，同时用数字源表检测石墨烯器件相应的光电流。最后将获得的采样信号和测量矩阵，用正交匹配追踪算法将还原出重构图像，如图5(b)所示。从图5可以看出，该成像系统能够清晰地反应出原始图像的轮廓。
以上对本发明提供的基于石墨烯器件的单像素成像系统的工作方法做了详细的描述，还有以下几点需要说明：
一种基于石墨烯器件的单像素成像系统，其特征在于，包括：第一镜组、数字微镜装置(DMD)、第二镜组、石墨烯器件、数字源表和计算机。
目标图像的反射光经过第一镜组汇聚到DMD上，通过随机二值图像控制的DMD翻转后将光反射到第二镜组，第二镜组将光汇聚于单个石墨烯器件上。光强变化引起的石墨烯器件的光电流变化，并通过数字源表检测后传输到计算机，计算机再用优化算法重构出图像，该图像能够以很高的概率复现目标图像特征。
2.该成像系统的成像原理是基于压缩感知理论，只需要单个感光元件对于信号进行低于原始图像分辨率的线性全局采样，然后通过求解线性优化问题从获得的少量采样值中精确的重构出原始信号。
3.石墨烯器件单层石墨烯薄膜、金层和Si/SiO2层。以Si/SiO2层为基底，在Si/SiO2层上表面镀上一对宽为10um、间隔2um、厚为400nm的金层，在金层的上表面转移一个单层石墨烯薄膜，且石墨烯薄膜覆盖住整个金层及其中间间隙。
4.成像过程中，首先，设定目标图像总像素数N，采样数为M，设计测量矩阵Φ∈RM×N(M＜N)为伯努利随机矩阵，其中每位元素都为1或0；其次，将测量矩阵的每一行映射成一个随机二值图像，该图像大小与目标图像尺寸一致；然后，分别用一张随机二值图像控制DMD的翻转，并用数字源表采集每次翻转后石墨烯器件的电信号，其信号大小可表示为
其中，j＝1,2,...,M，Ii(i＝1,2,3,...,N)在该微镜偏向二极管方向是为1,反之为0，而Dcoffset是所有微镜都偏离石墨烯器件方向的测量值；最后，通过压缩感知重构算法从获得的采样信号vi和测量矩阵Φ∈RM×N重构出原始图像x。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种基于石墨烯器件的单像素成像系统的工作方法，其特征在于，包括：目标图像的反射光经过第一镜组汇聚到DMD上，通过随机二值图像控制的DMD翻转后将光反射到第二镜组，第二镜组将光汇聚于单个石墨烯器件上；检测光强变化引起的石墨烯器件光电流的变化，然后利用光强变化引起的石墨烯器件光电流的变化重构出图像。
2.如权利要求1所述的基于石墨烯器件的单像素成像系统的工作方法，其特征在于，其中，通过数字源表检测光强变化引起的石墨烯器件光电流的变化。
3.如权利要求1所述的基于石墨烯器件的单像素成像系统的工作方法，其特征在于，所述单个石墨烯器件包括单层石墨烯薄膜、金层和Si/SiO2层；其中以Si/SiO2层为基底，在Si/SiO2层上表面镀上一对宽为10um、间隔2um、厚为400nm的金层，在金层的上表面转移一个单层石墨烯薄膜，且石墨烯薄膜覆盖住整个金层及其中间间隙。
4.如权利要求1所述的基于石墨烯器件的单像素成像系统的工作方法，其特征在于，所述单像素成像系统的成像方法基于压缩感知原理。
5.如权利要求4所述的基于石墨烯器件的单像素成像系统的工作方法，其特征在于，所述压缩感知原理描述为：对于某未知信号x∈RN×1，在测量矩阵Φ∈RM×N(M＜N)下的线性观测值为y∈RM×1，则有：
y＝Φx (1)
其中，信号x必需满足稀疏性条件，即x或x转换域内只有K(K＜M)个元素为非零值；根据信号x的稀疏性，从满足式(1)的解中找出最稀疏的，当测量矩阵Φ满足限制性等距性质(Restricted Isometry Property,RIP：(1-δ)||x||2 2≤||Φx||2 2≤(1+δ)||x||2 2)时，这个“最稀疏”的解就是原始信号x。
6.如权利要求5所述的基于石墨烯器件的单像素成像系统的工作方法，其特征在于，所述压缩感知原理更具体的过程是：成像过程中，首先，设定目标图像总像素数N，采样数为M，设计测量矩阵Φ∈RM×N(M＜N)为伯努利随机矩阵，其中每位元素都为1或0；其次，将测量矩阵的每一行映射成一个随机二值图像，该图像大小与目标图像尺寸一致；然后，分别用一张随机二值图像控制DMD的翻转，并用数字源表采集每次翻转后石墨烯器件的电信号，其信号大小可表示为
其中，j＝1,2,...,M，Ii(i＝1,2,3,...,N)在该微镜偏向二极管方向是为1,反之为0，而Dcoffset是所有微镜都偏离石墨烯器件方向的测量值；最后，从获得的采样信号vi和测量矩阵Φ∈RM×N重构出原始图像x。
7.如权利要求6所述的基于石墨烯器件的单像素成像系统的工作方法，其特征在于，通过压缩感知重构算法从获得的采样信号vi和测量矩阵Φ∈RM×N重构出原始图像x。
8.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1到7任一项所述方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1到7任一项所述方法的步骤。
10.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求1到7任一项所述的方法。
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-
2020
- 2020-04-08 CN CN202010085431.8A patent/CN111263042A/zh active Pending
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