CN112866532B - 一种紧凑型双光路单像素成像系统及不均匀光源校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型双光路单像素成像系统及不均匀光源校正方法，对称设置两套由平面反射镜、光束收集透镜和单像素光电探测器组成的光强收集系统，利用对称双光路进行差分测量，仅通过一次测量即可得到差分后的数字信号，这样，在弱化噪声影响和抑制光源波动的同时还能提高差分测量的效率；并且，本发明提供的上述紧凑型双光路单像素成像系统，还能实现宽谱光源照明下同时成像，同时重建出两个不同波段下的图像；此外，利用平面反射镜将DMD调制后的光反射到光束收集透镜上，可以充分地配合DMD，不仅可以解决因DMD反转角度太小导致光束收集透镜收集的光信息不完整从而影响图像恢复质量的问题，还可以使整个系统的结构更加紧凑。

Description

一种紧凑型双光路单像素成像系统及不均匀光源校正方法

技术领域

本发明涉及计算成像技术领域，尤其涉及一种紧凑型双光路单像素成像系统及不均匀光源校正方法。

背景技术

单像素成像是一种新兴的计算成像技术，通过空间光调制器对目标场景进行结构化照明，再由无空间分辨率的单像素光电探测器采集信息，通过相关的重建算法便可恢复出图像。

单像素成像技术有多种形式的空间光调制器，例如发光二极管(Light-EmittingDiode,LED)、光学相控阵(Optical Phased Array,OPA)和数字微镜器件(DigitalMicromirrors Device,DMD)等等。影响单像素成像的主要噪声分为探测器噪声和光源波动噪声，对两种噪声的抑制能力将极大地决定单像素成像的重构质量。

人们尝试了多种方式来提升单像素成像系统对噪声的抑制能力，其中最为有效的是差分测量单像素成像技术。当使用哈达玛矩阵作为采集信号的测量矩阵时，由于哈达玛矩阵上的元素只有+1和-1两种取值，而实际实验中只能模拟出+1和0，因此，需要通过DMD投影两张完全相反的哈达玛采样矩阵，来实现±1的强度调制。将两次投影的探测值做相减运算，既可以得到差分后的探测值，从而实现对光源强度波动噪声的抑制，又可以实现对探测器噪声的抑制。然而，由于差分测量的采样次数是正常采样的两倍，大大增加了采样时间，这是其技术发展的瓶颈问题，也是相关领域亟待攻克的难点。并且，单像素成像技术无法在宽谱光源照明下对两个不同波段同时成像。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种紧凑型双光路单像素成像系统及不均匀光源校正方法，用以解决光源不均匀性和光源波动对图像重建产生的不利影响，同时实现了DMD双光路单像素成像，并解决了使用DMD双光路进行单像素成像时因DMD反转角度太小导致光信息不易收集的问题。

本发明提供的一种紧凑型双光路单像素成像系统，包括：相机机身，位于所述相机机身内的相机镜头、DMD、第一平面反射镜、第一光束收集透镜、第二平面反射镜和第二光束收集透镜，以及位于所述相机机身外的光源、第一单像素光电探测器、第一AD转换器、第二单像素光电探测器、第二AD转换器和计算机；其中，

所述光源，用于发射光束，对准所述相机镜头；

所述相机镜头，用于将接收到的光汇聚到DMD；

所述计算机，与所述DMD电性连接，用于生成N个哈达玛图案，并发送给所述DMD；

所述DMD，用于按照接收的N个哈达玛图案对接收到的光进行调制，并将调制后的光分为两路，分别照在所述第一平面反射镜和所述第二平面反射镜上；

所述第一平面反射镜，用于将光反射到所述第一光束收集透镜上；所述第一光束收集透镜，用于将光汇聚到所述第一单像素光电探测器的工作接收面上；所述第一单像素光电探测器，用于采集接收的光的强度，并将采集的光强经过所述第一AD转换器转换为数字信号发送给所述计算机；光束经所述DMD调制后在所述DMD中+12°偏转的微镜上的反射光束与被所述第一平面反射镜反射到所述第一光束收集透镜的光束的角平分线，为所述第一平面反射镜的法线；

所述第二平面反射镜，用于将光反射到所述第二光束收集透镜上；所述第二光束收集透镜，用于将光汇聚到所述第二单像素光电探测器的工作接收面上；所述第二单像素光电探测器，用于采集接收的光的强度，并将采集的光强经过所述第二AD转换器转换为数字信号发送给所述计算机；光束经所述DMD调制后在所述DMD中-12°偏转的微镜上的反射光束与被所述第二平面反射镜反射到所述第二光束收集透镜的光束的角平分线，为所述第二平面反射镜的法线；

所述第一平面反射镜与所述第二平面反射镜关于对称面对称放置，所述第一光束收集透镜与所述第二光束收集透镜关于对称面对称放置，所述第一单像素光电探测器与所述第二单像素光电探测器关于对称面对称放置；其中，对称面经过所述DMD的中心点，且与所述DMD的转轴平行，且与所述相机机身的底面呈45°夹角；

所述计算机，分别与所述第一单像素光电探测器和所述第二单像素光电探测器电性连接，用于根据由所述第一AD转换器转换的数字信号和由所述第二AD转换器转换的数字信号，对待测物体进行图像恢复。

本发明还提供了一种基于紧凑型双光路单像素成像系统的不均匀光源校正方法，包括如下步骤：

S1：在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，根据计算机接收的数字信号，计算得到第一恢复图像的灰度值；

S2：在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，根据计算机接收的数字信号，计算得到第二恢复图像的灰度值；

S3：第二恢复图像的灰度值与第一恢复图像的灰度值的比值，为经光源校正后的对待测物体恢复图像的灰度值。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述不均匀光源校正方法中，用于单像素成像差分测量；

步骤S1中，按照如下公式计算第一恢复图像的灰度值：

其中，s_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；q_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；N表示计算机生成的哈达玛图案的数量；

步骤S2中，按照如下公式计算第二恢复图像的灰度值：

其中，S_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；Q_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述不均匀光源校正方法中，用于单像素成像差分测量；

步骤S1中，按照如下公式计算第一恢复图像的灰度值：

其中，s_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；q_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；q表示在光源不发生波动且发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；

表示第一波动系数；N表示计算机生成的哈达玛图案的数量；

步骤S2中，按照如下公式计算第二恢复图像的灰度值：

其中，S_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；Q_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；Q表示在光源不发生波动且发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；α_i表示第二波动系数。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述不均匀光源校正方法中，用于同一波段光源照明下两条光路同时进行单像素成像；

步骤S1中，按照如下公式计算第一恢复图像的灰度值：

其中，s_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；

是对s_i取反后的哈达玛图案；q_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；N表示计算机生成的哈达玛图案的数量；

步骤S2中，按照如下公式计算第二恢复图像的灰度值：

其中，S_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；

是对S_i取反后的哈达玛图案；Q_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述不均匀光源校正方法中，用于同一波段光源照明下两条光路同时进行单像素成像；

步骤S1中，按照如下公式计算第一恢复图像的灰度值：

其中，s_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；

是对s_i取反后的哈达玛图案；q_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；q表示在光源不发生波动且发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；

表示第一波动系数；N表示计算机生成的哈达玛图案的数量；

步骤S2中，按照如下公式计算第二恢复图像的灰度值：

其中，S_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；

是对S_i取反后的哈达玛图案；Q_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；Q表示在光源不发生波动且发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；α_i表示第二波动系数。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述不均匀光源校正方法中，用于宽谱光源照明下两条光路分别进行单像素成像；

步骤S1中，按照如下公式分别计算两条光路的第一恢复图像的灰度值：

其中，s_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；

是对s_i取反后的哈达玛图案；q_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；N表示计算机生成的哈达玛图案的数量；

步骤S2中，按照如下公式分别计算两条光路的第二恢复图像的灰度值：

其中，S_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；

是对S_i取反后的哈达玛图案；Q_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号。

本发明提供的上述紧凑型双光路单像素成像系统及不均匀光源校正方法，对称设置两套由平面反射镜、光束收集透镜和单像素光电探测器组成的光强收集系统，利用对称双光路进行差分测量，仅通过一次测量即可得到差分后的数字信号，这样，在弱化噪声影响和抑制光源波动的同时还能提高差分测量的效率；并且，本发明提供的上述紧凑型双光路单像素成像系统，还能实现宽谱光源照明下同时成像，同时重建出两个不同波段下的图像；此外，利用平面反射镜将DMD调制后的光反射到光束收集透镜上，可以充分地配合DMD，不仅可以解决因DMD反转角度太小导致光束收集透镜收集的光信息不完整从而影响图像恢复质量的问题，还可以使整个系统的结构更加紧凑，使用更加便捷，应用更加广泛。基于本发明提供的上述紧凑型双光路单像素成像系统，可以用于单像素成像差分测量、同一波段光源照明下两条光路同时进行单像素成像以及宽谱光源照明下两条光路分别进行单像素成像；用于同一波段光源照明下两条光路同时进行单像素成像时，通过对两个重建结果取平均值得到最终图像，实现了能量的高效利用，同时提高了图像的信噪比；用于单像素成像差分测量和同一波段光源照明下两条光路同时进行单像素成像时，通过将计算机每次从第一单像素光电探测器和第二单像素光电探测器记录的数字信号相加，获得系统光源的波动和不稳定信息，再使用相关处理算法来减小这种光源波动和不稳定带来的不利影响，从而提高图像的重建质量。

附图说明

图1为本发明提供的一种紧凑型双光路单像素成像系统的结构示意图；

图2为本发明提供的一种不均匀光源校正方法的流程图；

图3为本发明实施例1和实施例5提供的一种不均匀光源校正方法的实验效果图。

附图标记说明：相机机身1，相机镜头2，DMD3，第一平面反射镜4，第一光束收集透镜5，第二平面反射镜6，第二光束收集透镜7，光源8，第一单像素光电探测器9，第一AD转换器10，第二单像素光电探测器11，第二AD转换器12，计算机13，待测物体14。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。

本发明提供的一种紧凑型双光路单像素成像系统，如图1所示，包括：相机机身1，位于相机机身1内的相机镜头2、DMD3、第一平面反射镜4、第一光束收集透镜5、第二平面反射镜6和第二光束收集透镜7，以及位于相机机身1外的光源8、第一单像素光电探测器9、第一AD转换器10、第二单像素光电探测器11、第二AD转换器12和计算机13；其中，

光源8，用于发射光束，对准相机镜头2；

相机镜头2，用于将接收到的光汇聚到DMD3；

计算机13，与DMD3电性连接，用于生成N个哈达玛图案，并发送给DMD3；

DMD3，用于按照接收的N个哈达玛图案对接收到的光进行调制，并将调制后的光分为两路，分别照在第一平面反射镜4和第二平面反射镜6上；

第一平面反射镜4，用于将光反射到第一光束收集透镜5上；第一光束收集透镜5，用于将光汇聚到第一单像素光电探测器9的工作接收面上；第一单像素光电探测器9，用于采集接收的光的强度，并将采集的光强经过第一AD转换器10转换为数字信号发送给计算机13；光束经DMD3调制后在DMD3中+12°偏转的微镜上的反射光束与被第一平面反射镜4反射到第一光束收集透镜5的光束的角平分线，为第一平面反射镜4的法线；

第二平面反射镜6，用于将光反射到第二光束收集透镜7上；第二光束收集透镜7，用于将光汇聚到第二单像素光电探测器11的工作接收面上；第二单像素光电探测器11，用于采集接收的光的强度，并将采集的光强经过第二AD转换器12转换为数字信号发送给计算机13；光束经DMD3调制后在DMD3中-12°偏转的微镜上的反射光束与被第二平面反射镜6反射到第二光束收集透镜7的光束的角平分线，为第二平面反射镜6的法线；

第一平面反射镜4与第二平面反射镜6关于对称面对称放置，第一光束收集透镜5与第二光束收集透镜7关于对称面对称放置，第一单像素光电探测器9与第二单像素光电探测器11关于对称面对称放置；其中，对称面经过DMD3的中心点，且与DMD3的转轴平行，且与相机机身1的底面呈45°夹角；这样，可以充分配合DMD3调制产生的两路光束，使DMD3调制后的两路光束完全进入两个单像素光电探测器，实现系统能量的高效利用；

计算机13，分别与第一单像素光电探测器9和第二单像素光电探测器11电性连接，用于根据由第一AD转换器10转换的数字信号和由第二AD转换器12转换的数字信号，对待测物体进行图像恢复。

本发明提供的上述紧凑型双光路单像素成像系统的工作原理如下：如图1所示，计算机13生成N个哈达玛图案发送给DMD3；光源8发出的光经过待测物体14后照在相机镜头2上；相机镜头2将接收到的光(包含待测物体14的信息)汇聚到DMD3；计算机13控制DMD3按顺序显示哈达玛图案，DMD3按照接收的N个哈达玛图案对接收到的光进行调制，并将调制后的光分为两路，两路光束分别经过对称放置的两套由平面反射镜、光束收集透镜、单像素光电探测器组成的光强收集系统后在计算机上以数字信号的形式记录，最后根据具体用途选择不同的重建算法对待测物体14进行图像恢复，具体如下：第一平面反射镜4将光反射到第一光束收集透镜5上，第一光束收集透镜5将光汇聚到第一单像素光电探测器9的工作接收面上，第一单像素光电探测器9采集接收的光的强度，并将采集的光强经过第一AD转换器10转换为数字信号发送给计算机13；第二平面反射镜6后的光路与第一平面反射镜4后的光路类似；计算机13根据由第一AD转换器10转换的数字信号和由第二AD转换器12转换的数字信号，对待测物体14进行图像恢复。

本发明提供的上述紧凑型双光路单像素成像系统，对称设置两套由平面反射镜、光束收集透镜和单像素光电探测器组成的光强收集系统，利用对称双光路进行差分测量，仅通过一次测量即可得到差分后的数字信号，这样，在弱化噪声影响和抑制光源波动的同时还能提高差分测量的效率；并且，本发明提供的上述紧凑型双光路单像素成像系统，还能实现宽谱光源照明下同时成像，同时重建出两个不同波段下的图像；此外，利用平面反射镜将DMD调制后的光反射到光束收集透镜上，可以充分地配合DMD调制产生的两路光束，使DMD3调制后的两路光束完全进入两个单像素光电探测器，不仅可以解决因DMD反转角度太小导致光束收集透镜收集的光信息不完整从而影响图像恢复质量的问题，还可以使整个系统的结构更加紧凑，整个系统的长度为78mm，宽度为40.10mm，高度为80mm，极大程度地缩小了整个系统的占用空间，使用更加便捷，应用更加广泛。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种不均匀光源校正方法，基于本发明提供的上述紧凑型双光路单像素成像系统实现，如图2所示，包括如下步骤：

S1：在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，根据计算机接收的数字信号，计算得到第一恢复图像的灰度值；

S2：在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，根据计算机接收的数字信号，计算得到第二恢复图像的灰度值；

S3：第二恢复图像的灰度值与第一恢复图像的灰度值的比值，为经光源校正后的对待测物体恢复图像的灰度值。

本发明提供的上述不均匀光源校正方法，可以解决因计算机记录的光强值会受到不均匀光源的影响，而使重建图像的质量变差的问题。

本发明提供的上述不均匀光源校正方法，基于本发明提供的上述紧凑型双光路单像素成像系统，可以用于单像素成像差分测量，也可以用于同一波段光源照明下两条光路同时进行单像素成像，还可以用于宽谱光源照明下两条光路分别进行单像素成像。需要说明的是，前两种应用，即单像素成像差分测量和同一波段光源照明下两条光路同时进行单像素成像，需要满足两个单像素光电探测器的型号相同，进一步地，为了保证两个单像素光电探测器的光强响应一致，需要在工作前对两个单像素光电探测器进行标定；第三种应用，即宽谱光源照明下两条光路分别进行单像素成像，两个单像素光电探测器的工作波段不同，一个可以为可见光，另一个可以为特殊波段，例如近红外、紫外等，由于二者工作波段不同，因此无需进行标定。并且，前两种应用，即单像素成像差分测量和同一波段光源照明下两条光路同时进行单像素成像，还可以考虑光源波动因素。下面通过五个具体的实施例对本发明提供的上述不均匀光源校正方法分别用于上述三种应用(前两种应用分为不考虑光源波动和考虑光源波动两种情况)时的具有实施进行详细说明。

实施例1：用于单像素成像差分测量，不考虑光源波动。

第一步，在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，根据计算机接收的数字信号，计算得到第一恢复图像的灰度值。

(1)计算机生成n²个n阶哈达玛矩阵，其中，n是2的幂次方的正整数；

例如，以32×32的DMD阵列为例，计算机生成1024组哈达玛图案s_i(32,32),i＝1,2,......1024；

n阶的哈达玛矩阵

生成规则如下：

由矩阵

可以递推得到矩阵

对于一个32×32的DMD阵列，首先需要生成一个32²阶的哈达玛矩阵H₁₀₂₄，然后将每一行转换成一个32阶的矩阵，从而得到32²个32阶哈达玛矩阵，即1024组哈达玛图案，将矩阵H₁₀₂₄中的-1替换为0，记作

每次显示的图案s_i为矩阵

中的第i行对应的数据转换为32行32列所对应的图案；

(2)打开光源，光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上；计算机控制DMD按顺序显示哈达玛图案s_i，DMD控制方法具体如下：计算机将矩阵

中的“1”和“0”数据传输至DMD控制器，为DMD中的每个基本存储单元加载一个“1”或一个“0”，分别对应DMD中每个微镜的“开”和“关”状态；当DMD不工作时，每个微镜处于0°的静止状态；当微镜处于“开”状态时，微镜沿对角线45°轴方向偏离+12°；当微镜处于“关”状态时，微镜沿对角线45°轴方向偏离-12°，DMD通过对入射光进行调制，完成对哈达玛图案的显示；光束被DMD调制后分成两路，一路光束依次经过第一平面反射镜、第一光束收集透镜到达第一单像素光电探测器的工作接收面；另一路光束依次经过第二平面反射镜、第二光束收集透镜到达第二单像素光电探测器的工作接收面；

(3)将计算机记录的第一单像素光电探测器采集的n²组数字信号和第二单像素光电探测器采集的n²组数字信号作差，即将计算机记录的第一单像素光电探测器采集的1024组数字信号q_i,i＝1,2,......1024和第二单像素光电探测器采集的1024组数字信号

i＝1,2,......1024作差，得到：

其中，q_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；

利用差值和对应的哈达玛图案进行乘积求和，得到第一恢复图像的灰度值：

其中，s_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；N表示计算机生成的哈达玛图案的数量，N＝n²。

第二步，在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，根据计算机接收的数字信号，计算得到第二恢复图像的灰度值。第二步的具体实施与第一步类似：

(1)计算机生成1024组哈达玛图案S_i(32,32),i＝1,2,......1024；

(2)打开光源，光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上；计算机控制DMD按顺序显示哈达玛图案S_i，光束被DMD调制后分成两路，一路光束依次经过第一平面反射镜、第一光束收集透镜到达第一单像素光电探测器的工作接收面；另一路光束依次经过第二平面反射镜、第二光束收集透镜到达第二单像素光电探测器的工作接收面；

(3)将计算机记录的第一单像素光电探测器采集的1024组数字信号Q_i,i＝1,2,......1024和第二单像素光电探测器采集的1024组数字信号

i＝1,2,......1024作差，得到：

其中，Q_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；

利用差值和对应的哈达玛图案进行乘积求和，得到第二恢复图像的灰度值：

其中，S_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案。

第三步，第二恢复图像的灰度值与第一恢复图像的灰度值的比值，为经光源校正后的对待测物体恢复图像的灰度值：

如图3中的(a)所示的差分测量单像素成像结果与如图3中的(b)所示的非差分测量单像素成像结果相比，成像质量显著改善。

实施例2：用于单像素成像差分测量，考虑光源波动。

第一步，在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，根据计算机接收的数字信号，计算得到第一恢复图像的灰度值。

(1)计算机生成n²个n阶哈达玛矩阵，其中，n是2的幂次方的正整数；

例如，以32×32的DMD阵列为例，计算机生成1024组哈达玛图案s_i(32,32),i＝1,2,......1024；

n阶的哈达玛矩阵

生成规则如下：

由矩阵

可以递推得到矩阵

对于一个32×32的DMD阵列，首先需要生成一个32²阶的哈达玛矩阵H₁₀₂₄，然后将每一行转换成一个32阶的矩阵，从而得到32²个32阶哈达玛矩阵，即1024组哈达玛图案，将矩阵H₁₀₂₄中的-1替换为0，记作

每次显示的图案s_i为矩阵

中的第i行对应的数据转换为32行32列所对应的图案；

(2)打开光源，光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上；计算机控制DMD按顺序显示哈达玛图案s_i，DMD控制方法具体如下：计算机将矩阵

中的“1”和“0”数据传输至DMD控制器，为DMD中的每个基本存储单元加载一个“1”或一个“0”，分别对应DMD中每个微镜的“开”和“关”状态；当DMD不工作时，每个微镜处于0°的静止状态；当微镜处于“开”状态时，微镜沿对角线45°轴方向偏离+12°；当微镜处于“关”状态时，微镜沿对角线45°轴方向偏离-12°，DMD通过对入射光进行调制，完成对哈达玛图案的显示；光束被DMD调制后分成两路，一路光束依次经过第一平面反射镜、第一光束收集透镜到达第一单像素光电探测器的工作接收面；另一路光束依次经过第二平面反射镜、第二光束收集透镜到达第二单像素光电探测器的工作接收面；

(3)将计算机记录的第一单像素光电探测器采集的n²组数字信号和第二单像素光电探测器采集的n²组数字信号作差，即将计算机记录的第一单像素光电探测器采集的1024组数字信号q_i,i＝1,2,......1024和第二单像素光电探测器采集的1024组数字信号

i＝1,2,......1024作差，得到：

其中，q_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；

获取光源波动信息：将每一次计算机记录的第一单像素光电探测器采集到的数字信号q_i和第二单像素光电探测器采集到的数字信号

相加，得到每次计算机以数字信号形式记录到的照射在DMD上的总光强

然后用

除以光源不发生波动时在计算机上以数字信号形式记录到的照射在DMD上的总光强q，得到第一波动系数

其中，

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；q表示在光源不发生波动且发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；

表示DMD上的照明光强的波动情况，当光源不发生波动时，

利用差值、对应的哈达玛图案以及第一波动系数，计算第一恢复图像的灰度值：

其中，s_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；N表示计算机生成的哈达玛图案的数量，N＝n²。

第二步，在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，根据计算机接收的数字信号，计算得到第二恢复图像的灰度值。第二步的具体实施与第一步类似：

(1)计算机生成1024组哈达玛图案S_i(32,32),i＝1,2,......1024；

(2)打开光源，光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上；计算机控制DMD按顺序显示哈达玛图案S_i，光束被DMD调制后分成两路，一路光束依次经过第一平面反射镜、第一光束收集透镜到达第一单像素光电探测器的工作接收面；另一路光束依次经过第二平面反射镜、第二光束收集透镜到达第二单像素光电探测器的工作接收面；

(3)将计算机记录的第一单像素光电探测器采集的1024组数字信号Q_i,i＝1,2,......1024和第二单像素光电探测器采集的1024组数字信号

i＝1,2,......1024作差，得到：

其中，Q_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；

获取光源波动信息：将每一次计算机记录的第一单像素光电探测器采集到的数字信号Q_i和第二单像素光电器采集到的数字信号

相加，得到每次计算机以数字信号形式记录到的照射在DMD上的总光强

然后用

除以光源不发生波动时在计算机上以数字信号形式记录到的照射在DMD上的总光强Q，得到第二波动系数α_i：

其中，

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；Q表示在光源不发生波动且发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；α_i表示DMD上的照明光强的波动情况，当光源不发生波动时，α_i＝1；

利用差值、对应的哈达玛图案以及第二波动系数，计算第二恢复图像的灰度值：

其中，S_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案。

第三步，第二恢复图像的灰度值与第一恢复图像的灰度值的比值，为经光源校正后的对待测物体恢复图像的灰度值：

实施例2中，用于单像素成像差分测量时，通过将计算机每次从第一单像素光电探测器和第二单像素光电探测器记录的数字信号相加，获得系统光源的波动和不稳定信息，再使用相关处理算法来减小这种光源波动和不稳定带来的不利影响，从而提高图像的重建质量。

实施例3：用于同一波段光源照明下两条光路同时进行单像素成像，不考虑光源波动。

第一步，在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，根据计算机接收的数字信号，计算得到第一恢复图像的灰度值。

(1)计算机生成n²个n阶哈达玛矩阵，其中，n是2的幂次方的正整数；

例如，以32×32的DMD阵列为例，计算机生成1024组哈达玛图案s_i(32,32),i＝1,2,......1024；

n阶的哈达玛矩阵

生成规则如下：

由矩阵

可以递推得到矩阵

对于一个32×32的DMD阵列，首先需要生成一个32²阶的哈达玛矩阵H₁₀₂₄，然后将每一行转换成一个32阶的矩阵，从而得到32²个32阶哈达玛矩阵，即1024组哈达玛图案，将矩阵H₁₀₂₄中的-1替换为0，记作

将矩阵H₁₀₂₄中的1替换为0，同时-1替换为1，记作

每次显示的图案s_i对于第一平面反射镜那路光束来说，是矩阵

中的第i行对应的数据转换为32行32列所对应的图案；

是对s_i取反后得到的图案；

(2)用同一波段光源照明，光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上；计算机控制DMD按顺序显示哈达玛图案s_i，DMD控制方法具体如下：计算机将矩阵

中的“1”和“0”数据传输至DMD控制器，为DMD中的每个基本存储单元加载一个“1”或一个“0”，分别对应DMD中每个微镜的“开”和“关”状态；当DMD不工作时，每个微镜处于0°的静止状态；当微镜处于“开”状态时，微镜沿对角线45°轴方向偏离+12°；当微镜处于“关”状态时，微镜沿对角线45°轴方向偏离-12°，DMD通过对入射光进行调制，完成对哈达玛图案的显示；光束被DMD调制后分成两路，一路光束依次经过第一平面反射镜、第一光束收集透镜到达第一单像素光电探测器的工作接收面；另一路光束依次经过第二平面反射镜、第二光束收集透镜到达第二单像素光电探测器的工作接收面；

(3)计算机记录第一单像素光电探测器采集的n²组数字信号和第二单像素光电探测器采集的n²组数字信号，即第一单像素光电探测器采集的1024组数字信号q_i,i＝1,2,......1024和第二单像素光电探测器采集的1024组数字信号

i＝1,2,......1024；

利用记录的数字信号和对应的哈达玛图案，计算第一恢复图像的灰度值：

其中，s_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；

是对s_i取反后的哈达玛图案；q_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；N表示计算机生成的哈达玛图案的数量，N＝n²。

第二步，在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，根据计算机接收的数字信号，计算得到第二恢复图像的灰度值。第二步的具体实施与第一步类似：

(1)计算机生成1024组哈达玛图案S_i(32,32),i＝1,2,......1024；

(2)用同一波段光源照明，光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上；计算机控制DMD按顺序显示哈达玛图案S_i，光束被DMD调制后分成两路，一路光束依次经过第一平面反射镜、第一光束收集透镜到达第一单像素光电探测器的工作接收面；另一路光束依次经过第二平面反射镜、第二光束收集透镜到达第二单像素光电探测器的工作接收面；

(3)计算机记录第一单像素光电探测器采集的1024组数字信号Q_i，i＝1，2,......1024和第二单像素光电探测器采集的1024组数字信号

i＝1,2,......1024；

利用记录的数字信号和对应的哈达玛图案，计算第二恢复图像的灰度值：

其中，S_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；

是对S_i取反后的哈达玛图案；Q_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号。

第三步，第二恢复图像的灰度值与第一恢复图像的灰度值的比值，为经光源校正后的对待测物体恢复图像的灰度值：

如图3中的(c)所示的双光路平均后的非差分测量单像素成像结果与如图3中的(b)所示的非差分测量单像素成像结果相比，信噪比得到改善，从而提高了图像的重建质量。

实施例4：用于同一波段光源照明下两条光路同时进行单像素成像，考虑光源波动。

第一步，在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，根据计算机接收的数字信号，计算得到第一恢复图像的灰度值。

(1)计算机生成n²个n阶哈达玛矩阵，其中，n是2的幂次方的正整数；

例如，以32×32的DMD阵列为例，计算机生成1024组哈达玛图案s_i(32,32),i＝1,2,......1024；

n阶的哈达玛矩阵

生成规则如下：

由矩阵

可以递推得到矩阵

对于一个32×32的DMD阵列，首先需要生成一个32²阶的哈达玛矩阵H₁₀₂₄，然后将每一行转换成一个32阶的矩阵，从而得到32²个32阶哈达玛矩阵，即1024组哈达玛图案，将矩阵H₁₀₂₄中的-1替换为0，记作

将矩阵H₁₀₂₄中的1替换为0，同时-1替换为1，记作

每次显示的图案s_i对于第一平面反射镜那路光束来说，是矩阵

中的第i行对应的数据转换为32行32列所对应的图案；

是对s_i取反后得到的图案；

(2)用同一波段光源照明，光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上；计算机控制DMD按顺序显示哈达玛图案s_i，DMD控制方法具体如下：计算机将矩阵

中的“1”和“0”数据传输至DMD控制器，为DMD中的每个基本存储单元加载一个“1”或一个“0”，分别对应DMD中每个微镜的“开”和“关”状态；当DMD不工作时，每个微镜处于0°的静止状态；当微镜处于“开”状态时，微镜沿对角线45°轴方向偏离+12°；当微镜处于“关”状态时，微镜沿对角线45°轴方向偏离-12°，DMD通过对入射光进行调制，完成对哈达玛图案的显示；光束被DMD调制后分成两路，一路光束依次经过第一平面反射镜、第一光束收集透镜到达第一单像素光电探测器的工作接收面；另一路光束依次经过第二平面反射镜、第二光束收集透镜到达第二单像素光电探测器的工作接收面；

(3)计算机记录第一单像素光电探测器采集的n²组数字信号和第二单像素光电探测器采集的n²组数字信号，即第一单像素光电探测器采集的1024组数字信号q_i，i＝1,2,......1024和第二单像素光电探测器采集的1024组数字信号

i＝1,2，......1024；

获取光源波动信息：将每一次计算机记录的第一单像素光电探测器采集到的数字信号q_i和第二单像素光电探测器采集到的数字信号

相加，得到每次计算机以数字信号形式记录到的照射在DMD上的总光强

然后用

除以光源不发生波动时在计算机上以数字信号形式记录到的照射在DMD上的总光强q，得到第一波动系数

其中，q_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；q表示在光源不发生波动且发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；

表示DMD上的照明光强的波动情况，当光源不发生波动时，

利用记录的数字信号、对应的哈达玛图案以及第一波动系数，计算第一恢复图像的灰度值：

其中，s_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；

是对s_i取反后的哈达玛图案；N表示计算机生成的哈达玛图案的数量，N＝n²。

第二步，在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，根据计算机接收的数字信号，计算得到第二恢复图像的灰度值。第二步的具体实施与第一步类似：

(1)计算机生成1024组哈达玛图案S_i(32,32),i＝1，2，......1024；

(2)用同一波段光源照明，光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上；计算机控制DMD按顺序显示哈达玛图案S_i，光束被DMD调制后分成两路，一路光束依次经过第一平面反射镜、第一光束收集透镜到达第一单像素光电探测器的工作接收面；另一路光束依次经过第二平面反射镜、第二光束收集透镜到达第二单像素光电探测器的工作接收面；

(3)计算机记录第一单像素光电探测器采集的1024组数字信号Q_i,i＝1,2,......1024和第二单像素光电探测器采集的1024组数字信号

i＝1,2,......1024；

获取光源波动信息：将每一次计算机记录的第一单像素光电探测器采集到的数字信号Q_i和第二单像素光电探测器采集到的数字信号

相加，得到每次计算机以数字信号形式记录到的照射在DMD上的总光强

然后用

除以光源不发生波动时在计算机上以数字信号形式记录到的照射在DMD上的总光强Q，得到第二波动系数α_i：

其中，Q_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；Q表示在光源不发生波动且发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；α_i表示DMD上的照明光强的波动情况，当光源不发生波动时，α_i＝1；

利用记录的数字信号、对应的哈达玛图案以及第二波动系数，计算第二恢复图像的灰度值：

其中，S_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；

是对S_i取反后的哈达玛图案。

第三步，第二恢复图像的灰度值与第一恢复图像的灰度值的比值，为经光源校正后的对待测物体恢复图像的灰度值：

实施例3和实施例4中，用于同一波段光源照明下两条光路同时进行单像素成像时，通过对两个重建结果取平均值得到最终图像，实现了能量的高效利用，同时提高了图像的信噪比。实施例4中，用于同一波段光源照明下两条光路同时进行单像素成像时，通过将计算机每次从第一单像素光电探测器和第二单像素光电探测器记录的数字信号相加，获得系统光源的波动和不稳定信息，再使用相关处理算法来减小这种光源波动和不稳定带来的不利影响，从而提高图像的重建质量。

实施例5：用于宽谱光源照明下两条光路分别进行单像素成像。

第一步，在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，根据计算机接收的数字信号，计算得到第一恢复图像的灰度值。

(1)计算机生成n²个n阶哈达玛矩阵，其中，n是2的幂次方的正整数；

例如，以32×32的DMD阵列为例，计算机生成1024组哈达玛图案s_i(32,32),i＝1,2,......1024；

n阶的哈达玛矩阵

生成规则如下：

由矩阵

可以递推得到矩阵

对于一个32×32的DMD阵列，首先需要生成一个32²阶的哈达玛矩阵H₁₀₂₄，然后将每一行转换成一个32阶的矩阵，从而得到32²个32阶哈达玛矩阵，即1024组哈达玛图案，将矩阵H₁₀₂₄中的-1替换为0，记作

将矩阵H₁₀₂₄中的1替换为0，同时-1替换为1，记作

每次显示的图案s_i对于第一平面反射镜那路光束来说，是矩阵

中的第i行对应的数据转换为32行32列所对应的图案；

是对s_i取反后得到的图案；

(2)用从可见光到特殊波段(例如近红外、紫外波段等)范围内的宽谱光源照明，光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上；计算机控制DMD按顺序显示哈达玛图案s_i，DMD控制方法具体如下：计算机将矩阵

中的“1”和“0”数据传输至DMD控制器，为为DMD中的每个基本存储单元加载一个“1”或一个“0”，分别对应DMD中每个微镜的“开”和“关”状态；当DMD不工作时，每个微镜处于0°的静止状态；当微镜处于“开”状态时，微镜沿对角线45°轴方向偏离+12°；当微镜处于“关”状态时，微镜沿对角线45°轴方向偏离-12°，DMD通过对入射光进行调制，完成对哈达玛图案的显示；光束被DMD调制后分成两路，一路光束依次经过第一平面反射镜、第一光束收集透镜到达第一单像素光电探测器的工作接收面；另一路光束依次经过第二平面反射镜、第二光束收集透镜到达第二单像素光电探测器的工作接收面；

(3)计算机记录第一单像素光电探测器采集的n²组数字信号和第二单像素光电探测器采集的n²组数字信号，即第一单像素光电探测器采集的1024组数字信号q_i,i＝1,2,......1024和第二单像素光电探测器采集的1024组数字信号

i＝1,2,......1024；

利用记录的数字信号和对应的哈达玛图案，分别计算两条光路的第一恢复图像的灰度值：

其中，s_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；

是对s_i取反后的哈达玛图案；q_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；N表示计算机生成的哈达玛图案的数量，N＝n²。

第二步，在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，根据计算机接收的数字信号，计算得到第二恢复图像的灰度值。第二步的具体实施与第一步类似：

(1)计算机生成1024组哈达玛图案S_i(32,32),i＝1,2,......1024；

(2)用从可见光到特殊波段(例如近红外、紫外波段等)范围内的宽谱光源照明，光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上；计算机控制DMD按顺序显示哈达玛图案S_i，光束被DMD调制后分成两路，一路光束依次经过第一平面反射镜、第一光束收集透镜到达第一单像素光电探测器的工作接收面；另一路光束依次经过第二平面反射镜、第二光束收集透镜到达第二单像素光电探测器的工作接收面；

(3)计算机记录第一单像素光电探测器采集的1024组数字信号Q_i,i＝1,2,......1024和第二单像素光电探测器采集的1024组数字信号

i＝1,2,......1024；

利用记录的数字信号和对应的哈达玛图案，分别计算两条光路的第二恢复图像的灰度值：

其中，S_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；

是对S_i取反后的哈达玛图案；Q_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号。

第三步，第二恢复图像的灰度值与第一恢复图像的灰度值的比值，为经光源校正后的对待测物体恢复图像的灰度值：

实施例5中，用于宽谱光源照明下两条光路分别进行单像素成像，利用宽谱光源照明，可以实现可见光和特殊波段同时成像。例如，可以同时获得如图3中的(d)所示的可见光单像素成像结果和如图3中的(e)所示的近红外单像素成像结果。

本发明提供的上述紧凑型双光路单像素成像系统及不均匀光源校正方法，对称设置两套由平面反射镜、光束收集透镜和单像素光电探测器组成的光强收集系统，利用对称双光路进行差分测量，仅通过一次测量即可得到差分后的数字信号，这样，在弱化噪声影响和抑制光源波动的同时还能提高差分测量的效率；并且，本发明提供的上述紧凑型双光路单像素成像系统，还能实现宽谱光源照明下同时成像，同时重建出两个不同波段下的图像；此外，利用平面反射镜将DMD调制后的光反射到光束收集透镜上，可以充分地配合DMD，不仅可以解决因DMD反转角度太小导致光束收集透镜收集的光信息不完整从而影响图像恢复质量的问题，还可以使整个系统的结构更加紧凑，使用更加便捷，应用更加广泛。基于本发明提供的上述紧凑型双光路单像素成像系统，可以用于单像素成像差分测量、同一波段光源照明下两条光路同时进行单像素成像以及宽谱光源照明下两条光路分别进行单像素成像；用于同一波段光源照明下两条光路同时进行单像素成像时，通过对两个重建结果取平均值得到最终图像，实现了能量的高效利用，同时提高了图像的信噪比；用于单像素成像差分测量和同一波段光源照明下两条光路同时进行单像素成像时，通过将计算机每次从第一单像素光电探测器和第二单像素光电探测器记录的数字信号相加，获得系统光源的波动和不稳定信息，再使用相关处理算法来减小这种光源波动和不稳定带来的不利影响，从而提高图像的重建质量。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种紧凑型双光路单像素成像系统，其特征在于，包括：相机机身，位于所述相机机身内的相机镜头、DMD、第一平面反射镜、第一光束收集透镜、第二平面反射镜和第二光束收集透镜，以及位于所述相机机身外的光源、第一单像素光电探测器、第一AD转换器、第二单像素光电探测器、第二AD转换器和计算机；其中，

所述光源，用于发射光束，对准所述相机镜头；

所述相机镜头，用于将接收到的光汇聚到DMD；

所述计算机，与所述DMD电性连接，用于生成N个哈达玛图案，并发送给所述DMD；

所述DMD，用于按照接收的N个哈达玛图案对接收到的光进行调制，并将调制后的光分为两路，分别照在所述第一平面反射镜和所述第二平面反射镜上；

所述第一平面反射镜，用于将光反射到所述第一光束收集透镜上；所述第一光束收集透镜，用于将光汇聚到所述第一单像素光电探测器的工作接收面上；所述第一单像素光电探测器，用于采集接收的光的强度，并将采集的光强经过所述第一AD转换器转换为数字信号发送给所述计算机；光束经所述DMD调制后在所述DMD中+12°偏转的微镜上的反射光束与被所述第一平面反射镜反射到所述第一光束收集透镜的光束的角平分线，为所述第一平面反射镜的法线；

所述第二平面反射镜，用于将光反射到所述第二光束收集透镜上；所述第二光束收集透镜，用于将光汇聚到所述第二单像素光电探测器的工作接收面上；所述第二单像素光电探测器，用于采集接收的光的强度，并将采集的光强经过所述第二AD转换器转换为数字信号发送给所述计算机；光束经所述DMD调制后在所述DMD中-12°偏转的微镜上的反射光束与被所述第二平面反射镜反射到所述第二光束收集透镜的光束的角平分线，为所述第二平面反射镜的法线；

所述第一平面反射镜与所述第二平面反射镜关于对称面对称放置，所述第一光束收集透镜与所述第二光束收集透镜关于对称面对称放置，所述第一单像素光电探测器与所述第二单像素光电探测器关于对称面对称放置；其中，对称面经过所述DMD的中心点，且与所述DMD的转轴平行，且与所述相机机身的底面呈45°夹角；

所述计算机，分别与所述第一单像素光电探测器和所述第二单像素光电探测器电性连接，用于根据由所述第一AD转换器转换的数字信号和由所述第二AD转换器转换的数字信号，对待测物体进行图像恢复。

2.一种基于如权利要求1所述的紧凑型双光路单像素成像系统的不均匀光源校正方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，根据计算机接收的数字信号，计算得到第一恢复图像的灰度值；

S2：在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，根据计算机接收的数字信号，计算得到第二恢复图像的灰度值；

S3：第二恢复图像的灰度值与第一恢复图像的灰度值的比值，为经光源校正后的对待测物体恢复图像的灰度值。

3.如权利要求2所述的不均匀光源校正方法，其特征在于，用于单像素成像差分测量；

步骤S1中，按照如下公式计算第一恢复图像的灰度值：

其中，s_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；q_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；N表示计算机生成的哈达玛图案的数量；

步骤S2中，按照如下公式计算第二恢复图像的灰度值：

其中，S_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；Q_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号。

4.如权利要求2所述的不均匀光源校正方法，其特征在于，用于单像素成像差分测量；

步骤S1中，按照如下公式计算第一恢复图像的灰度值：

其中，s_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；q_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；q表示在光源不发生波动且发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；

表示第一波动系数；N表示计算机生成的哈达玛图案的数量；

步骤S2中，按照如下公式计算第二恢复图像的灰度值：

其中，S_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；Q_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；Q表示在光源不发生波动且发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；α_i表示第二波动系数。

5.如权利要求2所述的不均匀光源校正方法，其特征在于，用于同一波段光源照明下两条光路同时进行单像素成像；

步骤S1中，按照如下公式计算第一恢复图像的灰度值：

其中，s_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；

是对s_i取反后的哈达玛图案；q_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；N表示计算机生成的哈达玛图案的数量；

步骤S2中，按照如下公式计算第二恢复图像的灰度值：

其中，S_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；

是对S_i取反后的哈达玛图案；Q_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号。

6.如权利要求2所述的不均匀光源校正方法，其特征在于，用于同一波段光源照明下两条光路同时进行单像素成像；

步骤S1中，按照如下公式计算第一恢复图像的灰度值：

其中，s_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；

是对s_i取反后的哈达玛图案；q_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；q表示在光源不发生波动且发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；

表示第一波动系数；N表示计算机生成的哈达玛图案的数量；

步骤S2中，按照如下公式计算第二恢复图像的灰度值：

其中，S_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；

是对S_i取反后的哈达玛图案；Q_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；Q表示在光源不发生波动且发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中，照射在DMD上的总光强经模数转换后的数字信号；α_i表示第二波动系数。

7.如权利要求2所述的不均匀光源校正方法，其特征在于，用于宽谱光源照明下两条光路分别进行单像素成像；

步骤S1中，按照如下公式分别计算两条光路的第一恢复图像的灰度值：

其中，s_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；

是对s_i取反后的哈达玛图案；q_i表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束不经过待测物体直接通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号；N表示计算机生成的哈达玛图案的数量；

步骤S2中，按照如下公式分别计算两条光路的第二恢复图像的灰度值：

其中，S_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示的第i个哈达玛图案；

是对S_i取反后的哈达玛图案；Q_i表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第一单像素光电探测器获得的数字信号；

表示在光源发射的光束经过待测物体后通过相机镜头成像在DMD上时，DMD显示第i个哈达玛图案过程中计算机从第二单像素光电探测器获得的数字信号。

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