基于时分复用的快速单像素频域成像方法与流程

本发明涉及于单像素成像、计算摄像学技术领域，特别涉及一种基于时分复用的快速单像素频域成像方法。

背景技术：

计算单像素成像是一种新兴的成像方法，与传统的以ccd(chargecoupleddevice，电荷耦合元件)、cmos(complementarymetaloxidesemiconductor，互补金属氧化物半导体)等感光阵列为核心元件的数字成像技术相比，该方法的探测器为只有一个像素单元的桶形探测器。单像素探测器具有较宽的光谱响应范围和较强的光敏感度，在极弱光成像、穿透散射介质成像等方面具有很大的应用前景。但是单像素成像需要对物象或照明图案进行调制，在不同的调制状态下通过多次测量来获得成像对象的信息，这限制了单像素成像的速度，是制约该方法广泛应用的主要瓶颈之一。而成像速度的主要制约因素为光调制器件的调制频率，如dmd(digitalmicromirrordevice，数字微镜阵列)的调制速率约为20khz，但是单像素采集端采集速度可以达到45ghz，两者相差近10⁶。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于时分复用的快速单像素频域成像方法，该方法能够极大地减少空间光调制器需要调制图案的总数量，将成像速度提升一个数量级，对单像素成像的实际应用具有推动作用。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种基于时分复用的快速单像素频域成像方法，包括以下步骤：s1：搭建成像系统；s2：在照明端用空间光调制器调制照明图案，得到将多张二维正弦图案线性叠加后得到的复用照明图案；s3：采用数字微镜阵列对得到的所述复用照明图案的频域进行调制，得到每张正弦图案照射样本时单像素探测器收集到的光强；s4：根据得到的每张正弦图案照射样本时单像素探测器收集到的光强对相应的样本进行样本恢复。

另外，根据本发明上述实施例的基于时分复用的快速单像素频域成像方法还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述s1，进一步包括：激光光源首先经过空间光调制器进行调制，调制好的照明图案经过一个4f系统，在4f系统的频域处放置数字微镜阵列对照明图案的频域进行调制，调制后的图案通过普通成像光路成像，其中，探测端采用单像素探测器。

在一些示例中，所述s2，进一步包括：将n张正弦图片复用，正弦图案两个维度的频率分别记为 和 复用后的图案记作g，则可以得到如下表达式：

其中， 为初始相位，四步相移时需要分别取0，π/2，3π/2，2π。

在一些示例中，在所述s3中，在进行n路复用时需要在垂直方向将数字微镜阵列均分为n部分。

在一些示例中，所述s4，进一步包括：用 表示频率为fx、fy，初始相位为 的正弦图案照射样本时探测器探测到的光强，则根据四步相移法，频率为fx、fy的正弦图案对应的频点强度为：

得到所有频点的强度值后，通过傅里叶反变换即可恢复出图像。

根据本发明实施例的基于时分复用的快速单像素频域成像方法，基于傅里叶域单像素成像方法，利用了空间光调制器调制速度与数字微镜阵列调制速度的差距以及空间光调制器调制速度与单像素探测器采集速度的差距，通过时分复用的方式，在空间光调制器上调制出将多张二维正弦图案线性叠加后得到的复合图案，再利用数字微镜阵列的速度优势对复合图案进行解调，从而极大地减少了调制图案的数量，将成像速度提升一个数量级，即极大地提高了成像速度，对单像素成像的实际应用具有推动作用。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的基于时分复用的快速单像素频域成像方法的流程图；

图2是根据本发明一个实施例的基于时分复用的快速单像素频域成像方法的原理框图；

图3是根据本发明一个具体实施例的多路复用时空间光调制器的调制图案及其对应的频域示意图；

图4是根据本发明一个具体实施例的二路复用时dmd调制图案的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图描述根据本发明实施例的基于时分复用的快速单像素频域成像方法。

图1是根据本发明一个实施例的基于时分复用的快速单像素频域成像方法的流程图。图2根据本发明一个实施例的基于时分复用的快速单像素频域成像方法的原理框图。如图1所示，并结合图2，该方法包括以下步骤：

步骤s1：搭建成像系统。

具体地，在本发明的一个实施例中，例如结合图2所示的系统原理图搭建成像系统，在照明端用slm调制出多张二维正弦图案叠加的复合照明图案；dmd位于照明图案的频域位置，在slm的一个显示周期内，dmd通过在时序上打不同的二值图案，可以在时序上将复合图案分开，用单像素探测器探测出单张正弦图案照射样本时对应的光强。

基于此，步骤s1进一步包括：激光光源首先经过slm(spatiallightmodulator，空间光调制器)进行调制，调制好的照明图案经过一个4f系统，在4f系统的频域处放置数字微镜阵列对照明图案的频域进行调制，调制后的图案通过普通成像光路成像，其中，探测端采用单像素探测器。

步骤s2：在成像系统的照明端用空间光调制器slm调制照明图案，得到将多张二维正弦图案线性叠加后得到的复用照明图案。

换言之，即在照明端用空间光调制器slm来调制照明图案，但每次不再是调制出一个二维正弦照明图案，而是调制出将多张二维正弦图案线性叠加后得到的图案。例如，采用8路复用，即将8张正弦图案线性叠加后作为一个照明图案，则总的照明图案将减少到原来的1/8，成像时间也会缩短到原来的1/8。需要说明的是，采用更高的复用路数可以进一步缩短成像时间。

在本发明的一个实施例中，步骤s2进一步包括：如果将n张正弦图片复用，正弦图案两个维度的频率分别记为 和 复用后的图案记作g，则可以得到如下表达式：

其中， 为初始相位，四步相移时需要分别取0，π/2，3π/2，2π。

作为具体的示例，图3所示为不同复用路数时slm调制出的图案及其对应的频域。其中，第一行为复用图案，第二行为对应的频域图案。图3(a)为两路复用的示例，图3(b)为四路复用的示例，图3(c)为八路复用的示例。

步骤s3：采用数字微镜阵列对得到的复用照明图案的频域进行调制，得到每张正弦图案照射样本时单像素探测器收集到的光强。

具体地说，为了从复用数据中分离出单个二维正弦图案照射样本时单像素探测器对应的探测值，需要对复用照明图案的频域做调制。由于傅里叶变换是线性的，所以复用图案的频域是组成它的每张正弦图案频域的线性叠加。故在照射样本前，首先将照明图案通过一个4f系统，在4f系统的频域面上放置一个dmd，利用dmd的二值调制方式，每次单独选通单个正弦图案对应的频域点，即可达到在每个选通时间段内单个正弦图案照射样本的效果，从而实现在一张复用照明图案照射样本的大周期内，分割出单个正弦图案照射样本的小周期，即可求出每张正弦图案照射样本时单像素探测器收集到的光强。最后利用的四步相移法恢复样本。

在本发明的一个实施例中，在步骤s3中，在进行n路复用时需要在垂直方向将数字微镜阵列均分为n部分。

作为具体的示例，二路复用时dmd调制图案的设计如图4所示，依次调制这两种图案，可以选择不同位置的频点通过，从而将复用的正弦图案分离出来。需要说明的是，n路复用时需要在垂直方向将dmd均分为n部分。

步骤s4：根据得到的每张正弦图案照射样本时单像素探测器收集到的光强对相应的样本进行样本恢复。

在本发明的一个实施例中，步骤s4进一步包括：用 表示频率为fx、fy，初始相位为 的正弦图案照射样本时探测器探测到的光强，则根据四步相移法，频率为fx、fy的正弦图案对应的频点强度为：

得到所有频点的强度值后，通过傅里叶反变换即可恢复出图像。

综上，本发明的实施例基于傅里叶域单像素成像方法，在照明端投射正弦结构光，通常采用slm(空间光调制器)来实现，由于需要对光场的幅值和相位均进行调制，其调制速度远低于只进行二值调制的dmd。本发明的方法利用了slm调制速度与dmd调制速度的差距以及slm调制速度与单像素探测器采集速度的差距，通过时分复用的方法，减少傅里叶域单像素成像方法中光照端调制图案的数量，提升单像素成像方法的成像速度。需要说明的是，本发明的实施例除了利用单像素探测器的探测速度远高于slm的调制速度外，还利用了dmd的调制速度也高于slm，所以才能在slm的一个显示周期内用dmd实现多次调制。

根据本发明实施例的基于时分复用的快速单像素频域成像方法，基于傅里叶域单像素成像方法，利用了空间光调制器调制速度与数字微镜阵列调制速度的差距以及空间光调制器调制速度与单像素探测器采集速度的差距，通过时分复用的方式，在空间光调制器上调制出将多张二维正弦图案线性叠加后得到的复合图案，再利用数字微镜阵列的速度优势对复合图案进行解调，从而极大地减少了调制图案的数量，将成像速度提升一个数量级，即极大地提高了成像速度，对单像素成像的实际应用具有推动作用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。