一種使用單像素探測器的光學(xué)成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種使用單像素探測器的光學(xué)成像方法，目標物體的圖像用離散化的像素表示，大小為一個M×N像素的矩陣，其特征在于：用余弦結(jié)構(gòu)光場發(fā)生器生成一系列頻率不同的按余弦分布的光場，每一組頻率對應(yīng)有至少三個不同的初位相φ值，將這些不同頻率、不同初位相的余弦分布光場，依次照射目標物體，用光探測器依次接收來自目標物體的光強信號，再依次采集記錄光探測器的響應(yīng)值，根據(jù)響應(yīng)值獲得目標物體圖像的傅立葉變換譜，對傅立葉變換譜進行二維離散反傅立葉變換，重建目標物體的圖像。本發(fā)明采用具有確定的數(shù)學(xué)函數(shù)解析表達的余弦空間結(jié)構(gòu)光場，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建圖像解析重建算法，可以大幅減小測量次數(shù)，獲得高質(zhì)量重建圖像。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)成像【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及使用單像素探測器的光學(xué)成像方法。 一種使用單像素探測器的光學(xué)成像方法

【背景技術(shù)】
[0002] 圖像是人類最主要的信息源，光學(xué)成像是獲取圖像的一種主要方式。一個光學(xué)成 像系統(tǒng)一般由照明單元和探測單元兩部分構(gòu)成。傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)對一個非發(fā)光的目標物 體進行光學(xué)成像，一般是將穩(wěn)定的照明光場照射該物體，再利用透鏡將物體表面的反射光 匯聚成像在光敏單元成二維分布的光敏器件（如攝影膠片、面陣CCD、面陣CMOS等）上，形 成目標物體的圖像。透鏡和光敏器件的性能是影響成像質(zhì)量主要因素。圖像的分辨率受制 于光敏器件像素單元的尺寸和透鏡的性能。為了追求更高的圖像分辨率，光敏器件單個像 素的尺寸應(yīng)更小。然而，制造更小的像素尺寸在工藝上有困難，且會降低信噪比。另外，光 敏器件的光譜特性對一些特殊光波段的成像具有較大困難，如目前基于硅基半導(dǎo)體的CCD、 CMOS等成像器件等，在紅外、太赫茲、X射線等波段的成像存在局限。在經(jīng)典成像模型中，只 有直接從目標物體射出并進入透鏡的光線，帶有目標物體的空間分布信息，能被透鏡匯集 成像；而從目標物體射出，又經(jīng)其它介質(zhì)散射后進入透鏡的光線，失去了目標物體的空間分 布信息，對成像無任何貢獻，且形成圖像的噪聲。因此基于經(jīng)典成像模型的傳統(tǒng)相機對隱藏 在散射介質(zhì)后的目標物體的成像（如隔著毛玻璃成像），具有非常大的困難。
[0003] 近年來，一種在成像機理上和傳統(tǒng)成像技術(shù)有著本質(zhì)區(qū)別的單像素成像技術(shù)， 有可能突破經(jīng)典成像模型在一些特殊成像領(lǐng)域的局限性，越來越受到人們的重視。該 技術(shù)利用單像素光敏器件（如單個光電二極管）獲得的成像信號，通過計算機計算實 現(xiàn)成像，也稱計算成像技術(shù)。單像素成像技術(shù)最早源于利用量子糾纏效應(yīng)的鬼成像技 術(shù)[Τ· B. Pittman, Optical imaging by means of two-photon quantum entanglement. Physical Review A. 52, R3429(1995)·]，后來發(fā)展出利用熱光的單像素鬼成像技術(shù) [R. S. Bennink, S. J. Bentley, R. ff. Boyd, "Two-Photon" coincidence imaging with a classical source. Physical Review Letters. 89, 113601 (2002);陳明亮等，基于稀疏 陣贗熱光系統(tǒng)的強度關(guān)聯(lián)成像研究，光學(xué)學(xué)報，32卷，5期，0503001,2012]以及基于壓縮 感知的單像素成像技術(shù)[M. F. Duarte, M. A. Davenport, D. Takhar, J. N. Laska, T. Sun, K. F. Kelly, R. G. Baraniuk, Single-Pixel Imaging via Compressive Sampling. IEEE Signal Processing Magazine. 25,83-91(2008);陳濤，應(yīng)用壓縮傳感理論的單像素相機成像系統(tǒng)， 光學(xué)精密工程，20卷，11期，2523-2530頁，2012]。
[0004] 盡管單像素成像技術(shù)的研究已超過十年時間，但就成像質(zhì)量而言，遠沒有達到目 前傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)的水平。對基于熱光源的經(jīng)典關(guān)聯(lián)特性的單像素鬼成像技術(shù)而言，目 前采用的熱光源，一般是用激光束通過一毛玻璃或用投影儀生成的散斑光場；而對基于壓 縮感知的單像素成像技術(shù)而言，用來進行壓縮感知測量的測量矩陣，要求是稀疏表示的隨 機矩陣。不管是散斑光場還是隨機矩陣，都不能用確定的數(shù)學(xué)函數(shù)解析表達，那么與之對 應(yīng)的圖像重建算法也不是建立在具有嚴格解析表達的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，利用基于相關(guān)統(tǒng)計 數(shù)學(xué)模型的圖像重建算法。基于熱光源的經(jīng)典關(guān)聯(lián)特性的單像素鬼成像技術(shù)，需通過高達 百萬次的測量值重建圖像，而利用壓縮感知理論，可以適當減小測量次數(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決目前單像素成像技術(shù)的成像質(zhì)量不高的現(xiàn)狀，提出一種 高成像質(zhì)量的使用單像素探測器的光學(xué)成像方法，其技術(shù)核心為采用具有確定的數(shù)學(xué)函數(shù) 解析表達的余弦空間結(jié)構(gòu)光場取代熱光源鬼成像技術(shù)中的散斑光場，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建圖 像解析重建算法，可以大幅減小測量次數(shù)，獲得了高質(zhì)量重建圖像。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種使用單像素探測器的光學(xué)成像方法，目標物體的圖像用離散化的像素表示， 大小為一個MXN像素的矩陣，目標物體的實際大小為Μ δ χΧΝ δ y的一個矩形，其中Μ、N為 正整數(shù)，S χ、δ y分別為一個像素在x、y方向的幾何尺寸；其特征在于：用余弦結(jié)構(gòu)光場發(fā)生 器生成一系列頻率不同的按余弦分布的光場，該光場在目標物體所在平面的光強分布表示 為：

【權(quán)利要求】
1. 一種使用單像素探測器的光學(xué)成像方法，目標物體的圖像用離散化的像素表示，大 小為一個MXN像素的矩陣，目標物體的實際大小為Μ δ χΧΝ δ y的一個矩形，其中Μ、N為正 整數(shù)，δ χ、δ y分別為一個像素在x、y方向的幾何尺寸；其特征在于：用余弦結(jié)構(gòu)光場發(fā)生 器生成一系列頻率不同的按余弦分布的光場，該光場在目標物體所在平面的光強分布表示 為：P(x, y ;fx, fy) = a+b ?cosO π fxx+2 π fyy+(J))，其中a是余弦光場的平均光強、b是對比 度，a、b取正數(shù)；x、y是目標物體的像素點坐標，x取0?M-1之間的整數(shù)、y取0?N-1之 間的整數(shù)；fx、fy分別是x、y方向的頻率，fx、fy用歸一化頻率表示為
，其中α為-- Μ-1之間的整數(shù)、β為0?Ν-1之間的整數(shù)；Φ是初位相；每一組（fx，fy)頻率對應(yīng)有至少 三個不同的初位相Φ值，將這些不同頻率、不同初位相的余弦分布光場，依次照射目標物 體，用光探測器依次接收來自目標物體的光強信號，再依次采集記錄光探測器的響應(yīng)值，根 據(jù)響應(yīng)值獲得目標物體圖像的傅立葉變換譜D fp (fx，fy)，對傅立葉變換譜Dfp (fx，fy)進行二 維離散反傅立葉變換，重建目標物體的圖像I (x，y)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用單像素探測器的光學(xué)成像方法，其特征在于：每一組 (fx，fy)頻率對應(yīng)有Q個等步長初位相：
為大于或等于 3的整數(shù)，光探測器依次接收到來自目標物體光強信號的響應(yīng)值分別表示為成匕以、 Di (fx，fy)、…、Dh (fx，fy)，依據(jù)公式：
獲得目標物體圖像的傅立葉變換譜Dfp (fx，fy)，其中j是虛數(shù)單位。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用單像素探測器的光學(xué)成像方法，其特征在于：每一組 (fx，fy)頻率對應(yīng)有三個初位相，初相位分別為
?光探測器依次接收到來自目 標物體光強信號的響應(yīng)值分別表示為屯(fx，fy)、D2 (fx，fy)、D3 (fx，fy)，依據(jù)公式： Dfp (fx, fy) = [2D2 (fx, fy) -D! (fx, fy) -D3 (fx, fy) ] + j · [D3 (fx, fy) -D! (fx, fy)] 獲得目標物體圖像的傅立葉變換譜Dfp (fx，fy)，其中j是虛數(shù)單位。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的使用單像素探測器的光學(xué)成像方法，其特征在于： 依據(jù)公式
對傅立葉變換譜Dfp(fx，fy)進行二維離散反傅立葉變換。
【文檔編號】G01B11/25GK104154878SQ201410367541
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】鐘金鋼, 張子邦, 馬驍 申請人:暨南大學(xué)