一種單光子計數成像系統及其方法

專利名稱：一種單光子計數成像系統及其方法
技術領域：
本發明涉及極弱光探測的技術領域，特別涉及一種單光子計數成像系統及其方法，它采用壓縮傳感理論和DLP技術，利用點探測器可以實現極弱光對象的高質量二維成
像。
背景技術：
普通成像設備通過記錄觀察對象上某點的光強和位置獲得圖像。當觀察對象的光強衰減到一定程度，達到單光子水平，就變成了離散脈沖信號。單光子是一種極弱光，被認為是光不可分割的最小能量單位，是可以探測的極限。單光子探測技術應用于生物自發光、醫療診斷、非破壞性物質分析、天文觀測、光譜測量、量子光學等領域，并在其中扮演著重要角色。研究極弱光成像探測技術在這些領域應用的發展非常有意義。光子計數成像就是一種極弱光探測技術，通常它通過記錄成像位置的光子計數以及探測到光子的概率，在數據處理端進行累計和融合獲得一幅圖像，其核心是面元探測器，面元探測器規模(陣列大小)、靈敏度范圍、以及響應波段直接影響能否獲得單光子水平的圖象獲取質量。但是，用于單光子探測水平的面元探測器不但價格昂貴，只能夠在少數波段可以實現，且面元探測器靈敏度低，存在技術不甚成熟與極弱光對象二維成像的強烈需求之間的矛盾。壓縮傳感理論(CS理論)是由E.J. Candes等人提出的，它打破了傳統的線性采樣模式，表明可壓縮信號的少量線性隨機投影中包含足夠的信息來重建原信號。CS理論包括兩部分壓縮采樣和稀疏重建。壓縮采樣是被測信號由高維向低維映射的過程。假設X e Rn是被測數據，y e Rk是觀測數據，Φ e浐 是隨機投影矩陣(k<<n)，e e Rk是測量噪聲，那么，壓縮采樣過程可以描述為⑴式y = Φχ+e(I)如果X是變換域稀疏的，SP Θ = Ψχ，Ψ是稀疏變換矩陣，那么⑴式變化為(2)式y = Φ Ψ_1 Θ +e(2)隨機投影矩陣Φ ,也叫測量矩陣，需要滿足RIP (Restricted IsometryProperty)
_]其中，δ3定義為使所有S稀疏的向量X都滿足此不等式的最小常數，并且δ3< I。另外，Φ與Ψ越不相關，采樣所需的測量數k越小，所以，一般情況下Φ設計為隨機矩陣。稀疏重建實際上是在已知觀測數據y和測量矩陣Φ的條件下求解(I)式中的X，這是一個ill-posed問題，一般用最優化方法求解，可描述為(3)式
m隹[^1)；-Φχ|;+φ| ]
XGR、2」(3)如果X是變換域稀疏的，對應于(2)式的重建問題可以描述為⑷式去 |}-Φχ|;+例J ⑷(3)式和(4)式中,第一項是最小二乘約束,記為f (X);第二項是對X稀疏度的一種約束；兩項之和是目標函數，記為9(夂)。DLP技術是美國德州儀器公司(TI)提出的一項技術，它與數字視頻或圖形信號結合起來，其微鏡和透鏡系統可以將數字圖像反射到屏幕或其它表面，其核心是DLP芯片——數字微鏡器件(Digital Micro-mirror Device,簡稱DMD控制系統)，這目前是世界上最精 密的光開關。它包含一個多達200萬個安裝在鉸鏈上的微鏡的矩陣，每個微鏡的大小小于人的頭發絲的五分之一，每一個微鏡都可以在一定角度范圍內(通常-12°和+12° )擺動，如果把這兩種狀態記為O和1，那么，用脈寬調制波(PWM)來驅動微鏡，使其在O和I之間高速抖動，就可以實現中間狀態。DMD控制系統及其相關的精密的電子元件就是所謂的DLP技術，該技術有成熟產品，廣泛用于投影儀器等產品中。這種“先采樣，后重建”的思想使得將二維信號轉換為隨時間分布的一維信號，并且由單個探測器采樣成為可能。而點探測器無論在探測靈敏度、波長范圍具有更寬的選擇范圍，成本優勢明顯，利用點探測器實現單光子記數成像成為未來單光子水平成像的重要發展趨勢。

發明內容
本發明的目的在于，為解決目前面元探測器靈敏度低、技術不甚成熟與極弱光對象二維成像的強烈需求之間的矛盾，從而提供一種單光子計數成像系統及其方法，以壓縮傳感(Compressive Sensing, CS)理論為基礎，采用DLP技術將圖象信號隨機變化變成隨機的光強信號，再以單光子計數器為探測元件獲得記數信號，實現了用點探測器對極弱光對象進行二維成像。為實現上述目的，本發明提供了一種單光子計數成像系統，其特征在于，該單光子計數成像系統采用壓縮傳感理論和DLP技術，并以單光子計數器為探測元件，實現了單光子級別的極弱光對象的二維成像，所述的單光子計數成像系統包括濾光片、第一透鏡I、DMD控制系統、第二透鏡2、單光子計數器和數據處理單元；其中，DMD結合第一透鏡I和第二透鏡2，用于將二維圖像數據轉化為一維數據序列完成被測信號的壓縮采樣，極弱光通過濾光片濾除雜光，經第一透鏡I在DMD控制系統處成像，并由DMD控制系統控制光子被反射到第二透鏡2的概率，經過第二透鏡2控制光子聚焦；數據處理單元結合單光子計數器完成稀疏重建，數據處理單元根據單光子計數器在一定時間內對光子進行計數折算成探測到光子數的概率作為測量值，和DMD控制系統上的測量矩陣經過最優化算法重建光子密度圖像，解算出二維圖像。作為上述技術方案的一種改進，所述的第二透鏡2聚焦后至單光子計數器的光路上還設有光衰減器，用于將光衰減到單光子探測器的工作范圍。該光衰減器的設計是為了防止被測光子密度過大和單光子計數器的門控時間過長引起的飽和。為實現上述的另一發明目的，本發明還提供了一種單光子計數成像方法，該方法采用了壓縮傳感理論和DLP技術，并以單光子計數器為探測元件，實現了單光子級別的極弱光對象的二維成像，其步驟包括I)壓縮采樣的步驟；所述的壓縮采樣是由DMD控制系統結合第一透鏡I和第二透鏡2，用于將二維圖像數據轉化為一維數據序列完成被測信號的壓縮采樣，極弱光通過濾光片濾除雜光，經第一透鏡I在DMD控制系統處成像，并由DMD控制系統控制光子被反射到第二透鏡2的概率，經過第二透鏡2控制光子聚焦；2)稀疏重建的步驟； 所述的稀疏重建是由數據處理單元根據單光子計數器在一定時間內對光子進行計數折算成探測到光子數的概率作為測量值，和DMD控制系統上的測量矩陣經過最優化算法重建光子密度圖像，解算出二維圖像。作為上述技術方案的一種改進，所述的方法包括步驟如下所述的壓縮采樣，是被測信號由高維向低維映射的過程11)假設X e Rn是被測數據，y e Rk是觀測數據，Φ e Rkxn是隨機投影矩陣(k<<n),e e Rk是測量噪聲，那么，壓縮采樣的過程可以描述為(I)式y = Φχ+e(I)如果X是變換域稀疏的，SP Θ = Ψχ，Ψ是稀疏變換矩陣，那么⑴式變化為(2)式y = Φ Ψ_1 Θ +e(2)式中，Ψ為小波變換矩陣，Φ為Gaussian隨機矩陣；12)假設測量數為k，二維圖像的像素個數為n，則⑴式中的測量矩陣則為Φ ={Φ1；…，Oi,…，Ok}，Oi是Φ的第i行，把ixi的二維圖像的列首尾相連，化成nXl的一維列向量,對應(I)式中的X，其中的每一個元素代表相應位置處的光子密度；DMD控制系統具有同樣的分辨率，它的列首尾相連，化成IXn的一維行向量，對應測量矩陣Φ中的一行，其中的每個元素代表相應位置處光子透射到第二透鏡2的概率；13)假設測量周期為T，在這段時間內，DMD控制系統保持不變，單光子計數器探測到的光子數為N，那么N/T就相當于光子密度圖像與DMD控制系統上的隨機數陣列的內積
η
值，對應于⑴式中觀察向量y的一個元素兄式中，分別是叫和1的第
;=1
j個元素；根據測量矩陣改變DMD控制系統，重復k次測量，就可以得到整個觀測數據y ；14)所述的稀疏重建是在已知觀測數據y和測量矩陣Φ的條件下求解(I)式中的X，一般用最優化方法求解，可描述為(3)式^ η^||>--Φχ||^+Γ||χ||^⑴如果X是變換域稀疏的，對應于(2)式的重建問題可以描述為⑷式^ η^||>--Φχ||^+Γ||ψχ||^ ⑷
(3)式和(4)式中，第一項是最小二乘約束，記為f(x);第二項是對X稀疏度的一種約束；兩項之和是目標函數，記為。作為上述技術方案的進一步的改進,所述的最優化方法是采用IWT(IterativeWavelets Thresholding)算法，把本次迭代的估計值做DWT變換，對變換系數做閾值處理，再做DWT反變換得到下一次迭代的估計值；如果閾值處理函數描述為S(u, V) = sign(u)max{ |u I-ν,Ο},那么該算法可以描述為
權利要求
1.一種單光子計數成像系統，其特征在于，該單光子計數成像系統采用壓縮傳感理論和DLP技術，并以單光子計數器為探測元件，實現了單光子級別的極弱光對象的二維成像，所述的單光子計數成像系統包括濾光片、第一透鏡(1)、DMD控制系統、第二透鏡(2)、單光子計數器和數據處理單元；其中， DMD結合第一透鏡(I)和第二透鏡(2)，用于將二維圖像數據轉化為一維數據序列完成被測信號的壓縮采樣，極弱光通過濾光片濾除雜光，經第一透鏡(I)在DMD控制系統處成像，并由DMD控制系統控制光子被反射到第二透鏡⑵的概率，經過第二透鏡⑵控制光子聚焦； 數據處理單元結合單光子計數器完成稀疏重建，數據處理單元根據單光子計數器在一定時間內對光子進行計數折算成探測到光子數的概率作為測量值，和DMD控制系統上的測量矩陣經過最優化算法重建光子密度圖像，解算出二維圖像。
2.根據權利要求I所述的單光子計數成像系統，其特征在于，所述的第二透鏡(2)聚焦后至單光子計數器的光路上還設有光衰減器，用于將光衰減到單光子探測器的工作范圍。
3.一種單光子計數成像方法，該方法采用了壓縮傳感理論和DLP技術，并以單光子計數器為探測元件，實現了單光子級別的極弱光對象的二維成像，其步驟包括 .1)壓縮采樣的步驟； 所述的壓縮采樣是由DMD控制系統結合第一透鏡(I)和第二透鏡(2)，用于將二維圖像數據轉化為一維數據序列完成被測信號的壓縮采樣， 極弱光通過濾光片濾除雜光，經第一透鏡(I)在DMD控制系統處成像，并由DMD控制系統控制光子被反射到第二透鏡(2)的概率，經過第二透鏡(2)控制光子聚焦； .2)稀疏重建的步驟； 所述的稀疏重建是由數據處理單元根據單光子計數器在一定時間內對光子進行計數折算成探測到光子數的概率作為測量值，和DMD控制系統上的測量矩陣經過最優化算法重建光子密度圖像，解算出二維圖像。
4.根據權利要求3所述的單光子計數成像方法，其特征在于，所述的方法包括步驟如下 所述的壓縮采樣，是被測信號由高維向低維映射的過程 .11)假設XG Rn是被測數據，y G Rk是觀測數據，O G浐 是隨機投影矩陣(k << n)，e G Rk是測量噪聲，那么，壓縮采樣的過程可以描述為(I)式 y = Ox+e(I) 如果X是變換域稀疏的，S卩0 = Wx，W是稀疏變換矩陣，那么(I)式變化為(2)式 y = O W-1 0 +e(2) 式中，$為小波變換矩陣，O為Gaussian隨機矩陣； .12)假設測量數為k，二維圖像的像素個數為n，則(I)式中的測量矩陣則為O=IO1, -, Oi,…，，CDi是O的第i行，把的二維圖像的列首尾相連，化成nx I的一維列向量,對應(I)式中的X，其中的每一個元素代表相應位置處的光子密度；DMD控制系統具有同樣的分辨率，它的列首尾相連，化成IXn的一維行向量，對應測量矩陣O中的一行，其中的每個元素代表相應位置處光子透射到第二透鏡(2)的概率； .13)假設測量周期為T，在這段時間內，DMD控制系統保持不變，單光子計數器探測到的光子數為N，那么N/T就相當于光子密度圖像與DMD控制系統上的隨機數陣列的內積值，對 應于⑴式中觀察向量y的一個元素兄式中
5.根據權利要求4所述的單光子計數成像方法，其特征在于，所述的最優化方法是采用IWT算法，把本次迭代的估計值做DWT變換，對變換系數做閾值處理，再做DWT反變換得到下一次迭代的估計值；如果閾值處理函數描述為S(u, V) = sign(u)max{|u|-v,0},那么，該算法可以描述為 χ +1 = Ψ-1-丄 ν/( 其中，α = I I ΦΤΦ I |2。
6.根據權利要求3或4所述的單光子計數成像方法，其特征在于，所述的方法在所述的第二透鏡(2)聚焦后至單光子計數器的光路上，還通過光衰減器將光衰減到單光子探測器的工作范圍。
全文摘要
本發明涉及一種單光子計數成像系統及其方法，該系統包括濾光片、第一透鏡(1)、DMD控制系統、第二透鏡(2)、單光子計數器和數據處理單元；其中，DMD結合第一透鏡(1)和第二透鏡(2)，用于將二維圖像數據轉化為一維數據序列完成被測信號的壓縮采樣，極弱光通過濾光片濾除雜光，經第一透鏡(1)在DMD控制系統處成像，并由DMD控制系統控制光子被反射到第二透鏡(2)的概率，經過第二透鏡(2)控制光子聚焦；數據處理單元結合單光子計數器完成稀疏重建，數據處理單元根據單光子計數器在一定時間內對光子進行計數折算成探測到光子數的概率作為測量值，和DMD控制系統上的測量矩陣經過最優化算法重建光子密度圖像，解算出二維圖像。
文檔編號G01J11/00GK102759408SQ201110103559
公開日2012年10月31日 申請日期2011年4月25日 優先權日2011年4月25日
發明者劉雪峰, 杜克銘, 翟光杰, 蔣遠大, 趙清 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心