本发明专利技术涉及一种透过厚散射介质单光子单像素成像装置及方法，其中单像素成像装置包括沿光路依次设置的皮秒激光器、光学扩束器、空间光调制器、短焦投影镜、空间光滤波器、聚光镜、单光子雪崩探测器，散射介质和待成像物体置于空间光滤波器和聚光镜之间的光路上，还包括与单光子雪崩探测器电连接的快速时间门控制器、与快速时间门控制器电连接的时间相关单光子计数器，还包括分别与皮秒激光器、空间光调制器、时间相关单光子计数器、快速时间门控制器电连接的工控机。与现有技术相比，本发明专利技术实现了无需先验和求逆扩散方程的透过厚散射单光子单像素成像，并且系统结构简单，成像速度快；无需该先验数据即可实现透过散射介质成像。像。像。
【技术实现步骤摘要】
一种透过厚散射介质单光子单像素成像装置及方法
[0001]本专利技术涉及散射成像
，尤其是涉及一种基于图像度规的透过厚散射介质单光子单像素成像方法及装置。
技术介绍
[0002]基于空间点到点的成像模式是日常生活中最容易见到也最好理解成像原理的一种成像模式。这种成像模式具有分辨率高，成像速度快，系统紧凑，易于携带等多种优点。无人机摄像头、手机照相头、车载摄像头、照相机、CCD（电荷耦合器件）等多种行业与应用均基于该成像模式实现了快速且紧凑的成像获取系统。尽管如此，在雾天、雨天或者需要对散射介质内物体成像时，光子在该类介质中传播时，时间、空间、偏振等信息发生改变或者混叠，基于空间点到点的成像模式很容易失效。然而在诸如生物医学、车载导航系统等多种基础及应用科学中，透过/深入散射介质成像具有极其重要的研究与应用价值。目前当深入散射介质内几厘米内成像时，扩散光全息（DOT）技术是使用最广泛的散射成像技术。然而该技术与其它透过/深入散射介质一样，要么需要对散射介质的透过系数、吸收系数等散射系数有较高的估计精度，或者甚至需要提取获取散射系数作为先验。此外，该技术还需要在同样的散射介质中存在一个参考测量，该参考测量常常难以获取或者无法获取。简言之，现有的其它散射成像技术对散射介质的散射系数先验具有很强依赖，该先验的精确程度对成像质量具有决定性作用。当散射介质变化或者散射介质的先验难以获取时，该类成像模式失效。
[0003]目前比较典型的深入/透过散射介质成像技术分为基于逆扩散方程或者基于单像素成像等几种。求解逆扩散方程问题常常是病态的，难以求解的，常需要使用先验或者将问题转化为其它形式。DOT就是一种典型的基于逆扩散传播方程的深入散射介质成像技术。它将求解逆扩散方程问题在合理假设下简化为解逆卷积问题，简化了求解过程。也有将飞行时间技术（TOF）与DOT技术像结合，简化了解逆传播方程的，然而像其它透过/深入散射介质一样，仍需要先验。现有基于单像素的散射介质成像方法将待成像物体与散斑花样之间假设为透明介质，这显然不具备实用性。但需要指出的时，单像素成像的显著优点之一是探测光路的作用是将经物体后的散射光子汇聚到一个点探测器上，因此探测光路即便存在散射介质也不会对单像素成像质量造成太大影响。因此一般认为的散射介质有效厚度在单像素成像过程中被大大缩减。
[0004]可见，如何构建一种无需先验的透过厚散射单光子单像素成像方法，且需要克服先验数据大多无法获取或者获取过程繁杂的困境，是目前最亟需解决的技术障碍。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于图像度规的透过厚散射介质单光子单像素成像方法及装置，实现了无需先验和求解逆扩散方程的透过厚散射单光子单像素成像，并且系统结构简单，成像速度快；无需该先验数据即可实现透过散射介质成像。
[0006]申请人在构思伊始时认为，时间门控技术在弹道光子大量存在时，被证明在薄的散射介质内有效，可实现无需先验的散射介质成像。然而当散射介质厚度增加，弹道光子数大量减少甚至消失时，通过时间门控技术选取少数次散射的光子也被证明可以提升成像分辨率。因此，时间门控技术在散射成像中具有较大应用潜力。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：本专利技术第一方面提供了一种透过厚散射介质单光子单像素成像装置，包括沿光路依次设置的皮秒激光器、光学扩束器、空间光调制器、短焦投影镜、空间光滤波器、聚光镜、单光子雪崩探测器，散射介质和待成像物体置于所述空间光滤波器和聚光镜之间的光路上，还包括与所述单光子雪崩探测器电连接的快速时间门控制器、与所述快速时间门控制器电连接的时间相关单光子计数器，还包括分别与所述皮秒激光器、空间光调制器、时间相关单光子计数器、快速时间门控制器电连接的工控机，还包括分别与所述工控机和空间光调制器电连接的同步控制器；所述工控机调控空间光调制器的曝光时间并加载预设的空间光调制花样，所述同步控制器调控空间光调制器翻转过程，以改变空间光调制花样。
[0008]进一步地，所述工控机控制所述快速时间门控制器的参数设置；所述快速时间门控制器输出的信号抵达时间相关单光子计数器作为信号输入；所述皮秒激光器输出的同步信号输入时间相关单光子计数器作为光子计数同步信号。
[0009]进一步地，所述工控机控制空间光调制器开始翻转后，时间相关单光子计数器同步开始数据采集。
[0010]本专利技术第二方面提供一种透过厚散射介质单光子单像素成像方法，包括以下步骤：利用皮秒级别的高时间分辨率与单光子灵敏度的单光子雪崩探测器，探测经厚散射介质与物体后的微弱信号光子，采用时间门控方式提取在散射介质中经少数次散射的光子，在假设散射介质的各向同性性质变化不大时，利用单像素成像方法求解模糊图像，将散射介质对成像的有效影响厚度由全部散射介质厚度降低为散射介质与待成像物体之间的厚度，散射介质的有效厚度降为原来的一半，并利用解逆卷积与基于图像度规的图像评估方法，实现快速且无需散射介质先验和求解逆扩散方程的透过厚散射介质单光子单像素成像。
[0011]进一步地，具体包括以下步骤：S1：搭建上述单像素成像装置；S2：设置测量参数，所述测量参数包括曝光时间和空间光调制花样；S3：通过工控机控制空间光调制器花样翻转与TCSPC采集，对多个空间光调制花样Ai对应的时间波形信号Yi获取；S4：将S3中获取的时间波形信号Yi进行处理，选取波形刚开始出现到波形迅速上升之间的区段信号求和作为此次测量的有效测量信号Yi；S5：求解含总变分泛化的二次优化问题得到待成像目标的模糊图像，实现模糊图
像重建；S6：将高斯核作为厚散射介质的模糊核，求解去模糊图像，实现去模糊图像重建。
[0012]进一步地，S2中，设置曝光时间参数及加载空间光调制花样。需指出工控机控制空间光调制器空间调制花样、花样曝光时间、TCSPC采集，工控机通过同步控制器控制花样曝光时间与TCSPC采集时间同步。
[0013]进一步地，S2中，皮秒激光器输出高重频短脉宽的脉冲激光，经光学扩束器后，空间激光光斑横向尺寸由小尺寸扩束至能覆盖空间光调制器可调制区域，空间光调制器上加载了空间光调制花样，每隔一段时间，该空间光调制花样发生变化，短焦成像镜将空间调制器上衍射的光束放大成像至散射介质，以覆盖成像目标所在区域并有足够的留余空间，在短焦成像镜的后焦平面上放置有空间光滤波器，滤除经空间光调制器后的高频光及杂光干扰，空间调制光照射到散射介质后，光子在散射介质中发生散射，极少一部分光子未在散射介质中发生散射，保持着入射时的传播方向、偏振等信息，绝大多数光子与在介质中发生散射与待测成像物体、散射介质发生散射，传播方向、偏振发生较大改变，并在透过散射介质后，原先不同时刻、不同空间、不同传播方向的光子发生时空混叠，造成模糊，出射后的光子经聚光镜汇聚后由无空间分辨率的单光子雪崩探测器接收（SPAD），经单光子雪崩探测器接收后，光信号转换为电信号，由时间相关单光子计数器（TCSPC）采集统计计数，在空间光花样保持时间内本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种透过厚散射介质单光子单像素成像装置，其特征在于，包括沿光路依次设置的皮秒激光器（1）、光学扩束器（2）、空间光调制器（3）、短焦投影镜（4）、空间光滤波器（5）、聚光镜（8）、单光子雪崩探测器（9），散射介质（6）和待成像物体（7）设于所述空间光滤波器（5）和聚光镜（8）之间的光路上，还包括与所述单光子雪崩探测器（9）电连接的快速时间门控制器（10）、与所述快速时间门控制器（10）电连接的时间相关单光子计数器（11），还包括分别与所述皮秒激光器（1）、空间光调制器（3）、时间相关单光子计数器（11）、快速时间门控制器（10）电连接的工控机（12），还包括分别与所述工控机（12）和空间光调制器（3）电连接的同步控制器（13）；所述工控机（12）调控空间光调制器（3）的曝光时间并加载预设的空间光调制花样，所述同步控制器（13）调控空间光调制器（3）翻转过程，以改变空间光调制花样。2.根据权利要求1所述的一种透过厚散射介质单光子单像素成像装置，其特征在于，所述工控机（12）控制所述快速时间门控制器（10）的参数设置；所述快速时间门控制器（10）输出的信号抵达时间相关单光子计数器（11）作为信号输入；所述皮秒激光器（1）输出的同步信号输入时间相关单光子计数器（11）作为光子计数同步信号。3.根据权利要求1所述的一种透过厚散射介质单光子单像素成像装置，其特征在于，所述工控机（12）控制空间光调制器（3）开始翻转后，时间相关单光子计数器（11）同步开始数据采集。4.一种透过厚散射介质单光子单像素成像方法，其特征在于，包括以下步骤：利用皮秒级别的高时间分辨率与单光子灵敏度的单光子雪崩探测器，探测经厚散射介质与物体后的微弱信号光子，采用时间门控方式提取在散射介质中经少数次散射的光子，在假设散射介质的各向同性性质变化不大时，利用单像素成像方法求解模糊图像，将散射介质对成像的有效影响厚度由全部散射介质厚度降低为散射介质与待成像物体之间的厚度，散射介质的有效厚度降为原来的一半，利用解逆卷积与基于图像度规的图像评估方法，实现快速且无需散射介质先验和求解逆扩散方程的透过厚散射介质单光子单像素成像。5.根据权利要求4所述的一种透过厚散射介质单光子单像素成像方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1：搭建如权利要求1~3中任意一项所述单像素成像装置；S2：设置测量参数，所述测量参数包括曝光时间和空间光调制花样；S3：通过工控机（12）控制空间光调制器（3）花样翻转与TCSPC采集，对多个空间光调制花样Ai对应的时间波形信号Yi获取；S4：将S3中...
【专利技术属性】
技术研发人员：潘龙，封晓华，陈锋，赖智通，程凯，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：
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