本发明涉及电子成像领域，尤其涉及一种低成本高灵敏度的成像系统及其成像方法。
背景技术：
随着CCD/CMOS传感器技术的发展，数字图像传感器广泛应用于DSLR相机和智能手机等便携式移动设备。高速相机更是广泛应用于工业检测、生物医学高速显微成像、高速粒子成像、军事火箭发射分析等技术领域。
由于受到CCD和CMOS传感器尺寸的限制，图像的分辨率、成像速度和硬件成本之间相互制约。高分辨率传感器要求大尺寸或小的光电传感单元，然而高速成像又要求较大尺寸的传感单元或高灵敏度的传感器。与此同时，图像传感器可作为测距元件，且在机器人、智能化领域中有着广阔的应用前景，人们可以使用相机来计算距离，代替传统昂贵的超声波、激光雷达和雷达传感器，但采用相机来计算距离往往依赖于相机传感器的灵敏度，比如通过结构光三维测量，单目、双目视觉的三维测量等。因为高灵敏度传感器相机可以成像的距离和速度都大于普通相机，所以无论是高速相机还是长距离三维测量相机都要求拥有高灵敏度的传感器。
数字相机的速度和灵敏度取决于传感器的灵敏度，而传感器的灵敏度高低通常以能探测到的光子数来衡量。传感器的类型包括单光子探测的ICCD、具有十个光子数有优势的EMCCD、具有高分辨率、高速且高灵敏度的SCMOS，以及通过降低热噪声来提高灵敏度的制冷型CCD。因为ICCD通过额外的像增强组建实现光子放大和EMCCD在其读出寄存器之后有连续一串的增益寄存器，所以使用这两种传感器的相机的价格极其昂贵，并且空间分辨率较低和成像速度受限。而SCMOS采用CCD结构为基底，对每列连着各自放大器和A/D转换电路，其可以实现CMOS的速度，但价格依然昂贵。制冷型CCD通过额外的制冷装备实现高灵敏度相机，因此体积庞大。经过上述分析可知，现在的高灵敏度的相机的价钱都比较昂贵，且相机的体积偏大，不适合普遍使用。
名词解释：
CS：Compressive Sensing，意思为压缩感知。
DMD：Digital Micro Device，意思为数字微镜。
DLSR：Digital Single Lens Reflex，意思为数字单镜头反光，俗称单反。
CCD：Charge Coupled Device，意思为电荷耦合器件。
EMCCD：Electron-Multiplying Charge Coupled Device，意思为电子倍增CCD。
ICCD：Intensified Charge Coupled Device，意思为增强电荷耦合器件。
CMOS：Complementary Metal Oxide Semiconductor，意思为互补金属氧化物半导体，电压控制的一种放大器件。
SCMOS：Scientific Complementary Metal Oxide Semiconductor，意思为科研级CMOS。
PSD：Phase Sensitive Detection，意思为相位灵敏侦测。
LPF：Low Pass Filter，意思为低通滤波器。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种低成本且具有高灵敏度的成像系统。
本发明的另一目的是提供一种低成本且具有高灵敏度的成像系统成像方法。
本发明所采用的技术方案是：一种低成本高灵敏度的成像系统，包括激光控制器、物镜、可编程数字微镜、聚光镜、单像素传感器、传感器读写模块以及成像显示模块，所述传感器读写模块与成像显示模块连接，所述传感器读写模块包括锁相放大装置，所述锁相放大装置与单像素传感器连接；
所述激光控制器用于将其内部的激光光源调制至预设频率，并将激光光源照射到被摄物体上；
所述物镜用于以光学方式将被摄物体的图像成像在可编程数字微镜上；
所述可编程数字微镜用于对被摄物体图像的成像进行编码；
所述聚光镜用于将编码后的图像光信号聚到单像素传感器；
所述单像素传感器用于接收编码后的光信号，并将光信号转换为模拟信号；
所述传感器读写模块用于通过锁相放大装置获取模拟信号中的图像信息，并将获取的图像信息转化并存储为数字数据；
所述成像显示模块用于根据数字数据复原并显示图像。
进一步，所述锁相放大装置包括缓冲单元、相位灵敏侦测单元、参考信号单元和滤波器，所述单像素传感器依次通过缓冲单元、相位灵敏侦测单元与滤波器连接，所述参考信号单元与相位灵敏侦测单元连接；
所述参考信号单元用于根据激光光源的调制频率设置参考信号频率，并将参考信号输送至相位灵敏侦测单元；
所述相位灵敏侦测单元用于结合模拟信号、参考信号和锁相放大技术获取图像信息。
进一步，所述激光控制器包括二向分色镜、第一透镜和第二透镜；
所述激光控制器将第一波长的光调制在第一频率，将第二波长的光调制在第二频率；
所述第一波长的光穿过第一透镜和第二波长的光穿过第二透镜后，经过二向分色镜形成耦合光，并将耦合光射到被摄物体上。
进一步，所述激光控制器还包括反光镜和第三透镜；
所述第一波长的光经过反光镜的反射后到达第一透镜，所述耦合光穿过第三透镜后照射在被摄物体上。
进一步，所述可编程数字微镜由多个可控的微镜单元组成，各所述微镜单元具有两状态，通过改变微镜单元的状态设计可编程数字微镜的编码矩阵。
本发明所采用的另一技术方案是：一种低成本高灵敏度的成像系统的成像方法，包括以下步骤：
将激光光源调制至预设频率后，照射在被摄物体上；
物镜以光学方式将被摄物体的图像成像在可编程数字微镜上，可编程数字微镜对图像进行编码；
编码后的图像光信号经过聚光镜达到单像素传感器，单像素传感器将接收到的光信号转换为模拟信号；
传感器读写模块通过锁相放大装置获取模拟信号中的图像信息后，将获取的图像信息转化并存储为数字数据；
成像显示模块根据数字数据复原并显示图像。
进一步，所述传感器读写模块通过锁相放大装置获取模拟信号中的图像信息后的步骤，具体包括以下步骤：
参考信号单元根据激光光源的调制频率设置参考信号频率，并将参考信号输送至相位灵敏侦测单元；
相位灵敏侦测单元结合模拟信号、参考信号和锁相放大技术获取图像信息；
所述模拟信号和参考信号的频率同步。
进一步，所述可编程数字微镜对图像进行编码的步骤包括配置可编程数字微镜的步骤，具体为：
A1、根据预设的编码矩阵对可编程数字微镜进行配置；
A2、每次传感器读写模块采集图像信息后，判断可编程数字微镜的配置次数是否达到预设次数，若是，复原图像；反之，返回步骤A1。
进一步，所述将激光光源调制至预设频率后，照射在被摄物体上的步骤，具体包括以下步骤：
激光控制器将第一波长的光调制在第一频率，将第二波长的光调制在第二频率；
将第一波长的光穿过第一透镜和第二波长的光穿过第二透镜后，经过二向分色镜形成耦合光，并将耦合光射到被摄物体上。
进一步，所述成像显示模块根据数字数据复原并显示图像的步骤，具体为：
成像显示模块结合压缩感知理论和优化方程来运算数字数据，从而复原和显示图像。
本发明的有益效果是：一种低成本高灵敏度的成像系统，包括激光控制器、物镜、可编程数字微镜、聚光镜、单像素传感器、传感器读写模块以及成像显示模块，所述传感器读写模块与成像显示模块连接，所述传感器读写模块包括锁相放大装置，所述锁相放大装置与单像素传感器连接；所述激光控制器用于将其内部的激光光源调制至预设频率，并将激光光源照射到被摄物体上；所述物镜用于以光学方式将被摄物体的图像成像在可编程数字微镜上；所述可编程数字微镜用于对被摄物体图像的成像进行编码；所述聚光镜用于将编码后的图像光信号聚到单像素传感器；所述单像素传感器用于接收编码后的光信号，并将光信号转换为模拟信号；所述传感器读写模块用于通过锁相放大装置获取模拟信号中的图像信息，并将获取的图像信息转化并存储为数字数据；所述成像显示模块用于根据数字数据复原并显示图像。本系统先将激光光源进行调制，再采用锁相放大装置来获取模拟信号中的图像信息，可以滤除背景噪音和实现对微弱光电信号的采集，从而极大的提高了成像的灵敏度，并且该系统体积较小，成本低，能够满足了大多数用户的需要。
本发明的另一有益效果是：一种低成本高灵敏度的成像系统的成像方法，包括以下步骤：将激光光源调制至预设频率后，照射在被摄物体上；物镜以光学方式将被摄物体的图像成像在可编程数字微镜上，可编程数字微镜对图像进行编码；编码后的图像光信号经过聚光镜达到单像素传感器，单像素传感器将接收到的光信号转换为模拟信号；传感器读写模块通过锁相放大装置获取模拟信号中的图像信息后，将获取的图像信息转化并存储为数字数据；成像显示模块根据数字数据复原并显示图像。本方法先将激光光源进行调制，再采用锁相放大装置来获取模拟信号中的图像信息，可以滤除背景噪音和实现对微弱光电信号的采集，从而极大的提高了成像的灵敏度，并且该方法成本低，能够满足了大多数用户的需要。
附图说明
图1是本发明一种低成本高灵敏度的成像系统的结构示意图；
图2是本发明锁相放大装置的结构框图；
图3是形成耦合光的结构示意图；
图4是被摄物在可编程数字微镜成像的示意图；
图5是一种低成本高灵敏度的成像系统的成像方法的步骤流程图；
图6是激光光源频率的说明示意图。
具体实施方式
实施例一
参照图1，一种低成本高灵敏度的成像系统，包括激光控制器、物镜5、可编程数字微镜7、聚光镜9、单像素传感器10、传感器读写模块以及成像显示模块，所述传感器读写模块与成像显示模块连接，所述传感器读写模块包括锁相放大装置，所述锁相放大装置与单像素传感器10连接；
所述激光控制器用于将其内部的激光光源3调制至预设频率，并将激光光源3照射到被摄物体1上；
所述物镜5用于以光学方式将被摄物体1的图像成像在可编程数字微镜7上；
所述可编程数字微镜7用于对被摄物体1图像的成像进行编码；
所述聚光镜9用于将编码后的图像光信号聚到单像素传感器10；
所述单像素传感器10用于接收编码后的光信号，并将光信号转换为模拟信号；
所述传感器读写模块用于通过锁相放大装置获取模拟信号中的图像信息，并将获取的图像信息转化并存储为数字数据；
所述成像显示模块用于根据数字数据复原并显示图像。
附图标记：1、被摄物体；3、激光光源；5、物镜；7、可编程数字微镜；9、聚光镜；10、单像素传感器。
上述成像系统的工作原理为：激光控制器将激光光源3调制到一预设的频率上，所述的调制为机械调制或电路调制，所述预设的频率为一高频，可以为1KHz或其他频率。激光光源3被调制后照射在被摄物体1上，被摄物体1被激光光源辐射后，经过物镜5成像在可编程数字微镜7上，可编程数字微镜7对图像的成像进行编码，并将编码后的图像经过聚光镜9显示在单像素传感器10上。单像素传感器10将光信号转换为模拟信号，传感器读写模块通过锁相放大装置获取模拟信号中的图像信息，并将获取的图像信息转化并存储为数字数据，成像显示模块根据数字数据复原并显示图像。因为在上述系统中，先将激光光源进行调制，再采用锁相放大装置来获取模拟信号中的图像信息，可以滤除背景噪音，从而实现对微弱光电信号的采集，微弱信号可以小至数纳伏(nV)，甚至在数千倍的噪声中仍能精确测量，所以极大的提高了成像的灵敏度。也可以大幅度增加被摄物的成像距离，同时在弱光情况下，特别是黑暗情况下，图像的灵敏度大幅度增强。并且该系统体积小，成本低，极大地满足用户的需要。
参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述锁相放大装置包括缓冲单元、相位灵敏侦测单元、参考信号单元和滤波器，所述单像素传感器依次通过缓冲单元、相位灵敏侦测单元与滤波器连接，所述参考信号单元与相位灵敏侦测单元连接；
所述参考信号单元用于根据激光光源的调制频率设置参考信号频率，并将参考信号输送至相位灵敏侦测单元；
所述相位灵敏侦测单元用于结合模拟信号、参考信号和锁相放大技术获取图像信息。
所述缓冲单元对单像素传感器输入的模拟电信号进行缓冲后，输入相位灵敏侦测单元，同时参考信号单元将参考信号输入相位灵敏侦测单元，所述模拟电信号与参考信号的频率相同，且参考信号与激光光源的调制相同，在相位灵敏侦测单元通过锁相放大技术，可过得微弱的图像信息的信号。微弱信号可以小至数纳伏(nV)，甚至在数千倍的噪声中仍能精确测量。最后采用滤波器将图像信息的信号提出，并进行放大。
参照图3，进一步作为优选的实施方式，所述激光控制器包括二向分色镜13、第一透镜12和第二透镜15；
所述激光控制器将第一波长的光调制在第一频率，将第二波长的光调制在第二频率；
所述第一波长的光穿过第一透镜12和第二波长的光穿过第二透镜15后，经过二向分色镜13形成耦合光，并将耦合光射到被摄物体上；
所述激光控制器还包括反光镜11和第三透镜14；
所述第一波长的光经过反光镜11的反射后到达第一透镜12，所述耦合光穿过第三透镜14后照射在被摄物体上。
附图标记：11、反光镜；12、第一透镜；13、二向分色镜；14、第三透镜；15、第二透镜。
所述第一透镜12、第二透镜15和第三透镜14均为普通的透镜，可穿透第一波长的光和第二波长的光。激光控制器将第一波长的光和第二波长的光分别调制在不同的频率上，所述调制为机械调制或电路调制。在参考信号单元中分别输出与第一波长的光对应的第一参考信号，和第二波长的光对应的第二参考信号，所以该系统能够一次性复原出多光谱的图像，提升该系统的功能和性能。
参照图4，进一步作为优选的实施方式，所述可编程数字微镜由多个可控的微镜单元组成，各所述微镜单元具有两状态，通过改变微镜单元的状态设计可编程数字微镜的编码矩阵。
附图标记：7、可编程数字微镜；6、被摄物体在可编程数字微镜的成像；16、微镜单元(第一状态)；17、微镜单元(第二状态)。
在本实施例中，可编程数字微镜为TI(德州仪器)公司生产的微机电空间光调制模组。如图4所示，可编程数字微镜7由多个微镜单元组成，被摄物体在可编程数字微镜的成像6显示在可编程数字微镜7上，每个微镜单元面积约为10微米*10微米大小，每个微镜单元可以独立控制，并且可有效控制在两个状态，分别为第一状态的微镜单元16和第二状态的微镜单元17。不同的状态表示微镜单元的偏转的方向不同。在本实施例中，第一状态代表微镜单元偏转+12度的状态，第二状态代表微镜单元偏转-12度的状态。通过改变微镜单元的状态，可以使一部分光信号进入聚光镜，而另一部分光信号无法进入聚光镜，从而实现对图像的编码，且整个过程仍然不改变光信号的频率。通过设计每个微镜单元的不同状态，可以将整个平面的微镜设计成一个编码矩阵。投影在可编程数字微镜上的图像在不同编码矩阵作用后，聚光镜头获取的图像即为空间域编码后的图像，设目标图像为X(矩阵形式)，编码之后的图像即为矩阵Ψ1X表示。通过m个不同编码矩阵之后，可以得到m个编码图像(Ψ1X，……，ΨmX)。其中，所述m为编码矩阵的个数。
上述系统先将激光光源进行调制，再采用锁相放大装置来获取模拟信号中的图像信息，可以滤除背景噪音，从而实现对微弱光电信号的采集，微弱信号可以小至数纳伏(nV)，甚至在数千倍的噪声中仍能精确测量，所以极大的提高了成像的灵敏度。也可以大幅度增加被摄物的成像距离，同时在弱光情况下，特别是黑暗情况下，图像的灵敏度大幅度增强。并且该系统体积小，成本低，极大地满足用户的需要。
实施例二
参照图5，一种低成本高灵敏度的成像系统的成像方法，包括以下步骤：
S1、将激光光源调制至预设频率后，照射在被摄物体上。
其中，S1包括步骤步S11～S12：
S11、激光控制器将第一波长的光调制在第一频率，将第二波长的光调制在第二频率。
S12、将第一波长的光穿过第一透镜和第二波长的光穿过第二透镜后，经过二向分色镜形成耦合光，并将耦合光射到被摄物体上。
S2、根据预设的编码矩阵对可编程数字微镜进行配置。
S3、物镜以光学方式将被摄物体的图像成像在可编程数字微镜上，可编程数字微镜对图像进行编码。
S4、编码后的图像光信号经过聚光镜达到单像素传感器，单像素传感器将接收到的光信号转换为模拟信号。
S5、传感器读写模块通过锁相放大装置获取模拟信号中的图像信息后，将获取的图像信息转化并存储为数字数据。
其中，S5包括步骤S51～S52：
S51、参考信号单元根据激光光源的调制频率设置参考信号频率，并将参考信号输送至相位灵敏侦测单元。
S52、相位灵敏侦测单元结合模拟信号、参考信号和锁相放大技术获取图像信息。所述模拟信号和参考信号的频率同步。
S6、判断可编程数字微镜的配置次数是否达到预设次数，若是，执行下一步；反之，返回步骤S2。
S7、成像显示模块根据数字数据复原并显示图像。具体为：成像显示模块结合压缩感知理论和优化方程来运算数字数据，从而复原和显示图像。
在本实施例中，预设有m个不同的编码矩阵，故需要对可编程数字微镜进行m次配置，在采集模拟信号后，判断是否达到了m次的测量，若是，则执行下一步；反之，返回进行新一组可编程数字微镜的配置，并顺序执行后续过程。投影在可编程数字微镜上的图像在不同编码矩阵作用后，聚光镜头获取的图像即为空间域编码后的图像，设目标图像为X(矩阵形式)，编码之后的图像即为矩阵Ψ1X表示。经过m次测量之后可以得到m个编码之后的图像所有像素的加权和。若用数学方程表示则为：
Y＝ΨX
其中Ψ＝[Ψ1,Ψ2,…,Ψm]，X为待测图像的矩阵形式(转化为一维向量)，Y＝[y1，y2，…,ym]，ym表示第m次测量中单像素传感器测量的值。最后通过压缩感知理论和优化方程来求解上述方程，可以得到X的矩阵解，即为所要拍摄图像的数值，从而实现图像的复原。
现结合图6详细说明，信号的频率在整个采集和成像过程中是不变的。
附图标记：1、被摄物体；5、物镜；7、可编程数字微镜；9、聚光镜；10、单像素传感器；18、被调制的激光波形；19、单像素传感器上的光电流波形。
如图6所示，被调制的光源照射在被摄物体1后，经过被摄物体1的漫反射，进入物镜5，在这个过程中，调制光的频率不发生变化。被调制的激光波形18如图所示，经过第一次成像之后，在可编程数字微镜7表面进行编码，部分可以进入聚光镜9，另外一部分无法进入聚光镜9，从而实现图像的编码，但整个过程仍然不改变调制光的频率。最后聚光在单像素传感器10上的图像为目标图像的比例缩小。如果检测对应激发照射波长的光，其光电流波形19如图中所示，且光电流波形的频率与被调制的激光波形的频率是一样的。在本发明中将被调制的激光波形与参考信号中的波形的频率同步，由于背景噪声为白噪声，通过锁相放大技术最后能够滤除背景噪音，从而实现微弱的图像信号的采集，提高了采集的灵敏度。
上述方法先将激光光源进行调制，再采用锁相放大装置来获取模拟信号中的图像信息，可以滤除背景噪音，从而实现对微弱光电信号的采集，微弱信号可以小至数纳伏(nV)，甚至在数千倍的噪声中仍能精确测量，所以极大的提高了成像的灵敏度。也可以大幅度增加被摄物的成像距离，同时在弱光情况下，特别是黑暗情况下，图像的灵敏度大幅度增强。并且该成像方法的成本低，极大地满足用户的需要。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。