抬高电平三角波频率编码成像光面阵图像传感器测量系统的制作方法

本发明涉及成像光测量系统领域，尤其涉及一种抬高电平三角波频率编码成像光面阵图像传感器测量系统。

背景技术：

现有技术中通过光对物体内部进行成像，特别是对人体内部进行成像，具有无损无创无辐射的突出优点，但至今尚未有能够进入临床使用的成像光测量系统，其原因在于现有的成像光测量系统精度低、信息量较小，无法满足实际应用中的需要。

为了提高信号的采集质量，现有技术中的公告号为CN 104792706 A，公告日为2015年7月22的专利申请利用三角波作为激励信号来提高信号测量的质量。

发明人在实现本发明的过程中，发现上述现有技术中至少存在以下缺点和不足：

由于现有的采集装置无一例外地均采用模数转换器，模数转换器在靠近输入极限(最大或最小幅值)时存在显著的非线性，特别是输入模数转换器的模拟信号电平越低，得到的数字转换结果的不确定度越大。

因此，采用纯净三角波作为激励信号时，在三角波的低电平部分得到的数字信号的信噪比就很低，从而影响了信号的采集精度。

技术实现要素：

本发明提供了一种抬高电平三角波频率编码成像光面阵图像传感器测量系统，本发明通过将三角波调整为抬高预设电平的三角波，提高了成像光的测量精度，详见下文描述：

一种抬高电平三角波频率编码的成像光面阵图像传感器测量系统，所述测量系统包括：一组n×n个单色光源、一个面阵图像传感器，以及与面阵图像传感器外接的计算机，

在样品的一侧成均匀分布一组预设波长的n×n个单色光源，对侧对应单色光源设置面阵图像传感器；

采用不同频率且成2倍比率关系的抬高预设电平的三角波分别驱动一组单色光源中的各个单色光源，面阵图像传感器中每个像素接收到单色光源中每个光源透过样品的单色光组合；

在面阵图像传感器采集图像的过程中，噪声水平没有发生变化，但作为驱动的三角波信号由于抬高了预设电平，在三角波信号的低电平部分，三角波信号相较于噪声改善明显，从而提高了在三角波信号低电平段，面阵图像传感器获取到图像的信噪比，进而提高了输入到计算机中的单色光组合的精度；

计算机对单色光组合进行解调分离得到各个单色光源对单色光组合I_lm的贡献，据此可以对样品进行成像。

其中，作为驱动的正弦波信号由于抬高了预设电平，在正弦波信号的高电平部分，提高了面阵CCD获取到图像的信噪比。

其中，预设电平的取值为面阵CCD采集的图像动态范围一半以上最佳。

其中，所述单色光源呈矩形均匀分布。

其中，所述单色光源为激光二极管。

另一实施例，所述单色光源为单色二极管。

另一实施例，所述单色光源为单色滤波片对白光滤波后的单色光。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明采用不同频率抬高预设电平的三角波驱动单色光源，对面阵图像传感器检测到的单色光组合进行解调分离可以得到各个单色光源对面阵图像传感器的贡献，据此对样品进行高精度图像重建。相较于背景技术中的公告号为CN 104792706 A，公告日为2015年7月22的专利申请，本发明显著地提高了在三角波信号低电平段的图像的信噪比，改善了面阵图像传感器获取到图像的质量；进而提高了输入到计算机中的单色光组合的精度，计算机对单色光组合进行解调分离可以得到各个单色光源对单色光组合的贡献，据此可以对样品进行成像。本发明实现了高速度、大信息的高精度测量，且具有结构和电路简单、器件和工艺要求低、调试容易、可靠性高等优点。

附图说明

图1为本发明提供的抬高电平三角波频率编码成像光面阵图像传感器测量系统的结构示意图；

图2为本发明提供的单色光源、样品和面阵图像传感器相对位置示意图。

图3为本发明提供的不同频率且成2倍比率关系的抬高预设电平的三角波激励信号的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：单色光源； 2：样品；

3：面阵图像传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种抬高电平三角波频率编码成像光面阵图像传感器测量系统，参见图1和图2，所述测量系统包括：一组n×n个单色光源1(用LD表示)和一个面阵图像传感器3，n≥3且为奇数(n为奇数，则最中间的光源或光敏器件可作为中线，便于对准排布，其中，n的具体取值与样品2的横截面积相关，本发明实施例对此不做限制)。即在样品2的一侧成均匀分布一组预设波长的n×n个单色光源1，对侧对应单色光源1设置面阵图像传感器3，单色光源1和面阵图像传感器3紧贴样品2安装。

其中，优选单色光源1呈矩形均匀分布；该成像光测量系统还包括与面阵图像传感器3外接的计算机(图中未示出)。

采用不同频率且成2倍比率关系的抬高预设电平的三角波分别驱动一组单色光源1中的各个单色光源，面阵图像传感器3中第lm个像素接收到单色光源1中每个光源透过样品2的单色光组合I_lm，计算机对单色光组合I_lm进行解调分离可以得到各个单色光源对单色光组合I_lm的贡献，据此可以对样品2进行成像。

即，根据面阵图像传感器3中第lm个像素接收到的光强，反投影重建获得样品2的透射图像，根据图像分析样品2中的组织信息，确定样品组织的散射程度信息。该具体操作为本领域成熟的技术，本发明实施例对此不作赘述。

本发明实施例抬高预设电平后，在面阵图像传感器3采集图像的过程中，噪声水平没有发生变化，但作为驱动的三角波信号由于抬高了预设电平，在三角波信号的低电平部分，三角波信号相较于噪声改善明显，从而提高了在三角波信号低电平段的图像的信噪比；相较于背景技术中的公告号为CN 104792706 A，公告日为2015年7月22，以纯净三角波作为激励信号的专利申请，本发明实施例显著地提高了在三角波信号低电平段的图像的信噪比，进而改善了面阵图像传感器3获取到图像的质量。

另外，由于抬高预设电平，噪声水平没有变化，在三角波信号的高电平部分，三角波信号相较于噪声也有一定的改善，提高了在三角波信号高电平段的图像的信噪比。

进而，由于面阵图像传感器3获取到的图像(其中，面阵图像传感器3接收到的图像中每个像素点是每个单色光源透过样品2的单色光组合)的信噪比整体增强，使得输入到计算机中的单色光组合有较高的精度。

其中，预设电平的取值优选面阵图像传感器3采集的图像动态范围一半以上时，信号大于等于1/2图像动态范围，通过面阵图像传感器3采集到的信号的失真小、图像质量高。

其中，计算机对单色光组合I_lm进行解调分离可以得到单色光组合I_lm中的各个单色光源LD_j的贡献的步骤具体为：

1)假设以驱动单色光源的最高频率f_max的4M倍速度对光电信号进行采样f_s＝4M×f_max，获取采样信号x(m)，其中M为大于等于1的正整数；

2)计算机将分别对各个波长对应的每个抬高预设电平的三角波周期内的正、负半个周期内的采样信号进行累加，累加结果进行求差运算；

即，将一定时间(整数个三角波周期)内的每个三角波的正半个周期的采样值累加得到累加和，每个三角波的负半个周期的采样值累加得到累加和，这两个累加和相减。

3)将上述各个波长的差值进行k个周期或整数倍k个周期累加，其中：

式中：f_min为激励三角波中的最低频率；a为预设常数，取值为大于或等于1的正整数，a/f_min为下抽样的周期；f_n为所处理波长的三角波激励频率。

对幅值为x的被采样值，如果在一定的时间内均匀采样N(>>1)点并进行平均，得到的平均值是

其中，[x]是模数转换器对x进行量化，也即按四舍五入圆整得到的正整数。x_i是第i点的幅值，[x_i]是模数转换器对x_i进行量化，也即按四舍五入圆整得到的正整数。

(3)式表明，对一个比较“干净”的信号采样多次进行平均，并不能提高其精度，所得到的平均值的误差与单次采样的误差相同，为Δx_i。

如果对幅值为x的被采样锯齿波，同样在一定的时间内均匀采样N(>>1)点并进行平均，得到的平均值是

其中，x_i＝m_i+Δx_i，m_i＝[x_i]。也即m_i是圆整得到正整数，而Δx_i是被四舍五入后丢去的“随机”误差。

(4)式可以进一步利用等差级数求和公式得到：

(5)式中的前一项是量化后的值，虽然比(3)式的结果小了一半，但按照误差理论，一个数据的精度并不因乘以一个固定非零常数而改变。但后面一项中是零均值的随机数，相比(3)式中的要降低倍，因此，对锯齿波或三角波激励信号进行过采样后同样可以得到提高精度的效果，且不需要另外加高频扰动信号。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

综上所述，由于本发明实施例相对于背景技术中的申请文件，显著地提高了在三角波信号低电平段的图像的信噪比，且也提高了在三角波信号高电平段的图像的信噪比，进而提高了整个电平段的图像信噪比，使得输入到计算机中的单色光组合有较高的精度，进而提高了高光谱图成像的质量，实现了对样品的成像。

实施例2

一种抬高电平三角波频率编码成像光面阵图像传感器测量系统，参见图1和图2，该实施例以激光二极管作为单色光源1为例进行说明。

采用不同频率且成2倍比率关系的抬高预设电平的三角波分别驱动一组单色光源1中的各个激光二极管，面阵图像传感器3中每个像素lm接收到单色光源1中每个激光二极管透过样品2的单色光组合I_lm，计算机对单色光组合I_lm进行解调分离可以得到各个激光二极管对单色光组合I_lm的贡献，据此可以对样品2进行成像。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

综上所述，由于本发明实施例相对于背景技术中的申请文件，显著地提高了在三角波信号低电平段的图像的信噪比，且也提高了在三角波信号高电平段的图像的信噪比，进而提高了整个电平段的图像信噪比，使得输入到计算机中的单色光组合有较高的精度，进而提高了高光谱图成像的质量，实现了对样品的成像。

实施例3

一种抬高电平三角波频率编码的成像光面阵图像传感器测量系统，参见图1和图2，该实施例以单色二极管作为单色光源1为例进行说明。

采用不同频率且成2倍比率关系的抬高预设电平的三角波分别驱动一组单色光源1中的各个单色二极管，面阵图像传感器3中每个像素lm接收到单色光源1中每个单色二极管透过样品2的单色光组合I_lm，计算机对单色光组合I_lm进行解调分离可以得到各个单色二极管对单色光组合I_lm的贡献，据此可以对样品2进行成像。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

综上所述，由于本发明实施例相对于背景技术中的申请文件，显著地提高了在三角波信号低电平段的图像的信噪比，且也提高了在三角波信号高电平段的图像的信噪比，进而提高了整个电平段的图像信噪比，使得输入到计算机中的单色光组合有较高的精度，进而提高了高光谱图成像的质量，实现了对样品的成像。

实施例4

一种抬高电平三角波频率编码成像光面阵图像传感器测量系统，参见图1和图2，该实施例以单色滤波片对白光滤波后的单色光作为单色光源1为例进行说明。

采用不同频率且成2倍比率关系的抬高预设电平的三角波分别驱动一组单色光源1中的各个单色滤波片对白光滤波后的单色光，面阵图像传感器3中每个像素lm接收到单色光源1中每个单色光透过样品2的单色光组合I_lm，计算机对单色光组合I_lm进行解调分离可以得到各个单色光对单色光组合I_lm的贡献，据此可以对样品2进行成像。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

综上所述，由于本发明实施例相对于背景技术中的申请文件，显著地提高了在三角波信号低电平段的图像的信噪比，且也提高了在三角波信号高电平段的图像的信噪比，进而提高了整个电平段的图像信噪比，使得输入到计算机中的单色光组合有较高的精度，进而提高了高光谱图成像的质量，实现了对样品的成像。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。