一种单像素紫外偏振成像方法及系统与流程

本发明涉及光学成像领域，具体涉及一种单像素紫外光谱偏振成像方法及系统。

背景技术：

紫外成像技术具有重要的应用需求与和研究价值。现有的紫外成像系统中所采用的紫外阵列探测器件的制作工艺难度大，导致整体系统成本高，所使用的成像原理的存储数据量大，其应用范围受到限制。单像素紫外光谱成像技术相比较传统的紫外成像仪而言，探测器件工艺相对简单，成像系统成本低。目前，单像素成像技术在可见光与红外波段已经有了较大发展并实现了一定程度的工程应用。而在紫外波段，高性能的紫外探测器与单像素的紫外成像光学系统的研究并没有很多实质性的进展。另外，偏振成像技术研究也大多集中在可见光与红外波段，偏振成像能够利用偏振矢量信息增强对成像目标的识别能力，提高成像信噪比，最终改善成像的质量。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有的紫外成像系统制作工艺难度大，整体系统成本高，所使用的成像原理的存储数据量大，其应用范围受到限制，目的在于提供一种单像素紫外光谱偏振成像方法及系统，运用压缩感知理论，将图像或者光谱信息进行压缩编码，仅使用单个像素的紫外探测器就能获取目标的二维偏振图像或光谱信息，解决了紫外探测器件成本高、成像速度慢、存储数据量大的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种单像素紫外光谱偏振成像系统，包括紫外光源、滤波单元、第一透镜、成像目标、第二透镜、空间光调制器、第三透镜、偏振单元、单像素紫外探测模块、数据采集模块、图像复原模块和控制模块，所述紫外光源发射出的光经过所述滤波单元得到窄带紫外光，所述窄带紫外光经由第一透镜进行聚焦照射到所述成像目标上，获得目标成像信息，所述目标成像信息经由第二透镜照射到所述空间光调制模块进行光线调制，调制后的包含目标成像信息的光线经过所述第三透镜聚到所述偏振单元，所述偏振单元提取出成像目标的紫外偏振信息，再由所述单像素紫外探测模块采集所述成像目标的紫外偏振信息，所述数据采集模块将所述单像素紫外探测模块中的成像目标的紫外偏振信息由光信号信息转换为电信号信息，所述图像复原模块用于处理所述电信号信息进行图像复原，所述控制模块控制所述空间光调制模块进行光线调制。

本发明首先将紫外光源通过滤波单元后由第一透镜照射到成像目标上，而后利用空间光调制器对包含有成像目标图像信息的光线进行调制，根据压缩感知原理，空间光调制器上显示为提前准备好的感知矩阵掩膜，然后调制后的光通过偏振模块提取成像目标的偏振信息，利用单像素紫外探测模块探测得到调制后光线的总光强，得到单像素测量值，测量值通过数据采集模块传输到计算机上使用算法进行图像复原。

空间光调制器编码压缩过程，是整个成像系统的核心。利用信号在某种编码域中的稀疏性，将空间于信号映射到编码域中进行采样，只需要采集少量的测量值就可以恢复处目标图像信息，其采样频率可低于奈奎斯特频率，这样同时减小了对采样率与存储数据量的要求。

进一步的，所述滤波单元包括一个或多个滤波片，所述滤波片为与所述紫外光源的波长对应的窄带滤波片。滤波单元用于对紫外光源进行窄带滤波，可以包含多个滤光片，可以分时进行对不同窄带紫外波段的滤波，可用以获取光谱信息。

进一步的，所述偏振单元包括一个或多个偏振片，偏振片用于获取成像目标的偏振信息。优选的，所述多个偏振片包括多个偏振方向的偏振片，用于实现多个偏振方向的选择。

进一步的，所述第一透镜、第一二透镜和第三透镜均为凸透镜。

进一步的，所述单像素紫外探测模块包括光电传感器，所述光电传感器为紫外雪崩光电二极管。

进一步的，所述空间光调制器为数字微镜。用于对投射到空间光调制器的目标图像信息进行编码。

进一步的，基于感知压缩理论，通过控制模块对空间光调制器和数据采集模块进行控制，所述系统包括以下控制过程：a1：所述控制模块根据目标图像的图像分辨率生成感知矩阵，所述感知矩阵包括m行；a2：将感知矩阵中第n行数据加载到所述空间光调制器中，用于控制所述空间光调制器进行偏转，且所述数据采集模块完成一次数据采集，其中n为大于1的自然数，且n的初始值为1；a3：若n小于m，则将n定义为n+1，并重复步骤a2；a4：所述数据采集模块采集m次后的数据，得到y矩阵；a5：根据y矩阵，通过压缩感知复原算法进行图像重构。

本发明的另一种实现方式，一种单像素紫外光谱偏振成像方法，包括以下步骤：b1：紫外光源的光经过滤波后，由透镜照射到成像目标上，再经过透镜聚集到空间光调制器；b2：经过空间光调制器调制后的光，经过透镜和偏振模块，提取出成像目标的偏振信息，b3：再经过单像素紫外探测模块探测得到单像素测量值，基于压缩感知理论，将所述单像素测量值经过数据采集上传至计算机；b4：通过复原算法恢复出目标图像。

紫外光源通过分光装置(即滤波)将不同波段的紫外光投射到目标物上，目标物反射光所携带的空间和光谱信息经过空间光调制器编码压缩后，通过透镜和偏振模块，将目标信息耦合到单像素紫外探测模块上，再将光电转换后得到的电信号经过数模转换、数据采集后，根据不同的光强和时序编码信号进行解码，利用图形压缩与复原算法软硬件解码复原图像和提取光谱信息。

进一步，所述复原算法包括正交匹配追踪算法或压缩采样匹配追踪算法。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明将成像技术和光谱技术相结合，在探测二维空间信息的基础上，还可以获取目标的紫外光谱信息，可以实现对具有紫外光谱特征目标的定位、定性和定量分析。

本发明运用了压缩感知理论，将图像或者光谱信息进行压缩编码，仅使用单个像素的紫外探测器就能获取目标的二维偏振图像或光谱信息，解决了现有的紫外成像仪价格昂贵，存储数据量大的所带来的数据传输问题，并且为实现紫外偏振成像提供了一种新方案。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明数据采集流程图。

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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，本实施例1是一种单像素紫外光谱偏振成像系统，在于解决目前的紫外探测器件成本高、成像速度慢、存储数据量大的问题。本实施例1成像系统，依次包括：紫外光源、滤波单元、第一透镜、成像目标、第二透镜、空间光调制模块、第三透镜、偏振单元、紫外探测模块，另外紫外探测模块、数据采集模块和图像复原模块依次连接。控制模块连接空间光调制模块和数据采集模块，控制模块对空间光调制模块和数据采集模块进行控制。控制模块和图像复原模块均通过计算机来实现。

首先由紫外光源发射出稳定的宽谱紫外光，宽谱紫外光通过滤波单元得到窄带紫外光，如滤波单元使用中心波长为350nm紫外窄带滤光片，窄带紫外光波长范围约为345nm-355nm，带宽10nm；窄带紫外光经由透镜进行聚焦照射到成像目标上，以获得目标的成像信息，然后经由透镜照射到空间光调制模块进行光线调制；空间光调制模块(dmd)由几十上百万个尺寸为13.6um的细小镜片组成，该镜片可由外部发送的控制信号控制其进行±12°的偏转。由光路实际搭建决定，如照射到-12°的镜片上的紫外光线不会照射到之后的透镜进行聚焦，照射到+12°的镜片上的紫外光则会经过透镜，这样就实现了光线的调制；经过调制后的包含目标成像信息的光线经过偏振单元提取出成像目标的紫外偏振信息，随后由紫外探测模块所采集。

第一透镜、第二透镜和第三透镜均为凸透镜。

滤波单元由滤波片组成，滤波片用于对紫外光源进行窄带滤波，可以包含多个滤光片，可以分时进行对不同窄带紫外波段的滤波，可用以获取光谱信息。

偏振单元由偏振片构成，偏振片用于获取成像目标的偏振信息，可以包含多个偏振方向的偏振片，用于实现多个偏振方向的选择。

空间光调制模块由空间光调制器构成，主要为dmd(数字微镜)，用于对投射到dmd的目标图像信息进行编码。空间光调制器编码压缩过程，是整个成像系统的核心。利用信号在某种编码域中的稀疏性，将空间于信号映射到编码域中进行采样，只需要采集少量的测量值就可以恢复处目标图像信息，其采样频率可低于奈奎斯特频率，这样同时减小了对采样率与存储数据量的要求。

本实施例1将紫外光源通过滤波片后由透镜照射到成像目标上，而后利用空间光调制器对包含有成像目标图像信息的光线进行调制，根据压缩感知原理，空间光调制器上显示为提前准备好的感知矩阵掩膜，然后调制后的光通过偏振模块提取成像目标的偏振信息，利用单像素紫外探测器模块探测得到调制后光线的总光强，得到单像素测量值，测量值通过数据采集模块传输到计算机上使用算法进行图像复原。

本实施例1提供了一种实现低成本的单像素紫外光谱成像系统，解决了目前传统的紫外成像仪成本高昂的问题，提供了一种实现紫外偏振成像系统的新方案。将成像技术和光谱技术相结合，在探测二维空间信息的基础上，还可以获取目标的紫外光谱信息，可以实现对具有紫外光谱特征目标的定位、定性和定量分析。

实施例2

本实施例2是在实施例1的基础上的单像素紫外偏振成像系统，紫外光源通过分光装置(即滤波片)将不同波段的紫外光投射到目标物上，目标物反射光所携带的空间和光谱信息经过dmd编码压缩后，通过透镜聚集和紫外偏振，将目标信息耦合到单像素紫外探测器上，再将光电转换后得到的电信号经过数模转换、数据采集后，根据不同的光强和时序编码信号进行解码，利用图形压缩与复原算法软硬件解码复原图像和提取光谱信息。

本实施例2所采样的dmd型号为dlp7000uv，分辨率为1024*768，适用于200nm至400nm波长的紫外光源的应用。紫外探测模块所使用的光电传感器为紫外雪崩光电二极管apd，其有两种工作模式：线性模式与盖革模式。在盖革模式下，其工作在反偏击穿电压之上，增益可到1m以上，具备单光子灵敏度，可用于对微弱场景下的光谱成像。在线性模式下，尽管灵敏度不能达到单光子量级，但是其工作速度相对更快，可以用于强光条件下，高速光谱成像。

本实施例2利用一个不具备空间分辨能力的紫外单像素探测器作为传感设备，将光信号转换为电信号，进而获取成像目标的信息。压缩感知是其理论基础，如果信号是可压缩的或者在某个频域内是可以进行稀疏表示的，就可以利用一个与该频域稀疏基不相关的矩阵对该信号进行测量。将信号从高维空间投影到低维空间。未知元素就是高维空间信号，测量值就是低维空间投影信息。

压缩感知的数学模型为：y＝φx。信号的稀疏性或者说可压缩性是压缩感知的一个重要前提，自然界存在的真实信号一般不是绝对稀疏的，而是可以在某个变换域下近似稀疏，即为可压缩信号。比如这个变换域可以是离散余弦变换，或小波变换等。进行图像重构就是首先由测量得到y矩阵，然后由于一般的图像信号x本身并不是稀疏的，需要在某种稀疏基上进行稀疏表示，即x＝ψθ，ψ为已知稀疏基矩阵，θ为稀疏向量(θ只有k个是非零值(k<<n)，则能够得到矩阵a＝φψ；可以通过测量得到的y和矩阵a表示出θ；由于已知稀疏基矩阵ψ，可以利用压缩感知进行图像重构的另外一个数学前提就是：观测矩阵φ和稀疏基矩阵ψ不相关由于已知稀疏基矩阵ψ，然后可以通过复原算法重构出图像x。

复原算法可使用正交匹配追踪(orthogonalmatchingpursuit,omp)算法、压缩采样匹配追踪(compressivesamplingmp)算法等。关于正交匹配追踪算法，其核心思想是通过schmidt正交化实现列向量正交化，在迭代的过程当中将正交化之后的原子与信号进行投影比较求得其残差，因而残差和前面所选的原子始终为正交关系。然后每一次的迭代都会更新所选择的原子集合形成新的原子集合，这会使得算法的计算效率进一步提高，也避免了对原子的重复搜索。其流程如下：

(1)初始化稀疏矢量x0＝0，残差r0＝y，迭代次数k＝1，令候选集e0为空；

(2)选择与上一次迭代的残差最匹配的原子，其中绝对值内为计算向量内积；

(3)将原子加入到候选集中，即ek＝ek-1∪ik；

(4)更新稀疏矢量：根据最小二乘法得xk＝(фek)*y，其中()*代表取伪逆矩阵；

(5)更新残差rk＝y-фekxk；

(6)令k＝k+1，判断是否满足迭代条件，如果是则停止，否则跳转至第二步。

如图2所示，为本实施例2基于压缩感知的数据采集流程。

首先将dmd的偏转样式，即所生成感知矩阵φ的一行加载到dmd并控制其按照偏转样式进行偏转，同时控制数据采集模块对经过紫外探测器模块的信号进行采集，即完成了一次测量。重复加载与测量m次(感知矩阵φ的行数)之后就得到了y矩阵，然后就可以通过压缩感知复原算法恢复出图像。dmd的全局加载速率可达20khz，若成像图片分辨率为128*128，所需掩膜图片为8192张，加载完所有掩膜图片耗时不到一秒。

上述实施例1或2中的紫外光源可以是普通光源，也可以是宽谱光源。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。