[發明專利]一種單光子計數成像系統及其方法

有效

• 申請號: 201110103559.3
• 申請日: 2011-04-25
• 公開（公告）號: CN102759408A
• 公開（公告）日: 2012-10-31
• 發明（設計）人: 杜克銘;翟光杰;蔣遠大;劉雪峰;趙清
• 申請（專利權）人: 中國科學院空間科學與應用研究中心
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;高宇

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(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。

2.根據權利要求1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(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；

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x∈Rⁿ是被測數據，y∈R^k是觀測數據，Φ∈R^k×n是隨機投影矩陣(k＜＜n)，e∈R^k是測量噪聲，那么，壓縮采樣的過程可以描述為(1)式：

y＝Φx+e?????????????(1)

如果x是變換域稀疏的，即θ＝Ψx，Ψ是稀疏變換矩陣，那么(1)式變化為(2)式：

y＝ΦΨ^-1θ+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(1)式中的測量矩陣則為Φ＝{Φ₁，…，Φ_i，…，Φ_k}，Φ_i是Φ的第i行，把的二維圖像的列首尾相連，化成n×1的一維列向量，對應(1)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1×n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值，對應于(1)式中觀察向量y的一個元素式中，Φ_i，j、x_j分別是Φ_i和x的第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(1)式中的x，一般用最優化方法求解，可描述為(3)式：

minx∈Rn(12||y-Φx||22+τ||x||1)---(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(4)式：

minx∈Rn(12||y-Φx||22+τ||Ψx||1)---(4)]]>

(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