[發明專利]一種互補測量的單光子光譜計數成像系統及方法

有效

• 申請號: 201210265370.9
• 申請日: 2012-07-27
• 公開（公告）號: CN102768069A
• 公開（公告）日: 2012-11-07
• 發明（設計）人: 翟光杰;王超;趙清;俞文凱;劉雪峰
• 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: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 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;楊青

技術領域

本發明涉及極弱光成像光譜的技術領域，特別涉及一種互補測量的單光子光譜計數成像系統及方法。

背景技術

在光譜成像測量分析、生物檢測、星空探測、夜視觀測、極弱光探測、濃度檢測、遙感成像、醫療成像、監控等新興高科技領域，不僅需要探測極弱光，還要對若干個光譜波段進行成分分布分析，且可見光的成像光譜探測已經無法滿足需求，科學家們更多時候需要知道近紅外光波段的光譜信息。此外，現有成像光譜儀器對極弱光不敏感，大多采用掃描方式，穩定性差，很難達到成像高精度的要求。由于激光器一般工作在倍頻的波長上，波長范圍有限，常規的成像探測器也僅工作在可見光波段，很難實現對極弱光對象進行可見光和近紅外光的寬譜成分分布的同時檢測分析，亟待一種全新的成像光譜系統來滿足日益增長的科研需求。

本發明為解決上述問題而應運而生，同時也是基于前人工作的改進與創新。在本領域，本研究所已有一份相關專利：《一種極弱光多光譜成像方法及其系統》（申請號或專利號：201110166471.6，申請人或專利權人：中國科學院空間科學與應用研究中心），在該專利申請中由于沒有考慮隨機測量矩陣的特點所以僅采用空間光調制器（SLM）的一臂反射光路進行光子收集分光，且所采用的算法重建質量差，運算量大，原理上尚存在一定技術上的缺陷，本發明為了克服上述技術缺陷充分考慮技術特征之間的關系提出一種互補測量的單光子光譜計數成像系統及方法，采用雙臂互補測量，可見光與近紅外光同時測量，改進了原理和算法，并提出波長-光功率的光譜圖的生成方法，以解決上述一系列的問題。

光譜成像是獲得和顯示精確顏色信息的重要技術，原因之一是光譜圖像包含了光譜信息，原因之二是光譜成像技術很好地克服了同色異譜現象。對極弱光對象的光譜成像更是在多種領域有廣泛的應用前景。

光子計數成像就是一種極弱光探測技術，通過記錄成像位置的光子計數，計數等效于光強信息，于是得到光強的空間分布情況，最后累計出一幅圖像。

現有的成像光譜技術必須將一維光譜、二維平面圖像中的任何一維，以輔助掃描的方式來實現，由于納米位移掃描平臺的穩定性差、掃描過程復雜，不僅增加了制造成本，也極大延長了待測物體的測試時間，對于某些生物樣品而言會降低成功率。這樣帶來的弊端是采樣時間必須給掃描留出充分的空間。若一維光譜以掃描形式實現時，必須采用面元探測器（由大量的光敏探測元件組成）進行探測，如ICCD、EMCCD、APDs等。面元探測器在對極弱光進行探測時需要曝光一定時間（即積分時間），平均到單位像素上的光通量極小，加上暗計數的影響，信噪比較差，極難準確推算落在該像元上的光強值，具有靈敏度的問題。其中ICCD、EMCCD都號稱可以做到單光子探測，但需深度半導體制冷，成本昂貴，ICCD空間分辨率較差，而EMCCD空間分辨率稍好，存在的共同問題都是弱光下很難對儀器噪聲進行控制或線性輸出；而APDs可以工作在蓋革模式，但尚處在研究階段，而且高精度的APD陣列很難制造和流片，林肯實驗室對外公布的APD陣列也僅有64×256像素，對中國禁運，且目前的APD陣列波長響應范圍十分有限，僅在中可視波段達到量子效率峰值，由于每個像素都極小，光通量必須平均分配在整個陣列上，那么散粒噪聲的影響將變得十分顯著。

所述壓縮傳感（Compressive?Sensing，簡稱CS）理論是由Donoho、Candès和Tao等人提出的一個全新數學理論，實現以隨機采樣的方式、更少的數據采樣數（遠低于奈奎斯特/香農采樣定理的極限）來完美地恢復信號，且具有更高魯棒性。該原理先壓縮采樣，將被測信號由高維向低維映射并對其進行采樣，選取合適的稀疏變換框架Ψ，使得x經Ψ變換所得向量是稀疏的，然后根據觀測數據y、測量矩陣A和框架Ψ，求解最后由反演出x。