[發明專利]一種基于LED陣列的高速空間光調制方法及其成像系統

有效

• 申請號: 201810049817.6
• 申請日: 2018-01-18
• 公開（公告）號: CN108366195B
• 公開（公告）日: 2020-03-10
• 發明（設計）人: 孫鳴捷;陳文;李立京;徐子豪;姜清華;張春熹
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H04N5/232
• 分類號: H04N5/232;G09F9/33
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 祗志潔

本發明公開了一種基于LED陣列的高速空間光調制方法及其成像系統，屬于量子物理、探測成像以及信號處理的交叉技術領域。所述系統包括計算機、控制板卡、LED陣列、光束調制透鏡、物體、光束收集透鏡以及單像素光電探測器，其應用方法為首先LED陣列生成哈達瑪圖案存儲在控制板卡中；然后控制板卡通過兩次掃描控制LED陣列按順序顯示哈達瑪圖案，并采集從顯示第一個掃描圖案到第二個掃描圖案顯示結束過程的電壓平均值；最后計算機將哈達瑪圖案與相應電壓平均值的乘積求和，恢復圖像。本發明提高了關聯成像的速度以及實現了對哈達瑪圖案的快速顯示，并且成本更低。

技術領域

本發明屬于量子物理、探測成像以及信號處理的交叉技術領域，具體涉及一種基于LED陣列的高速空間光調制方法及其成像系統。

背景技術

關聯成像起源于量子糾纏的概念，是通過一個或幾個單像素探測器記錄目標發射/反射的總光強信號進行探測的新型光電成像技術，具有單像素探測、復合譜和非定域成像等特點。單像素探測是關聯成像區別于傳統面陣探測成像的主要特點，它指關聯成像使用一個或幾個單像素探測器，而非面陣探測器(如CCD，CMOS等)，來接收目標信號并重建其空間信息。單像素探測器技術成熟可靠、信號收集能力強，沒有面陣探測器的像素間響應不均、存在壞點和對成像光學系統要求高等問題，尤其在特定探測波段的面陣探測器特別昂貴甚至不存在的情況下和需要多譜段復合成像的要求時，單像素關聯成像為相應的目標探測提供了技術可行、成本可控、體積重量小的成像方案。

計算關聯成像的單像素探測體制使關聯成像技術必須依賴于某種空間光調制器件來實現成像，目前常規的方法包括采用激光照射旋轉毛玻璃產生贗熱光源，預制相位掩膜板，透射式液晶調制和反射式微透鏡陣列(Digital Micromirrors Device，DMD)調制等。由于空間光調制器的調制速度有限(上述方法中最快的DMD目前達到22KHz調制速度)，極大限制了關聯成像獲取目標信息的速度，是其技術發展的瓶頸問題，也是相關領域科學工作者亟待攻克的難點。

發明內容

針對現有關聯成像的成像速度受空間光調制器調制速度限制的問題，本發明提出一種基于LED陣列的高速空間光調制方法及其成像系統，對關聯成像速度實現了極大的提升，空間光調制速度達到了2.5MHz，成像速度達到了5KHz。

本發明的提供的基于LED陣列的高速空間光調制成像系統，使用LED陣列作為空間光調制器，所述系統包括計算機、控制板卡、LED陣列、光束調制透鏡、物體、光束收集透鏡以及單像素光電探測器。控制板卡的I/O輸出控制信號給LED陣列，通過兩次掃描的方式輸出哈達瑪矩陣對應圖案的光束，該光束經由光束調制透鏡匯聚到物體上，再由光束收集透鏡收集和物體作用后的光束并匯聚到單像素光電探測器接收面。控制板卡收集單像素光電探測器輸出的電壓值并將數據傳送到控制計算機進行圖像恢復。

本發明提供的基于LED陣列的高速空間光調制方法，包括：

步驟1，對于m×m的LED陣列，生成m×m個哈達瑪圖案存儲在控制板卡中；m是正整數，為2的冪次方；

步驟2，控制板卡控制LED陣列按順序顯示哈達瑪圖案。將待顯示的一個哈達瑪圖案分解為兩次掃描圖案，控制板卡輸出控制信號給LED陣列，通過兩次掃描完成一個哈達瑪圖案的顯示；LED陣列根據控制信號顯示對應圖案的光束，光束經由光束調制透鏡匯聚到物體上，再由光束收集透鏡收集和物體作用后的光束并匯聚到單像素光電探測器接收面；

步驟3，控制板卡收集單像素光電探測器輸出的電壓值；對于一個哈達瑪圖案，采集從顯示第一個掃描圖案到第二個掃描圖案顯示結束過程的電壓平均值；最后計算機將m×m個哈達瑪圖案與相應電壓平均值的乘積求和，恢復圖像。

本發明的優點與積極效果在于：使用LED陣列作為空間光調制器可以極大提高關聯成像的速度以及通過兩次掃描的方式實現對哈達瑪圖案的快速顯示，相對于傳統方法提高了2個數量級。此外，相對于現有關聯成像的方案中使用的空間光調制器，LED陣列具有更低的價格。