[發明專利]一種全斯托克斯單光子壓縮偏振成像裝置和方法

有效

• 申請號: 201910988812.4
• 申請日: 2019-10-17
• 公開（公告）號: CN110646102B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 鄢秋榮;李丹;王逸凡;楊逸冰;楊程
• 申請（專利權）人: 南昌大學
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00;G01J4/00
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 王凱敏

為了解決現有偏振成像技術成像靈敏度低的問題，本發明提供了一種全斯托克斯單光子壓縮偏振成像裝置和方法。本發明將微偏振片陣列貼合在DMD鏡面上，實現了基于單像素成像技術的偏振成像，同時采用單光子探測器探測光強，具有超高的成像靈敏度。

技術領域

本發明屬于微弱光成像領域和偏振成像領域，涉及一種全斯托克斯單光子壓縮偏振成像裝置和方法。

背景技術

偏振成像技術，即通過獲取物體表面反射光波偏振態進行成像的技術。偏振成像探測能夠在背景復雜、目標遮擋和隱藏等情況下有效探測和感知目標，滿足安防監控、遙感遙測、光電跟蹤和目標捕捉等領域的應用需求。根據技術方案的不同，已發展出了分時型、分振幅型、分孔徑型、分焦平面型和干涉型等多種偏振成像技術。由于現有偏振成像技術靈敏度低，在極弱光、高散射介質條件下，成像距離和成像質量方面有待提高。

單光子探測技術是一項具有單光子限靈敏度的極微弱光探測技術，其原理是當微弱的光波信號入射到單光子探測器后，探測器輸出離散的脈沖序列，每個脈沖表示探測到一個光子，然后通過對單光子脈沖的甄別和計數來探測光強。單光子探測器如光電倍增管(PMT)、單光子雪崩光電二極管(SPAD)、超導單光子探測器(SSPD)等多屬于點探測器，要實現成像探測，必須采用高精密光學掃描元件進行掃描成像，成像時間長。具有二維空間分辨的單光子探測器，如陣列SPAD，陣列SSPD，ICCD，EMCCD等非常昂貴，且分辨率不高。

單像素成像是一種基于壓縮傳感理論，采用無位置分辨探測器實現二維成像的新型成像技術。采用數字微鏡器件(Digital Micromirror Device，DMD)對物體進行隨機光調制，最后將調制后的光匯聚在點探測器上，利用每次探測器接收到的光信號和加載至DMD的偽隨機碼重建出二維圖像。與傳統多像素成像技術相比，單像素成像有兩個主要優點：一是通過僅使用點檢測器可以實現二維成像，因此該成像方法具有低成本，尤其是在紅外，太赫茲等特殊波段；二是單像素成像系統中的點檢測器可以同時收集多個像素的光強度，信噪比大大提高，具有超高的靈敏度。本發明提出將微偏振片陣列貼合在DMD的微鏡陣列上，將單光子探測技術和單像素成像技術結合在一起，實現全斯托克斯單光子壓縮偏振成像，具有超高靈敏度和低成本的優勢。

發明內容

為了解決現有偏振成像技術成像靈敏度低的問題，本發明提供了一種全斯托克斯單光子壓縮偏振成像裝置和方法。

本發明的技術方案是：

一種全斯托克斯單光子壓縮偏振成像裝置，其特殊之處在于，包括：

成像透鏡，用于對成像目標進行成像；

DMD，設置在所述成像透鏡的像面上，用于接收成像透鏡所成的像；DMD由U×N個微鏡構成，其中U、N分別為DMD每一行和每一列的微鏡數目；

微偏振片陣列，貼合在DMD的鏡面上；微偏振片陣列包括R×Q個2×2維的微偏振單元，每一個微偏振片單元均包括設置在同一平面上的四個不同偏振角度的微偏振片，四個不同偏振角度從左上角順時針依次為45°、90°、135°、0°；將所述DMD的微鏡劃分為2R×2Q個微鏡組合像素，一個所述微鏡組合像素包括個微鏡，微偏振片陣列的各個微偏振片與DMD上的各個微鏡組合像素的位置一一對應設置；R、Q均為大于等于1的整數；

聚焦透鏡，設置在DMD的反射光路上，用于將DMD的反射光匯聚至單光子探測器的光敏面上；

單光子探測器，用于將收集到的光信號轉化為離散的單光子脈沖信號，并輸入基于FPGA的控制與同步計數模塊；

基于FPGA的控制與同步計數模塊，用于向DMD控制器輸出同步采樣脈沖信號、對單光子探測器輸出的所述單光子脈沖信號進行計數并輸出至上位機，以及從上位機接收控制指令；

上位機，用于生成擴展測量矩陣，并將擴展測量矩陣加載至DMD控制器；所述擴展測量矩陣由數字0和1構成，通過數字0或1控制DMD中微鏡的翻轉；