一種時間分辨極弱光多光譜成像系統及方法
2023-05-02 04:33:06
專利名稱：一種時間分辨極弱光多光譜成像系統及方法
技術領域：
本發明涉及極弱光探測的技術領域，特別涉及一種時間分辨極弱光多光譜成像系統及方法。
背景技術：
多光譜成像是獲得和顯示精確顏色信息的重要技術，原因之一是多光譜圖像包含了更多的光譜信息，原因之二是多光譜成像技術很好地克服了同色異譜現象。極弱光對象的多光譜成像更是在多種領域有廣泛的應用前景。本發明是基於前人工作的改進和創新。在該領域，本研究所已有一份專利《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)，該專利是本所前人所做工作，目的是做極弱光多光譜成像，其特徵在於，該極弱光多光譜成像系統採用壓縮傳感理論和DLP技術，並以單光子計數器線陣為探測元件，實現了單光子級別的極弱光多光譜彩色成像，但還存在一定的技術缺陷，如該專利所提供的系統沒有設置觸發器，僅能對靜態物體成像，缺乏時間分辨，且所用算法較慢，沒有考慮系統噪聲對圖像重建質量的影響，圖像重建時間較長、效果較差、 不夠直觀，觀察對象描述不明確，沒有分類討論，透射物體和反射物體的成像沒有區分處理的方案，光衰減器和濾光片的設置條件沒有明確說明，系統結構圖尚還存在缺陷，沒有考慮計數系統與DMD的同步問題，尚無DMD的驅動控制，系統裝置尚不完善(有一些技術上的漏洞)，實驗條件不成熟，計數成像技術尚處在探索階段。現基於此，特提出基於壓縮傳感理論的時間分辨極弱光多光譜成像系統，以解決上述一系列的缺陷。此外，該系統與本所申請的另一項專利《一種時間分辨單光子計數二維成像系統及方法》的區別在於，該系統採用了分光光度計和單光子探測器線陣，技術更加複雜，不局限於後者的灰度成像，而能夠進行光譜分析，成多光譜彩色像，應用更加廣泛，能精確顯示顏色信息，並克服同色異譜現象，使得能在生物醫療成像上做定性定量分析。所謂時間分辨就是能觀察物理和化學的瞬態過程並能分辨其時間，在液相中，很多物理和化學過程，如分子的順-反異構和定向弛豫、電荷和質子的轉移、激發態分子碰撞預解離、能量傳遞和螢光壽命以及電子在水中溶劑化等，僅需10_8秒就能完成。只有皮秒雷射脈衝才有可能及時地觀察這些極快的過程。在本發明中，就想在極端的時間間隔內進行單光子探測，輸出時間可辨的連續變化的圖像幀(採樣時間間隔足夠快，就能製作成視頻輸出)，如觀察生物切片下細胞的生長情況。當光強衰減到一定程度，達到單光子水平，就變成了離散脈衝信號。單光子是一種極微弱光，被認為是光不可分割的最小能量單位，是可以探測的極限。單光子探測技術應用於生物自發光、醫療診斷、非破壞性物質分析、天文觀測、空間科學、高速現象檢測、高分辨光譜測量、量子光學等領域，並在其中扮演著重要角色。一種典型的極弱光探測器就是單光子探測器，計數型的單光子探測器(即單光子計數器)工作在飽和狀態，靈敏度可以到達單光子水平，採用統計學方法獲得光子密度圖像；具備光子數分辨能力的單光子探測器工作在亞飽和狀態，輸出的電信號幅值隨探測到的光子數的變化而變化，據此電信號獲得極弱光圖像。而使用點探測器無論在探測靈敏度、波長範圍具有更寬的選擇範圍，成本較面元探測器優勢明顯，利用點探測器實現單光子計數成像成為未來單光子水平成像的重要發展趨勢。雖然目前的單光子探測器響應光譜範圍覆蓋了紅外、可見光等波段，但是對於單個單光子探測器，它的響應光譜範圍很窄，一般用來探測單一頻率的光。現在多個單光子探測器組合，便可用來探測多個光譜波長的光，可做多光譜分析。上述的單光子計數方法是利用弱光照射下光子探測器輸出電信號自然離散的特點，採用脈衝甄別技術和數字計數技術把極其微弱的信號識別並提取出來，這種方法受不穩定因素的影響較小，可消除探測器大部分熱噪聲的影響，大大提高了測量結果的信噪比， 並且可以輸出數位訊號，適合與微機接口連接進行數字數據處理。本發明是基於壓縮傳感理論(Compressive knsing，簡稱CS)的，這套理論是由 E. J. Candes等人提出的，它打破了傳統的線性採樣模式，表明可壓縮信號的少量線性隨機投影中包含足夠的信息來重建原信號。上述CS理論包括兩部分壓縮採樣和稀疏重建。壓縮採樣，是被測信號由高維向低維映射的過程，假設χ e Rn是被測數據，y e Rk 是觀測數據，Φ e鏟^是隨機投影矩陣(k<<n)，e e Rk是測量噪聲，那麼，壓縮採樣的過程可以描述為⑴式y = Φχ+e (1)其中Φ滿足RIP準則；如果χ是變換域稀疏的，S卩θ = Ψχ，Ψ是稀疏變換矩陣， 那麼⑴式變化為⑵式y = φ ψ-1 θ +e (2)Φ與Ψ越不相關，採樣所需的測量數k越小，計算量越小，且Φ Ψ—1需滿足RIP準則，所以在本發明中，(2)式中Ψ為小波變換矩陣，Φ為偽隨機二值矩陣；假設測量數為k，二維圖像的像素總數為η，則⑴式中的測量矩陣則為Φ = {Φι;…，Oi,…，OkI, Oi是Φ的第i行，把aXb像素的二維圖像的列首尾相連，化成 nX1 (其中n = aXb)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。主流的DMD由10MX768的陣列構成，它的列首尾相連，化成IXn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光學聚焦收集系統的概率，而測量矩陣Φ共計k維，即k行η列的矩陣；假設測量周期為t，即每段的時間間隔，在這段時間間隔內，驅動控制模塊確保微鏡陣列的隨機翻轉，單光子計數器探測到的光子數為N，相當於光子密度圖像與DMD上的隨
η
機測量陣列的內積值，對應於⑴式中觀察向量y的一個元素，只=式中，Φμ、\
；=1
分別是Φ 和X的第j個元素。根據測量矩陣，由驅動控制模塊控制每次測量時DMD微鏡的排列，重複k次測量，就可以得到該t時間間隔內整組觀測數據y(y為kX 1的一維列向
量)；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， 這是一個ill-posed問題，一般用最優化算法求解，可描述為( 式
權利要求
1. 一種時間分辨極弱光多光譜成像系統，該系統主要基於壓縮傳感理論，用於對隨時間動態變化的彩色物體成像，輸出按時間序列排列的連續彩色視頻圖像幀，所述系統包含 觸發器、光學成像系統、DMD微鏡陣列、光學聚焦收集系統、分光光度計、單光子計數器線陣、 驅動控制模塊和最優化算法模塊；所述觸發器由位於其前端的極弱光觸發源觸發，該觸發器輸出端與驅動控制模塊的輸入端相連，當觸發器被觸發時，驅動控制模塊將輸出驅動控制信號觸發與其輸出端相連的 DMD微鏡陣列和單光子計數器線陣開始工作，即該DMD微鏡陣列開始翻轉，單光子計數器線陣同時開始計數；所述DMD微鏡陣列反射光路上的光學聚焦收集系統和分光光度計用於對光線聚焦收集和分光，所述單光子計數器線陣用於對分光後的各波長光分別進行單光子計數；所述單光子計數器線陣的輸出端，即輸出計數測量值，與所述最優化算法模塊的一個輸入端相連，作為最優化算法模塊的一個輸入值，所述最優化算法模塊的另一輸入端還與所述驅動控制模塊的一輸出端相連，用於接收驅動可知模塊存儲的選定區域的隨機測量矩陣作為其另一個輸入參數；該最優化算法模塊根據輸入的單光子計數器線陣的所述隨機測量矩陣重建對應各波長的稀疏信號，再分別反演出對應各波長的光子密度圖像，最後將這些波長的圖像重整到一起還原出彩色圖像，經過M個重複的t時間間隔，就能重建出按時間序列排列的可時間分辨的一系列二維彩色圖像視頻幀；其中，所述單光子計數器線陣由對應不同波長的單光子計數器組成，每個單光子計數器對應一個特定的波長，在每t時間間隔內對相應波長的光子進行探測輸出累積計數值至所述最優化算法模塊中；所述DMD微鏡陣列為數字微鏡器件；所述驅動控制模塊的另一輸出端與所述DMD微鏡陣列的輸入端相連，用於驅動控制 DMD微鏡陣列的翻轉；該驅動控制模塊基於DLP數字光處理技術，驅動控制模塊在選定DMD 微鏡陣列工作區域後，便下載偽隨機測量矩陣來驅動控制所述DMD微鏡陣列的翻轉；所述 DMD微鏡陣列在翻轉的同時會向所述單光子計數器線陣發送同步信號，保證DMD微鏡陣列與單光子計數器線陣之間同步，即DMD微鏡陣列每翻轉一次，單光子計數器累積計數在該次翻轉的時間間隔t內的光單子數，DMD微鏡陣列翻轉完成後，單光子計數器清零重新開始累積計數，所有計數值和選定區域的隨機測量矩陣均傳送至最優化算法模塊中根據重建算法，進行二維彩色圖像重建。
2.根據權利要求1所述的時間分辨極弱光多光譜成像系統，其特徵在於，所述極弱光觸發源為極弱光光源或自發光生物體。
3.根據權利要求2所述的時間分辨極弱光多光譜成像系統，其特徵在於，當所述極弱光觸發源採用極弱光光源時，其投射方式主要有兩種1)極弱光光源直接透射物體對象上，光源與光學成像系統光軸在同一條直線上，物體對象可以是半透明的或者鏤空的，通過透射光成像；幻極弱光光源斜著打在物體上，光源與光學成像系統光軸不在同一條直線上，通過物體對象反射極弱光來成像。
4.根據權利要求2或3所述的時間分辨極弱光多光譜成像系統，其特徵在於，當所述極弱光光源比較強時採用濾光片濾除該極弱光的雜光；當所述極弱光觸發源採用自發光生物體時，可將其置於暗室之中，採用彩色濾光片來選擇性地讓生物發射的某些光通過。
5.根據權利要求1所述的時間分辨極弱光多光譜成像系統，其特徵在於，所述光學成像系統和光學聚焦收集系統均採用光學透鏡組，分別負責光學成像和光學聚焦，極弱光通過光學成像系統後，可在DMD微鏡陣列上成等大或縮小或放大的像，按實際需求進行成像調整；其中，所述光學聚焦收集系統採用光纖耦合技術，即將經由所述分光光度計分光後的光束耦合到光纖中，利用光纖耦合技術將分光分別收集到對應的單光子計數器上；所述分光光度計包含光準直部分、分光部分、角度測量部分、光度觀察和測量部分，用於光譜分析和測量；其中，所述分光光度計為稜鏡分光光度計或光柵分光光度計。
6.一種時間分辨極弱光多光譜成像方法，該方法可實現對隨時間連續動態變化的彩色物體的觀測，並進行單光子級別的時間分辨極弱光多光譜成像，輸出按時間序列排列的連續彩色視頻圖像幀，所述方法包含如下步驟步驟1，用於採用極弱光觸發源觸發觸發器進行觸發同步的步驟，該步驟實現了時間分辨的效果；步驟2，用於將被測信號由高維向低維進行映射的步驟，該步驟採用壓縮和採樣對被測信號進行由高維向低維進行映射；步驟3，用於對待處理的視頻幀測量數據進行稀疏重建，即最優化算法的運算，輸出按時間序列排列的連續彩色視頻圖像幀的步驟。
7.根據權利要求6所述的時間分辨極弱光多光譜成像方法，其特徵在於，所述步驟1進一步包含如下子步驟用於觸發的步驟，所述極弱光光源或發光生物體觸發觸發器，該觸發器進而觸發激活整個成像系統的工作，所述觸發器觸發之後每隔t時間間隔進行一組對不同波長分量的單光子探測，最優化算法模塊自動識別該t時間間隔內的極弱光對象彩色二維圖像的輸入， 分別累積測量該t時間間隔的對應不同顏色的波長的單光子數；用於同步步驟，DMD微鏡陣列在翻轉的同時向單光子計數器線陣發送同步信號，該同步脈衝在到達單光子計數器線陣後會分成多路，該單光子計數器線陣中每個單光子計數器在同一時間收到該同步脈衝，完成單光子計數器線陣內部單光子計數器之間的同步；同時 DMD微鏡陣列在每次翻轉的同時向單光子計數器線陣發送同步信號保證DMD微鏡陣列與單光子計數器線陣之間的同步，即DMD微鏡陣列每翻轉一次，每個單光子計數器累積計數在該次翻轉的時間間隔內對應波長光的單光子數，DMD微鏡陣列翻轉完成後，單光子計數器清零重新開始累積計數，所有的計數被傳至最優化算法模塊中；其中，所述的時間分辨能夠針對連續變化觀測物體和周期變化觀測物體，所述連續變化觀測物體的時間分辨採用所述每t時間間隔採樣k次並持續測量MXt時間的方法能實現；所述周期變化觀測物體的時間解析度採用的觀測物體的變化周期極短，假設周期為T， 將該時間周期等分為d個時間間隔，記做t1; t2，t3，. . .，td，在該周期T內保持對應隨機矩陣不變，到下一個周期隨機矩陣改變，在每個小的時間間隔t1; t2，t3，. . .，td內分別計數，即對落在、時間間隔內的單光子進行累積計數，依靠觸發器的觸發，保證計數和隨機矩陣的嚴格對應關係，測量k個周期，即對每個微小時間間隔測量了 k次，分別對這d個時間間隔做最優化重建，便可反演出一個時間周期序列內的彩色觀測對象的變化情況。
8.根據權利要求6所述的時間分辨極弱光多光譜成像方法，其特徵在於，所述步驟2進一步包含如下子步驟用於壓縮的步驟，DMD微鏡陣列將可壓縮的隨時間動態變化的彩色物體的圖像幀數據隨機反射，當DMD微鏡陣列中單個微鏡+12°翻轉時反射的光被單光子計數器線陣接收，當 DMD微鏡陣列中單個微鏡-12°翻轉時反射光不能被單光子探測器線陣接收，從而完成被對隨時間動態變化的彩色物體的被測信號的壓縮，同時確保DMD微鏡陣列明暗陣列的最大隨機性，進而控制極弱光被反射至光學聚焦收集系統的概率是隨機的；用於分光採樣的步驟，經光學聚焦系統聚焦後的極弱光進入分光光度計被展開成多光譜，該分光光度計將分光後的多光譜輸入至單光子計數器線陣，該線陣的每個單光子計數器對應一個特定波長的極弱光，對其進行探測採樣。
9.根據權利要求6所述的時間分辨極弱光多光譜成像方法，其特徵在於，所述步驟3進一步包含如下子步驟單光子計數器線陣中的每個單光子計數器每t時間間隔內對相應波長的光子進行計數，將該計數值作為單光子技術器線陣的測量值輸入最優化算法模塊；最優化算法模塊根據上步計數測量值、驅動控制模塊裡導出的隨機測量矩陣，分別通過最優化算法重建出各對應波長的光子密度圖像，反演出各波長的二維圖像，然後疊加還原出該時間間隔t內隨時間動態變化的彩色物體的彩色圖像；重複執行上述兩個步驟共M次，得到MXt時間段的M幅彩色二維圖像幀序列，輸出視頻幀。
10.根據權利要求6所述的時間分辨極弱光多光譜成像方法，其特徵在於，所述最優化算法為運用小波進行稀疏變換的可分離逼近的稀疏重建算法SpaRSA-DWT，該算法基於壓縮傳感理論，利用小波變換對各波長分量的單光子計數測量值進行稀疏化，並調整1ST算法每次迭代的步長係數％，使CitI逼近f(x)在Xt處的Hessian矩陣，並自適應地修改閾值， 依靠反覆迭代運算求解出對應的稀疏信號，最後反演出各波長的二維圖像；將所述各波長的二維圖像進行疊加，即可重現出彩色圖像，經過MX t時間後，共讀入M 幅極弱光對象彩色二維變化圖像，對應輸出M幅隨時間變化的彩色二維重建圖像視頻幀。
全文摘要
本發明提供一種時間分辨極弱光多光譜成像系統及方法，屬於極弱光多光譜成像領域，所述系統通過觸發器觸發確保時間分辨性，結合觸發器觸發技術、壓縮傳感理論、DLP數字光處理技術、分光技術、光纖耦合技術和單光子計數器線性陣列探測技術，實現對極弱光對象的多光譜高解析度的二維彩色成像。該系統由極弱光光源或自發光生物、觸發器、濾光片、光學成像系統、DMD微鏡陣列、光學聚焦收集系統、分光光度計、由若干對於不同波長的單光子計數器組成的單光子計數器線陣、驅動控制模塊和最優化算法模塊構成，靈敏度可達單光子水平，可廣泛應用於生物自發光檢測、醫療成像、數據採集、通信、天文、軍事、超光譜成像、量子測量等領域。
文檔編號G01J3/28GK102393248SQ201110328748
公開日2012年3月28日 申請日期2011年10月26日 優先權日2011年10月26日
發明者俞文凱, 王超, 翟光傑 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心