[发明专利]基于Hadamard矩阵变换的超分辨率单像素关联成像系统及方法

说明书

基于Hadamard矩阵变换的超分辨率单像素关联成像系统及方法，包括光源，由光源射出方向，依次设有目标、成像透镜、空间光调制器件、汇聚透镜、单像素探测器；所述的单像素探测器中处理后的信号由光电二极管放大器将模拟信号去噪并放大，再由数据采集卡完成模数转换和数字信号采集，将数字信号传输至计算机中，并与计算机中生成的Hadamard变换矩阵进行关联成像。本发明对光强的不稳定性不敏感，具有抵抗大气扰动、湍流等影响恶劣天气影响的能力，能够实现超分辨率成像。

技术领域

本发明涉及超分辨关联成像领域，具体涉及一种基于Hadamard矩阵变换的超分辨率单像素关联成像系统及方法。

背景技术

在光学领域中，由于光的衍射现象的存在，目前光学成像系统普遍存在着衍射受限的问题，这使得系统的成像分辨率受到极大的限制。随着纳米技术、医学成像技术等领域的显著发展，希望获得更高的空间分辨率的要求也变得更为突出。如何克服衍射限制超越传统光学系统的分辨极限，突破光学显微镜、遥感成像和天文探测等领域的性能瓶颈，实现亚波长的超分辨成像，提高成像系统分辨率的超分辨技术目前已成为所有成像科学领域都在进行的科学研究，是成像科学领域和现代光学高新技术领域重要的研究方向,也是光学界长期追求的目标。

目前在显微成像领域为了突破衍射极限，科研人员发明了受激辐射损耗显微镜、光激活定位显微镜、结构光照明荧光显微镜等一系列新型光学成像技术，极大地扩展了人类观测微小世界的能力。但是这些成像技术多采用时间换空间的方式，存在速度慢、需要荧光染色、外部激光激发，系统复杂，造价高等问题，使得这些超分辨显微镜在实际应用中存在一定局限性。而最近新起的单像素成像技术具有更好的探测特性、更高的探测效率和灵敏度。因此单像素成像在极弱光、大气湍流和散射介质条件下进行成像探测效果更优，目前基于Walsh-Hadamard变换方法的单像素成像在测量次数与被测图像的像素数相等时，能够完美恢复图像，但其成像分辨率依然受限于空间光调制器的像素分辨率和光学系统的衍射极限。因此，如何实现更高的成像分辨率成为研究的热点。

发明内容

本发明的目的是将Hadamard基图案的傅里叶滤波技术和光学非相干光场强度二阶自相关应用于超分辨成像领域，从而提供一种基于Hadamard基矩阵与其变换矩阵之间负相关关系的超分辨关联成像系统和方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于Hadamard矩阵变换的超分辨率单像素关联成像系统，包括光源，由光源射出方向，依次设有目标、成像透镜、空间光调制器件、汇聚透镜、单像素探测器；所述的单像素探测器中处理后的信号由光电二极管放大器将模拟信号去噪并放大，再由数据采集卡完成模数转换和数字信号采集，将数字信号传输至计算机中，并与计算机中生成的Hadamard变换矩阵进行关联成像。所述的光源为太阳光、激光、白炽灯光源、LED光源、卤素灯光源、红外光源，紫外光源或X射线。所述的成像透镜为凸透镜、凹面镜、望远镜、显微镜或相机镜头。所述的空间光调制器件为反射式数字微镜阵列DMD或液晶空间光调制器SLM或投影仪。所述的单点探测器为高灵敏度的光电偏压探测器或桶探测器。所述的光电二极管放大器为模拟信号放大器。所述的采集卡为将模拟信号转化成数字信号的模数转换器。

利用所述的基于Hadamard矩阵变换的超分辨单像素成像系统进行超分辨成像的方法，其步骤为：

1)光源发射出的光束照射到目标物体上，透射光或反射散射光通过焦距为F的透镜后，被空间光调制器所反射，然后经过汇聚透镜被单像素探测器所收集；物体到焦距为F的透镜的距离、焦距为F的透镜到空间光调制器反射面的距离与焦距为F的透镜的焦距满足高斯薄透镜成像关系；

2)根据空间光调制器中预先设置的Hadamard调制矩阵来进行频域高斯高通滤波，从而生成对应的Hadamard变换矩阵。其中根据调制矩阵的大小来设置阈值。所述的阈值设置方法为：选择对64×64像素大小的Hadamard基图案进行傅里叶高斯滤波，滤波阈值被选择为从30到5，步长为2，分别按照上述步骤进行模拟仿真，并观察其超分辨成像效果，选择超分辨最好的一组阈值作为实验阈值。