CN102901564A - 一种互补测量的时间分辨单光子光谱计数成像***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种互补测量的时间分辨单光子光谱计数成像***及方法。该***由光学部分和电学部分组成，光学部分将光成像在空间光调制器上，经调制将光出射至两臂方向，分别对其准直和分光，电学部分完成探测、控制和计算等。该方法采用可见光和近红外光单光子探测器线阵同时探测空间光调制器两臂出射光的光谱，一臂探测可见光光谱，一臂探测近红外光光谱，实现互补测量和最大光通量，灵敏度高；以时幅变换或延时计数门宽的方式实现周期对象皮秒级时间分辨，以逐帧测量方式实现非周期对象秒级时间分辨；根据矩阵互补，以关联的压缩传感算法同时获得可见光和近红外光的彩***帧序列，提高了成像质量和速度；并统计出时间分辨光谱图以便光谱分析。

Description

一种互补测量的时间分辨单光子光谱计数成像***及方法

技术领域

本发明涉及时间分辨成像光谱的技术领域，特别涉及一种互补测量的时间分辨单光子光谱计数成像***及方法。

背景技术

在时间分辨成像光谱、生物成分检测、星空探测、夜视、遥感成像、医疗成像、量子点成像等领域等高科技领域，现阶段对能够时间分辨地同时探测可见光光谱和近红外光光谱的需求越来越明显，加之传统时间分辨成像光谱仪具有空间分辨率和时间分辨率无法同时满足高精度的缺陷，且成像和光谱一般需要两个专门仪器设备才能完成，光谱的响应范围也十分有限，这就需要一种新的时间分辨成像***以提高时间分辨率、空间分辨率和光谱分辨率，并实现可见光和近红外光的同时探测。

本发明是基于前人工作的改进和创新。在该领域，本研究所已有一份专利《一种时间分辨极弱光多光谱成像***及方法》（申请号或专利号：201110328748.0，申请人或专利权人：中国科学院空间科学与应用研究中心），该专利是本所前人所做工作，目的是做时间分辨极弱光多光谱成像，其特征在于，该***仅在空间光调制器的单臂出射方向上设置有单光子计数器线阵，损失了一半的光通量，仅对观测对象的可见光成分做单光子级别的时间分辨极弱光多光谱成像，其提供的时间分辨方案依靠触发器实现，时间分辨精度差，只能达到秒级，而且仅能做成像分析，不能给出时间分辨光谱图，算法速度慢，成像质量较差，无法应对高分辨率的待测图像。为解决以上一系列的问题，本发明提出一种互补测量的时间分辨单光子光谱计数成像***及方法，以双臂探测实现互补测量和最小光损失，同时探测物体的可见光和近红外光光谱成分，探测器采用可见光和近红外光的单光子探测器线阵，灵敏度高，并以时幅变换或延时计数门宽的方式实现对极弱光对象的皮秒级时间分辨，以关联的压缩传感算法同时获得可见光和近红外光的彩***帧序列，提高了成像质量和速度，统计出时间分辨光谱图以便光谱分析，将在时间分辨成像光谱、生物医疗、量子点成像等领域中发挥重要作用。

光谱成像是获得和显示精确颜色信息的重要技术，原因之一是光谱图像包含了光谱信息，原因之二是光谱成像技术很好地克服了同色异谱现象。对极弱光对象的光谱成像更是在多种领域有广泛的应用前景。

所谓时间分辨就是分辨时间维度上的间隔，而超高时间分辨即指在观察物理和化学的瞬态过程并能分辨其时间，在液相中，很多物理和化学过程，如分子的顺-反异构和定向弛豫、电荷和质子的转移、激发态分子碰撞预解离、能量传递和荧光寿命以及电子在水中溶剂化等，仅需10^-8秒就能完成，只有通过皮秒的时间分辨精度的分析仪器才有可能及时地观察这些极快的过程。主流的时间分辨技术主要有荧光寿命成像(FLIM)、双光子荧光寿命显微成像、荧光寿命相关光谱(FCS)技术和多维度荧光寿命显微技术。在本发明中，就想在极短的时间间隔内进行光子探测。

光子计数成像就是一种极弱光探测技术，通过记录成像位置的光子计数，计数等效于光强信息，于是得到光强的空间分布情况，最后累计出一幅图像，一般采用弱光面元探测器，如ICCD、EMCCD、APDs等。面元探测器在对极弱光进行探测时需要曝光一定时间（即积分时间），平均到单位像素上的光通量极小，加上暗计数的影响，信噪比较差，极难准确推算落在该像元上的光强值，具有灵敏度的问题。其中ICCD、EMCCD都号称可以做到单光子探测，但需深度半导体制冷，成本昂贵，ICCD空间分辨率较差，时间分辨精度达到纳秒级别，而EMCCD空间分辨率稍好，但时间分辨仅达到毫秒量级，存在的共同问题都是弱光下很难对仪器噪声进行控制或线性输出；而APDs可以工作在盖革模式，但尚处在研究阶段，而且高精度的APD阵列很难制造和流片，林肯实验室对外公布的APD阵列也仅有64×256像素，对中国禁运，且目前的APD阵列波长响应范围十分有限，仅在中可视波段达到量子效率峰值，由于每个像素都极小，光通量必须平均分配在整个阵列上，那么散粒噪声的影响将变得十分显著。

虽然目前的单光子探测元件的响应光谱范围覆盖了红外、可见光等波段，但是对于单个单光子探测元件，它的响应光谱范围很窄，一般用来探测单一频率的光。现在多个单光子探测元件线性组合，便可用来探测多个波长的光，可做光谱分析。

所述压缩传感（Compressive Sensing，简称CS）理论是由Donoho、Candès和Tao等人提出的一个全新数学理论，实现以随机采样的方式、更少的数据采样数（远低于奈奎斯特/香农采样定理的极限）来完美地恢复信号，且具有更高鲁棒性。该原理先压缩采样，将被测信号由高维向低维映射并对其进行采样，选取合适的稀疏变换框架Ψ，使得x经Ψ变换所得向量

是稀疏的，然后根据观测数据y、测量矩阵A和框架Ψ，求解

最后由

反演出x。

所述空间光调制器（Spatial Light Modulator，简称SLM）是一类能将信息加载于一维或两维的光学数据场上，在随时间变化的电驱动信号或其它信号的控制下，可对空间上光分布的强度进行调制的实时光信息处理器件，可将按空间光调制器规定的角度入射的光以一定概率反射至两个方向，一般采用二值表征反射方向的状态，常见的空间光调制器有数字微镜器件、液晶光阀、毛玻璃等。其中，数字微镜器件（Digital Micro-mirror Device，简称DMD），是世界上最精密的光开关。DMD的核心是由成千上万个安装在铰链上的微反射镜组成的微镜阵列（主流的DMD由1024×768的阵列构成，最大可至2048×1152），每一镜片的尺寸为14μm×14μm（或16μm×16μm）并可以通断一个像素的光，这些微镜皆悬浮着，通过对每一个镜片下的存储单元都以二进制平面信号进行电子化寻址，便可让每个镜片以静电方式向两侧倾斜，把这两种状态记为1和0，分别对应“开”和“关”，当镜片不工作时，它们处于0°的“停泊”状态。基于空间光调制器能将入射光向两个方向反射的原理，在两臂反射方向分别设置可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵，以此同时获取可见光灰度信息和近红外光灰度信息，具有极好的发展前景。

如何实现对极弱光对象的高质量成像光谱测量，如何规避机械扫描对成像分辨率的制约，如何降低测量维度及测量规模，如何提高时间分辨精度，这对成像光谱提出新的挑战，本发明以高通量弥补现有技术在信噪比上的缺陷，以双臂探测实现可见光及近红外光的观测，以时幅变换或计数门宽延时的技术获得皮秒时间分辨，运用压缩传感理论来提高成像质量并减少测量规模。

发明内容

本发明的目的在于，为解决能够同时时间分辨地观测物体的可见光和近红外光成分在空间上的分布变化情况，提高时间分辨率、空间分辨率和光谱分辨率，以满足对物理化学生物瞬态变化过程观测的强烈需求，从而提出一种互补测量的时间分辨单光子光谱计数成像***及方法。

本发明结合压缩传感理论、互补测量技术、时间分辨技术和光谱分光技术，双臂探测，利用关联的压缩传感算法重建出观测对象的可见光和近红外光成分的彩***帧序列和时间分辨光谱图。

为实现上述目的，本发明提供了一种互补测量的时间分辨单光子光谱计数成像***，其特征在于，所述***包含：

脉冲激光器、光学成像部件、空间光调制器、第一组收光准直部件、第一组光谱分光部件、第二组收光准直部件、第二组光谱分光部件、可见光单光子探测器线阵、近红外光单光子探测器线阵、多通道计数器、随机数发生器、***控制平台、数据读写存储器和处理模块；

所述脉冲激光器每隔一段时间激发物体荧光，该荧光寿命具有一定瞬态性，该荧光经由光学成像部件成像在所述空间光调制器上，受其随机光调制后出射光以一定概率被分到两臂方向上；

所述第一组收光准直部件、第一组光谱分光部件和可见光单光子探测器线阵设置于第一臂方向上，用于探测可见光光谱输出若干脉冲波形；所述第二组收光准直部件、第二组光谱分光部件和近红外光单光子探测器线阵设置于第二臂方向上，用于探测近红外光光谱输出若干脉冲波形；

所述多通道探测器与所述可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵相连接收输入其中的脉冲波形，并对波形进行滤波、鉴别和累计计数尖峰个数；

所述***控制平台发送指令给随机数发生器，并控制整个***的运作；

所述随机数发生器的输出端与空间光调制器的输入端相连，采集自然界的随机源作为随机数源，将处理后的随机测量矩阵输出至空间光调制器；

所述数据读写存储器将多通道计数器上的若干组计数值、时间维度信息、通道对应波长信息与随机数发生器上的随机测量矩阵进行存储；

所述处理模块，用于根据数据读写存储器存储的信息采用重构算法重建出观测对象的可见光和近红外光成分的彩***帧序列和时间分辨光谱图，进而对任意感兴趣波长上时间分辨成像进行分析。

上述技术方案中，所述的可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵由若干个对应不同波长工作在盖革模式下的单光子点探测器组成的线性阵列，能够在可见光波段和近红外光波段分别选择若干个对应不同波长的单光子点探测元件，所述可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵所处的位置可互换，且所述可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵探测方式采用光纤准直或自由空间耦合方式。

上述技术方案中，所述***还包含延时器；

所述多通道计数器进一步包含：计数模块和时幅变换模块，用于实现计数和时间分辨功能；当采用光子到达时间方式获取时间分辨，则时幅变换模块使能，而所述延时器不使能；当采用延时计数门宽的方式，则时幅变换模块不使能，而所述延时器使能；

所述延时器，用于向多通道计数器中的计数模块发送门控信号，可延时门宽上升沿或下降沿的到达时间，该延时的时间段作为对应瞬态周期内的时间子段，该时间分辨精度达到20ps；

所述延时器可由多通道计数器中的时幅变换模块进行功能置换，该时间幅度变换模块用于将获得的光子的时间转化为电压形式并记录在对应通道中，并按光子到达时间将光子数分段划分，统计得到一个瞬态周期内各时间间隔内的多段累积计数，时间分辨精度达到5ps；

此外，在非周期变化的待测对象的情况下，设物体在某一较短时间内几乎保持不变，采用逐帧测量的方式，即测完某一时间内的可见光和近红外光光谱后再测下一时间内的，时间分辨精度达到秒级。

上述技术方案中，所述***控制平台进一步包含：

使能控制模块，用于控制各部件的使能，即发送驱动使能信号发给上述各部件使其开始正常工作；

同步控制模块，用于实现激光脉冲和光子计数之间的同步；和

矩阵变换模块，用于控制随机阵列的变换和其上随机矩阵的更替并在瞬态周期开始前或结束后进行相应调整。

上述技术方案中，所述的第一组光谱分光部件和第二组光谱分光部件均包括：光准直部分、分光部分、角度测量部分、光度观察和测量部分；

所述空间光调制器是指在随时间变化的信号的控制下，对空间上光分布的强度进行调制的实时光信息处理器件，可将按空间光调制器规定的角度入射的光以一定概率反射至两个方向，其方向并不需要是某个固定角度，能够限定在一定角度范围内，所述随机光调制是指空间光调制器上的调制矩阵的是真随机的，一般采用二值表征反射方向的状态；

当极弱光光强超出单光子探测器线阵的探测范围时，需在可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵前的任意光路位置上设置衰减片，用于将光衰减到单光子探测器线阵的探测范围。

基于上述***本发明还提供了一种互补测量的时间分辨单光子光谱计数成像方法，所述方法包含：

步骤101）脉冲激光器每隔一段时间将激光打在物体上，激发物体发出荧光，该荧光作为极弱光对象，所述荧光由光学成像部件成像在空间光调制器上，空间光调制器依据随机测量矩阵对其进行随机光调制后以将光分配到两臂出射方向上；

步骤102）利用可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵进行双臂同时探测可见光和近红外光波段的光谱带，以光子计数作为测量值；

步骤103）依据所述测量值、时间维度信息与随机测量矩阵通过压缩传感算法重建物体的可见光和近红外光成分的彩***帧序列，并输出时间分辨光谱图用于光谱分析。

上述技术方案中，所述步骤101）由空间光调制器对入射至其上的光进行随机光调制，使得两路出射光分别以一定概率投向后续的第一组收光准直部件和可见光单光子探测器线阵及第二组收光准直部件和近红外光单光子探测器线阵，进行双臂探测，其中单看某个时间子段，采样数M远小于该时间子段内的信号维度N，以完成被测信号在可见光波段和近红外光波段的同时压缩采样。

上述技术方案中，步骤103）所述的时间分辨光谱图所采用的时间分辨策略为如下两种中的一种：

策略一，可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵处于常开状态，空间光调制器固定一帧，以激光的脉冲波形作为参考脉冲，开启激光，激发物体荧光，将荧光光子到达时间以电压形式记录在相应的通道中，按光子达到时间将光子数进行分段划分，统计出一个周期内d个时间子段的累计计数，然后空间光调制器上随机阵列变换到下一帧，重复上述操作，变换M次，则每个时间子段内便相应有M个计数，分别对应M个随机测量矩阵及其互补矩阵，并对每个时间子段做算法重建，捕捉一个周期内成分分布的瞬态变化过程；若光强极弱，则多次测量累加相应计数；

策略二，可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵处于常开状态，空间光调制器固定一帧，开启激光，激发物体荧光，通过延时器向多通道计数器中的计数模块发送门控信号，以延时门宽上升沿或下降沿的到达时间，该延时时长作为瞬态周期内的时间子段，在每次瞬态周期内仅探测一次，门宽延时后再探测一次，两次的计数值差值作为时间子段内的计数值，依此法得到整个周期内d个时间子段的累计计数，然后空间光调制器上随机阵列变换到下一帧，重复上述操作，变换M次，则每个时间子段内便相应有M个计数，分别对应M个随机测量矩阵及其互补矩阵，对每个时间子段做算法重建，捕捉一个周期内成分分布的瞬态变化过程；若光强极弱，则多次测量累加相应计数。

上述技术方案中，所述重建算法采用稀疏重建算法，具体策略为：

在每个时间子段内，在可见光和近红外光中各任取一组测量值y和y′，其中y_i和

分别对应随机矩阵a_i和矩阵的补

即I-a，将a_i和

分别拉伸至一行，分别作为该时间子段内可见光测量矩阵A和近红外光测量矩阵A′中的第i行，测量M次，两个测量矩阵都共计M行，设可见光和近红外光单光子探测器线阵分别有P个点和Q个点，则两臂的测量值分别有P组和Q组，每组都共计M维，若在每个时间子段内的两臂各特定地选取3组数据，利用关联的压缩传感算法便可重建出该时间子段内的观测对象在可见光波段和近红外光波段的彩色图像，其中近红外光波段的彩色图像是标记出来的，即按波长从大到小选取三种红外波长标识为红绿蓝三原色；若任取一组数据便可进行该波长的成分分析；结合时间维度信息，便可得到可见光成分和近红外光成分的空间分布动态变化的彩***帧序列。

上述技术方案中，将各时间子段内各通道的计数进行统计，将光子计数换算成光功率，结合各通道所对应的波长信息和时间维度信息，便可统计出一个时间分辨光谱图，进而获得观测物体特征峰的变化情况。

与现有技术相比本发明的优点在于：本发明以压缩传感理论、互补测量技术、时间分辨技术和光谱分光技术为基础，以可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵作为探测元件，对空间光调制器上的反射光进行双臂探测，以获取光谱维、时间维度等信息参量，并利用光谱维上的强度即光子计数信息反演出空间二维信息，极大节省探测维度，这样提高了光通量，信噪比也随之提高，而且这种算出来的空间分辨精度远大于面元探测器所能获得的空间分辨精度，成像质量更高，利用这种方法可以实现成像和光谱同时获得，也不再需要利用扫描来获得相关维度信息；同时利用时幅变换或延时计数门宽的方式获取皮秒时间分辨精度；采用互补测量的方式，可见光和近红外光探测可同时进行，波长覆盖范围广，而改进的关联压缩传感算法利用测量矩阵互补的特点缩小了计算量，提高算法重建精度，并能计算像素更大的图像。

基于以上优点和创新点，本发明可广泛应用于时间分辨成像光谱、生物成分检测、星空探测、夜视、遥感成像、医疗成像、量子点成像等领域。

附图说明

图1是本发明的互补测量的时间分辨单光子光谱计数成像***的结构示意图；

图2是本发明实施例的模拟实验结果，未注射前、注射后30秒、注射后4分钟的红绿蓝三原色分解与重建；其中，图2第1、3、5行分别为注射前、注射后30秒和注射后4分钟的视频帧，图2第2、4、6行分别是注射前、注射后30秒和注射后4分钟的重建视频帧；图2前3列为可见光视频帧按R、G、B分解所得分量，图2后3列为近红外光视频帧按R、G、B分解所得分量；

图3是本发明实施例的模拟实验结果，未注射前、注射后30秒、注射后4分钟的可见光、红外光与两种的符合图像；其中，(a)、(b)、(c)从左到右依次为可见光下注射前、注射后30秒和注射后4分钟的重建彩***帧，(d)、(e)、(f)从左到右依次为近红外光下注射前、注射后30秒和注射后4分钟的重建彩***帧，(g)、(h)、(i)从左到右依次为注射前、注射后30秒和注射后4分钟的可见光图像与近红外光图像进行融合得到的彩***帧；

图4是本发明实施例的模拟实验结果，时间分辨光谱图。

附图标识

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种互补测量的时间分辨单光子光谱计数成像***，该***主要基于压缩传感理论，用于对具有瞬态周期性的动态变化的物体的可见光和近红外光成分同时光谱成像，输出按时间顺序排列的彩***帧序列，统计出时间分辨光谱图以便光谱分析，所述***包含：脉冲激光器、光学成像部件、空间光调制器、两组收光准直部件、两组光谱分光部件、可见光单光子探测器线阵、近红外光单光子探测器线阵、多通道计数器、随机数发生器、延时器、***控制平台、数据读写存储器、处理模块；

光学部分：脉冲激光器每隔一段时间激发物体荧光，该荧光寿命具有一定瞬态性，该荧光由光学成像部件成像在空间光调制器(SLM)上，受其随机光调制，出射光以一定概率分到两臂方向上，分别利用收光准直部件使得进入后续光谱分光部件的光变成近似平行光，再由两组光谱分光部件将可见光和近红外光波段的光谱分别投射在见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵上，进行同时探测；

电学部分：可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵常开，每次探测输出若干脉冲波形，分别输入到多通道计数器上的若干个计数通道上，进行滤波、鉴别和累计计数尖峰个数；激光的脉冲波形作为多通道计数器上时幅变换模块的参考脉冲输入；可选的，延时器的输出端与多通道计数器上的计数模块相连，用于控制计数的门宽；***控制平台发送指令给随机数发生器和延时器，并控制整个***电学部分的正常运作；其中随机数发生器的输出端与空间光调制器的输入端相连，采集自然界的随机源作为随机数源，将处理后的随机测量矩阵输出至空间光调制器；多通道计数器上的若干组计数值、时间维度信息、通道对应波长信息与随机数发生器上的随机测量矩阵一起作为数据读写存储器的输入，数据读写存储器用于将数据读写暂存；数据流向算法模块，处理模块根据这些数据重建出观测对象的可见光和近红外光成分的彩***帧序列和时间分辨光谱图，可对任意感兴趣波长上时间分辨成像进行分析。

所述的单光子探测器线阵是由若干个对应不同波长工作在盖革模式下的单光子点探测器组成的线性阵列，具备单光子分辨能力，在可见光波段和近红外光波段分别选择若干个对应不同波长的单光子点探测元件，可搭配多组滤光片使用，在可见光范围的组成一个线阵，近红外光范围的组成另一个线阵，分别设置在空间光调制器的两臂出射方向，两者位置可互换，探测方式可采用光纤准直或自由空间耦合方式；所述单光子探测器线阵也可由雪崩二极管（APD）阵列使能某一行或某一列获得。

多通道计数器上有计数模块和时幅变换模块，实现计数和时间分辨功能，若采用光子到达时间方式获取时间分辨，则时幅变换模块使能，而延时器不使能；若采用延时计数门宽的方式，则时幅变换模块不使能，而延时器使能；

延时器，用于向多通道计数器中的计数模块发送门控信号，可延时门宽上升沿或下降沿的到达时间，该延时的时间段作为对应瞬态周期内的时间子段，该时间分辨精度为20ps；

所述延时器可由多通道计数器中的时幅变换模块进行功能置换，该时间幅度变换模块用于将获得的光子的时间转化为电压形式并记录在对应通道中，并按光子到达时间将光子数分段划分，统计得到一个瞬态周期内各时间间隔内的多段累积计数，时间分辨精度为5ps；

在针对时间分辨精度要求不高的非周期变化对象的情况下，设物体在某一较短时间内几乎保持不变，经较长时间才逐渐改变，可采用逐帧测量的方式，即测完某一时间内的可见光和近红外光光谱后再测下一时间内的，时间分辨精度为秒级。

所述***控制平台，用于包括各部件的使能，即发送驱动使能信号发给上述各部件使其开始正常工作；并实现激光脉冲和光子计数之间的同步；且用于控制随机阵列的变换和其上随机矩阵的更替并在瞬态周期开始前或结束后进行相应调整。

所述的光谱分光部件包括：光准直部分、分光部分、角度测量部分、光度观察和测量部分，用于光谱分光和测量分析，一般采用棱镜分光或光栅分光；收光准直部件配合其使用，用于将空间光调制器某一臂方向上的出射光全部收集并初步准直；

所述空间光调制器是指在随时间变化的电驱动信号或其它信号的控制下，可对空间上光分布的强度进行调制的实时光信息处理器件，可将按空间光调制器规定的角度入射的光以一定概率反射至两个方向，其方向并不需要是某个固定角度，可限定在一定角度范围内，所述随机光调制是指空间光调制器上的调制矩阵的是真随机的，一般采用二值表征反射方向的状态，常见的空间光调制器有数字微镜器件(DMD)、液晶光阀、毛玻璃等；

可选的，当极弱光光强超出单光子探测器线阵的探测范围时，需在单光子探测器线阵前的任意光路位置上设置合适的衰减片，用于将光衰减到单光子探测器线阵的探测范围，若极弱光光强已经在单光子探测器线阵的探测范围内，则无需再设置衰减片。

本发明还提出一种互补测量的时间分辨单光子光谱计数成像方法，该方法采用了压缩传感理论、互补测量技术、时间分辨技术和光谱分光技术，利用可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵进行双臂同时探测可见光和近红外光波段的光谱带，以光子计数作为测量值，通过压缩传感算法便可重建出物体的可见光和近红外光成分的彩***帧序列，并输出时间分辨光谱图用于光谱分析，所述方法包含如下步骤：

步骤1，用于压缩采样的步骤：

由空间光调制器对入射至其上的光进行随机光调制，使得两路出射光分别以一定概率投向后续的收光准直部件和单光子探测器线阵，进行双臂探测，单看某个时间子段，采样数M远小于该时间子段内的信号维度N，以完成被测信号在可见光波段和近红外光波段的同时压缩采样；

步骤2，用于时间分辨的步骤，可采用以下两种策略中的任意一种：

策略一，单光子探测器线阵常开，空间光调制器固定一帧，以激光的脉冲波形作为时间幅度变换模块的参考脉冲，开启激光，激发物体荧光，时间幅度变换模块将光子到达时间以电压形式记录在相应的通道中，按光子达到时间将光子数进行分段划分，统计出一个周期内d个时间子段的累计计数，然后空间光调制器上随机阵列变换到下一帧，重复上述操作，变换M次，则每个时间子段内便相应有M个计数，分别对应M个随机测量矩阵及其互补矩阵，分别对每个时间子段做算法重建，便可捕捉到一个周期内成分分布的瞬态变化过程；若光强极弱，则多次测量累加相应计数；

策略二，单光子探测器线阵常开，空间光调制器固定一帧，开启激光，激发物体荧光，通过延时器向多通道计数器中的计数模块发送门控信号，以延时门宽上升沿或下降沿的到达时间，该延时时长作为瞬态周期内的时间子段，在每次瞬态周期内仅探测一次，门宽延时后再探测一次，两次的计数值差值作为时间子段内的计数值，依此法得到整个周期内d个时间子段的累计计数，然后空间光调制器上随机阵列变换到下一帧，重复上述操作，变换M次，则每个时间子段内便相应有M个计数，分别对应M个随机测量矩阵及其互补矩阵，分别对每个时间子段做算法重建，便可捕捉到一个周期内成分分布的瞬态变化过程；若光强极弱，则多次测量累加相应计数；

步骤2，用于稀疏重建的步骤：

在每个时间子段内，在可见光和近红外光中各任取一组测量值y和y′，其中y_i和分别对应随机矩阵a_i和矩阵的补

即I-a，将a_i和

分别拉伸至一行，分别作为该时间子段内可见光测量矩阵A和近红外光测量矩阵A′中的第i行，测量M次，两个测量矩阵都共计M行，设可见光和近红外光单光子探测器线阵分别有P个点和Q个点，则两臂的测量值分别有P组和Q组，每组都共计M维，若在每个时间子段内的两臂各特定地选取3组数据，利用关联的压缩传感算法便可重建出该时间子段内的观测对象在可见光波段和近红外光波段的彩色图像，其中近红外光波段的彩色图像是标记出来的，即按波长从大到小选取三种红外波长标识为红绿蓝三原色；若任取一组数据便可进行该波长的成分分析；结合时间维度信息，便可得到可见光成分和近红外光成分的空间分布动态变化的彩***帧序列。

将各时间子段内各通道的计数进行统计，将光子计数换算成光功率，结合各通道所对应的波长信息和时间维度信息，便可统计出一个时间分辨光谱图，进而获得观测物体特征峰的变化情况。

其数学模型如下：

在瞬态周期的某个时间子段内，可见光范围和近红外光范围各任取一个特定波长，分别将这两波长下的信号假想为列向量：x_p,

则采样过程可看作两组测量矩阵与两特定波长信号作内积的过程，得到两组观测向量y_pi，

i=1,2,...,M,p=1,2,...,P,q=1,2,...,Q，其中A,（K<M＜＜N），e,是***噪声，如果x是可压缩或可稀疏表达的，则

其中Ψ=[ψ₁,ψ₂,...,ψ_N]是稀疏变换矩阵（即稀疏框架），

即关联稀疏度，那么，压缩采样的过程可以描述为下式：

$[y_p,y_q^{\&prime;}]=[\mathrm{A\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_p+e,A^{\&prime;}\mathrm{\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_q^{\&prime;}+e^{\&prime;}]$

其中AΨ,A′Ψ均需满足Restricted Isometry Property（RIP），A,A′与Ψ需不相关，由于A,A′互补，为满足上述条件，本发明中仅需将A设置为二值随机测量矩阵；

所述的稀疏重建是在已知观测数据y_p,

和测量矩阵A,A′的条件下求解x_p,

这是一个NP-hard问题，但转化为l1范数或l2范数问题，便可用压缩传感的思想进行求解，算法可分许多种类型，作为范例，取其中一种常见表述方式，描述为下式：

$\underset{{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_p}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y_p-\mathrm{A\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_p\left|\right|}_2^2+\mathrm{\&tau;}{\left|\right|{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_p\left|\right|}_1,\underset{{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_q^{\&prime;}}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y_q^{\&prime;}-A^{\&prime;}\mathrm{\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_q^{\&prime;}\left|\right|}_2^2+\mathrm{\&tau;}{\left|\right|{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_q^{\&prime;}\left|\right|}_1$

其中‖…‖_l代表范数算符，

仅需M≤O(K·log(N/K))次测量，便可反演出待测物体在可见光波段和近红外光波段两个特定波长下的光强空间分布信息x_p和

若可见光和近红外光波段各自特定地选取3组测量数据，重复使用上述模型，采用三原色原理便可重建出该时间子段内可见光和近红外光波段的彩色图像，加上时间维度信息，便可重建出可见光和近红外光的彩***帧序列。

可选的，所述压缩传感算法包括：贪心重建算法、匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l₀重建算法、l₁重建算法、l₂重建算法等；算法的核心思想是相通的，在于交替最小化和更新乘子，在算的技巧上会略有区别，以TV算法为例作算法核心思想说明：

TV模型为：

s.t.Au=b

等价于s.t.Au=b且D_iu=w_i；

相应的增广拉格朗日问题为：

$\underset{w_i,u}{\min }\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}({\left|\right|w_i\left|\right|}_2-v_i^T(D_{i}u-w_i)+\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}{\left|\right|D_{i}u-w_i\left|\right|}_2^2)-{\mathrm{\&lambda;}}^T(\mathrm{Au}-b)+\frac{\mathrm{\&mu;}}{2}{\left|\right|\mathrm{Au}-b\left|\right|}_2^2$

输入b,A,μ，β>0，初始化u=b；

当没有收敛时，通过交替方向方案（alternating direction scheme）来近似最小化增广拉格朗日功能函数，并不断更新乘子，即重复以下三步操作：

步骤(1)固定u不变，按下式计算w

$w_i=\max \{{\left|\right|D_{i}u-v_i/\mathrm{\&beta;}\left|\right|}_2-\frac{1}{\mathrm{\&beta;}},0\}\frac{D_{i}u-v_i/\mathrm{\&beta;}}{{\left|\right|D_{i}u-v_i/\mathrm{\&beta;}\left|\right|}_2}$

步骤(2)固定w不变，按下式计算u

$u=F^{-1}\left(\frac{F\left(D^{\left(1\right)}\right)*\mathrm{oF}\left(w_1\right)+F{\left(D^{\left(2\right)}\right)}^{*}\mathrm{oF}\left(w_2\right)+(\mathrm{\&mu;}/\mathrm{\&beta;})F{\left(A\right)}^{*}\mathrm{oF}\left(b\right)}{F\left(D^{\left(1\right)}\right)*\mathrm{oF}\left(D^{\left(1\right)}\right)+F{\left(D^{\left(2\right)}\right)}^{*}\mathrm{oF}\left(D^{\left(2\right)}\right)+(\mathrm{\&mu;}/\mathrm{\&beta;})F{\left(A\right)}^{*}\mathrm{oF}\left(A\right)}\right)$

其中，D⁽¹⁾和D⁽²⁾分别是一阶有限矩阵水平差异和垂直差异，F为二维离散傅里叶变换，*表示复数共轭，o表示数乘；

步骤(3)更新乘子：

$v_i\&LeftArrow;v_i-\mathrm{\&beta;}(D_i\hat{u}-{\hat{w}}_i),$ $\mathrm{\&lambda;}\&LeftArrow;\mathrm{\&lambda;}-\mathrm{\&mu;}(A\hat{u}-b).$

所述的关联的压缩传感算法是基于每个时间子段内的可见光和近红外光光谱所对应的两个测量矩阵是互补的而提出的，核心算法思想在于将单位阵看作测量矩阵参与运算，在所述的算法思想的基础上加入修正参数，所得值再与x_p做符合运算，便得到

极大简便运算，缩小存储空间，可见光信号x_p与近红外光信号

可同时获得，每个时间子段内的其它波长数据依法炮制，再加上时间维度信息，最终得到物体可见光和近红外光成分的彩***帧序列。

如图1所示，脉冲激光器1每隔一段时间激发物体荧光，该荧光寿命具有一定瞬态性，该荧光由光学成像部件2成像在空间光调制器3上，受其随机光调制，出射光以一定概率分到两臂方向上，分别利用第一组收光准直部件4和第二组收光准直部件5同时使得进入后续第一组光谱分光部件6和第二组光谱分光部件7的光变成近似平行光，第一组光谱分光部件6和第二组光谱分光部件7将可见光和近红外光波段的光谱分别投射在见光单光子探测器线阵8和近红外光单光子探测器线阵9上，进行同时探测，需要说明的是，该两个线阵的位置可互换；令可见光单光子探测器线阵8和近红外光单光子探测器线阵9常开，每次探测输出若干脉冲波形，分别输入到多通道计数器10上的若干个计数通道上，进行滤波、鉴别和累计计数尖峰个数；脉冲激光器1的脉冲波形作为多通道计数器10上时幅变换模块的参考脉冲输入；可选的，延时器12的输出端与多通道计数器10上的计数模块相连，用于控制计数的门宽；***控制平台13发送指令给随机数发生器11和延时器12，并控制整个***电学部分的正常运作；其中随机数发生器11的输出端与空间光调制器3的输入端相连，采集自然界的随机源作为随机数源，将处理后的随机测量矩阵输出至空间光调制器3；多通道计数器10上的若干组计数值、时间维度信息、通道对应波长信息与随机数发生器11上的随机测量矩阵一起作为数据读写存储器14的输入，数据读写存储器14主要用于将数据读写暂存；数据流向处理模块15，处理模块15根据这些数据重建出观测对象的可见光和近红外光成分的彩***帧序列和时间分辨光谱图，可对任意感兴趣波长上时间分辨成像进行分析。

需要说明的是，当极弱光光强超出可见光单光子探测器线阵8和近红外光单光子探测器线阵9的探测范围时，需在单光子探测器线阵前的任意光路位置上设置合适的衰减片，用于将光衰减到单光子探测器线阵的探测范围，若极弱光光强已经在单光子探测器线阵的探测范围内，则无需再设置衰减片。

所述的时间分辨，可采用以下两种策略中的任意一种：

策略一，单光子探测器线阵常开，空间光调制器3固定一帧，以脉冲激光器1的脉冲波形作为时间幅度变换模块的参考脉冲，发射激光，激发物体荧光，时间幅度变换模块将光子到达时间以电压形式记录在相应的通道中，按光子达到时间将光子数进行分段划分，统计出一个周期内d个时间子段的累计计数，然后空间光调制器4上随机阵列变换到下一帧，重复上述操作，变换M次，则每个时间子段内便相应有M个计数，分别对应M个随机测量矩阵及其互补矩阵，分别对每个时间子段做算法重建，便可捕捉到一个周期内成分分布的瞬态变化过程；若光强极弱，则多次测量累加相应计数；

策略二，单光子探测器线阵常开，空间光调制器3固定一帧，发射激光，激发物体荧光，通过延时器向多通道计数器中的计数模块发送门控信号，以延时门宽上升沿或下降沿的到达时间，该延时时长作为瞬态周期内的时间子段，在每次瞬态周期内仅探测一次，门宽延时后再探测一次，两次的计数值差值作为时间子段内的计数值，依此法得到整个周期内d个时间子段的累计计数，之后的步骤与策略一相同。

需要说明的是，在针对时间分辨精度要求不高的非周期变化对象的情况下，设物体在某一较短时间内几乎保持不变，经较长时间才逐渐改变，可采用逐帧测量的方式，即测完某一时间内的可见光和近红外光光谱后再测下一时间内的，时间分辨精度为秒级。

实际上许多生物体都存在着超微弱光辐射现象，这种超微弱生物自发荧光，与生物的许多功能、生理过程都有联系，可反映生物体代谢过程的变化。例如，吞噬细胞在吞噬异物时、细胞有丝***时、细胞癌变的过程中，都伴有发光或超微弱发光现象。生物中也经常会加入荧光标记或用量子点的方法精确定位感兴趣的生理变化过程。

图2、图3是本发明实施例的模拟实验结果，目的是验证算法的可行性，该算法主要针对彩色图像，大小均为200×200，原始可见光视频帧序列和近红外光视频帧序列来自Sungjee Kim,Yong Taik Lim,Edward G Soltesz,Alec M De Grand,JaihyoungLee,Akira Nakayama,J Anthony Parker,Tomislav Mihaljevic,Rita G Laurence,DelphineM Dor,Lawrence H Cohn,Moungi G Bawendi & John V Frangioni,Near-infraredfluorescent type II quantum dots for sentinel lymph node mapping,nature biotechnology，2004,22(1):93-97。图例为在猪的右腹股沟真皮内注射400pmol的近红外光量子点(NIR QDs)前后的自荧光随时间的变化情况，图2第1、3、5行分别为注射前、注射后30秒和注射后4分钟的视频帧，图2第2、4、6行分别是注射前、注射后30秒和注射后4分钟的重建视频帧。图2前3列为可见光视频帧按R、G、B分解所得分量，图2后3列为近红外光视频帧按R、G、B分解所得分量。图3(a)、图3(b)、图3(c)从左到右依次为可见光下注射前、注射后30秒和注射后4分钟的重建彩***帧，图3(d)、图3(e)、图3(f)从左到右依次为近红外光下注射前、注射后30秒和注射后4分钟的重建彩***帧，图3(g)、图3(h)、图3(i)从左到右依次为注射前、注射后30秒和注射后4分钟的可见光图像与近红外光图像进行融合得到的彩***帧。该实施例表明，这种可见光和近红外光成分变化相结合的观察可以定位病灶具***置，有助于医疗手术的发展，本实例为说明本发明在未来的生物医疗和量子点成像中将发挥重要作用。

图4也是本发明实施例的模拟实验结果，为模拟的时间分辨光谱图，空间光调制器的波长响应范围覆盖了可见光和近红外光范围，对反射光进行双臂探测，将对应可见光和近红外光各时间子段各通道内的计数进行统计，将光子计数换算成光功率，代表光强信息，同时结合各通道所对应的波长信息和时间维度信息，便可统计出一个时间分辨光谱图，在皮秒时间分辨精度上直观地分析出光谱强度随时间的变化情况，进而获得观测物体特征峰的变化情况。

最后需要说明的是，具体实施方式中所述算法已经经过大量实验数据验证，是真实可靠的，搭配硬件便可实现本发明的技术方案。所述所有实施例仅为对本发明进行进一步详细说明，并非绝对，可相应扩展。本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改、添加、删减或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种互补测量的时间分辨单光子光谱计数成像***，其特征在于，所述***包含：

脉冲激光器、光学成像部件、空间光调制器、第一组收光准直部件、第一组光谱分光部件、第二组收光准直部件、第二组光谱分光部件、可见光单光子探测器线阵、近红外光单光子探测器线阵、多通道计数器、随机数发生器、***控制平台、数据读写存储器和处理模块；

所述脉冲激光器每隔一段时间激发物体荧光，该荧光经由光学成像部件成像在所述空间光调制器上，受其随机光调制后出射光被分到两臂方向上；

所述第一组收光准直部件、第一组光谱分光部件和可见光单光子探测器线阵设置于第一臂方向上，用于探测可见光光谱输出若干脉冲波形；所述第二组收光准直部件、第二组光谱分光部件和近红外光单光子探测器线阵设置于第二臂方向上，用于探测近红外光光谱输出若干脉冲波形；

所述多通道探测器与所述可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵相连接收输入其中的脉冲波形，并对波形进行滤波、鉴别和累计计数尖峰个数；

所述***控制平台发送指令给随机数发生器，并控制整个***的运作；

所述随机数发生器的输出端与空间光调制器的输入端相连，采集自然界的随机源作为随机数源，将处理后的随机测量矩阵输出至空间光调制器；

所述数据读写存储器将多通道计数器上的若干组计数值、时间维度信息、通道对应波长信息与随机数发生器上的随机测量矩阵进行存储；

所述处理模块，用于根据数据读写存储器存储的信息采用重构算法重建出观测对象的可见光和近红外光成分的彩***帧序列和时间分辨光谱图，进而对任意感兴趣波长上时间分辨成像进行分析。

2.根据权利要求1所述的互补测量的时间分辨单光子光谱计数成像***，其特征在于，所述的可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵由若干个对应不同波长工作在盖革模式下的单光子点探测器组成的线性阵列，能够在可见光波段和近红外光波段分别选择若干个对应不同波长的单光子点探测元件，所述可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵所处的位置可互换，且所述可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵探测方式采用光纤准直或自由空间耦合方式。

3.根据权利要求1所述的互补测量的时间分辨单光子光谱计数成像***，其特征在于，所述***还包含延时器；

所述多通道计数器进一步包含：计数模块和时幅变换模块，用于实现计数和时间分辨功能；当采用光子到达时间方式获取时间分辨，则时幅变换模块使能，而所述延时器不使能；当采用延时计数门宽的方式，则时幅变换模块不使能，而所述延时器使能；

所述延时器，用于向多通道计数器中的计数模块发送门控信号，可延时门宽上升沿或下降沿的到达时间，该延时的时间段作为对应瞬态周期内的时间子段，该时间分辨精度达到20ps；

所述延时器可由多通道计数器中的时幅变换模块进行功能置换，该时间幅度变换模块用于将获得的光子的时间转化为电压形式并记录在对应通道中，并按光子到达时间将光子数分段划分，统计得到一个瞬态周期内各时间间隔内的多段累积计数，时间分辨精度达到5ps；

此外，在非周期变化的待测对象的情况下，设物体在某一较短时间内几乎保持不变，采用逐帧测量的方式，即测完某一时间内的可见光和近红外光光谱后再测下一时间内的，时间分辨精度达到秒级。

4.根据权利要求1所述的互补测量的时间分辨单光子光谱计数成像***，其特征在于，所述***控制平台进一步包含：

使能控制模块，用于控制各部件的使能，即发送驱动使能信号发给上述各部件使其开始正常工作；

同步控制模块，用于实现激光脉冲和光子计数之间的同步；和

矩阵变换模块，用于控制随机阵列的变换和其上随机矩阵的更替并在瞬态周期开始前或结束后进行相应调整。

5.根据权利要求1所述的互补测量的时间分辨单光子光谱计数成像***，其特征在于，所述的第一组光谱分光部件和第二组光谱分光部件均包括：光准直部分、分光部分、角度测量部分、光度观察和测量部分；

所述空间光调制器是指在随时间变化的信号的控制下，对空间上光分布的强度进行调制的实时光信息处理器件，可将按空间光调制器规定的角度入射的光以一定概率反射至两个方向，其方向并不需要是某个固定角度，能够限定在一定角度范围内，所述随机光调制是指空间光调制器上的调制矩阵的是真随机的，一般采用二值表征反射方向的状态；

当极弱光光强超出单光子探测器线阵的探测范围时，需在可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵前的任意光路位置上设置衰减片，用于将光衰减到单光子探测器线阵的探测范围。

6.一种互补测量的时间分辨单光子光谱计数成像方法，所述方法包含：

步骤101）脉冲激光器每隔一段时间将激光打在物体上，激发物体发出荧光，该荧光作为极弱光对象，所述荧光由光学成像部件成像在空间光调制器上，空间光调制器依据随机测量矩阵对其进行随机光调制后以将光分配到两臂出射方向上；

步骤102）利用可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵进行双臂同时探测可见光和近红外光波段的光谱带，以光子计数作为测量值；

步骤103）依据所述测量值、时间维度信息与随机测量矩阵通过压缩传感算法重建物体的可见光和近红外光成分的彩***帧序列，并输出时间分辨光谱图用于光谱分析。

7.根据权利要求6所述的互补测量的时间分辨单光子光谱计数成像方法，其特征在于，所述步骤101）由空间光调制器对入射至其上的光进行随机光调制，使得两路出射光分别以一定概率投向后续的第一组收光准直部件和可见光单光子探测器线阵及第二组收光准直部件和近红外光单光子探测器线阵，进行双臂探测，其中单看某个时间子段，采样数M远小于该时间子段内的信号维度N，以完成被测信号在可见光波段和近红外光波段的同时压缩采样。

8.根据权利要求6所述的互补测量的时间分辨单光子光谱计数成像方法，其特征在于，步骤103）所述的时间分辨光谱图所采用的时间分辨策略为如下两种中的一种：

策略一，可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵处于常开状态，空间光调制器固定一帧，以激光的脉冲波形作为参考脉冲，开启激光，激发物体荧光，将荧光光子到达时间以电压形式记录在相应的通道中，按光子达到时间将光子数进行分段划分，统计出一个周期内d个时间子段的累计计数，然后空间光调制器上随机阵列变换到下一帧，重复上述操作，变换M次，则每个时间子段内便相应有M个计数，分别对应M个随机测量矩阵及其互补矩阵，并对每个时间子段做算法重建，捕捉一个周期内成分分布的瞬态变化过程；若光强极弱，则多次测量累加相应计数；

策略二，可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵处于常开状态，空间光调制器固定一帧，开启激光，激发物体荧光，通过延时器向多通道计数器中的计数模块发送门控信号，以延时门宽上升沿或下降沿的到达时间，该延时时长作为瞬态周期内的时间子段，在每次瞬态周期内仅探测一次，门宽延时后再探测一次，两次的计数值差值作为时间子段内的计数值，依此法得到整个周期内d个时间子段的累计计数，然后空间光调制器上随机阵列变换到下一帧，重复上述操作，变换M次，则每个时间子段内便相应有M个计数，分别对应M个随机测量矩阵及其互补矩阵，对每个时间子段做算法重建，捕捉一个周期内成分分布的瞬态变化过程；若光强极弱，则多次测量累加相应计数。

9.根据权利要求6所述的互补测量的时间分辨单光子光谱计数成像方法，其特征在于，所述重建算法采用稀疏重建算法，具体策略为：

在每个时间子段内，在可见光和近红外光中各任取一组测量值y和y′，其中y_i和分别对应随机矩阵a_i和矩阵的补

即I-a，将a_i和

分别拉伸至一行，分别作为该时间子段内可见光测量矩阵A和近红外光测量矩阵A′中的第i行，测量M次，两个测量矩阵都共计M行，设可见光和近红外光单光子探测器线阵分别有P个点和Q个点，则两臂的测量值分别有P组和Q组，每组都共计M维，若在每个时间子段内的两臂各特定地选取3组数据，利用关联的压缩传感算法便可重建出该时间子段内的观测对象在可见光波段和近红外光波段的彩色图像，其中近红外光波段的彩色图像是标记出来的，即按波长从大到小选取三种红外波长标识为红绿蓝三原色；若任取一组数据便可进行该波长的成分分析；结合时间维度信息，便可得到可见光成分和近红外光成分的空间分布动态变化的彩***帧序列。

10.根据权利要求6所述的互补测量的时间分辨单光子光谱计数成像方法，其特征在于，将各时间子段内各通道的计数进行统计，将光子计数换算成光功率，结合各通道所对应的波长信息和时间维度信息，便可统计出一个时间分辨光谱图，进而获得观测物体特征峰的变化情况。

Images