CN108366195B - 一种基于led阵列的高速空间光调制方法及其成像*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LED阵列的高速空间光调制方法及其成像***，属于量子物理、探测成像以及信号处理的交叉技术领域。所述***包括计算机、控制板卡、LED阵列、光束调制透镜、物体、光束收集透镜以及单像素光电探测器，其应用方法为首先LED阵列生成哈达玛图案存储在控制板卡中；然后控制板卡通过两次扫描控制LED阵列按顺序显示哈达玛图案，并采集从显示第一个扫描图案到第二个扫描图案显示结束过程的电压平均值；最后计算机将哈达玛图案与相应电压平均值的乘积求和，恢复图像。本发明提高了关联成像的速度以及实现了对哈达玛图案的快速显示，并且成本更低。
Description
技术领域
本发明属于量子物理、探测成像以及信号处理的交叉技术领域，具体涉及一种基于LED阵列的高速空间光调制方法及其成像***。
背景技术
关联成像起源于量子纠缠的概念，是通过一个或几个单像素探测器记录目标发射/反射的总光强信号进行探测的新型光电成像技术，具有单像素探测、复合谱和非定域成像等特点。单像素探测是关联成像区别于传统面阵探测成像的主要特点，它指关联成像使用一个或几个单像素探测器，而非面阵探测器(如CCD，CMOS等)，来接收目标信号并重建其空间信息。单像素探测器技术成熟可靠、信号收集能力强，没有面阵探测器的像素间响应不均、存在坏点和对成像光学***要求高等问题，尤其在特定探测波段的面阵探测器特别昂贵甚至不存在的情况下和需要多谱段复合成像的要求时，单像素关联成像为相应的目标探测提供了技术可行、成本可控、体积重量小的成像方案。
计算关联成像的单像素探测体制使关联成像技术必须依赖于某种空间光调制器件来实现成像，目前常规的方法包括采用激光照射旋转毛玻璃产生赝热光源，预制相位掩膜板，透射式液晶调制和反射式微透镜阵列(Digital Micromirrors Device，DMD)调制等。由于空间光调制器的调制速度有限(上述方法中最快的DMD目前达到22KHz调制速度)，极大限制了关联成像获取目标信息的速度，是其技术发展的瓶颈问题，也是相关领域科学工作者亟待攻克的难点。
发明内容
针对现有关联成像的成像速度受空间光调制器调制速度限制的问题，本发明提出一种基于LED阵列的高速空间光调制方法及其成像***，对关联成像速度实现了极大的提升，空间光调制速度达到了2.5MHz，成像速度达到了5KHz。
本发明的提供的基于LED阵列的高速空间光调制成像***，使用LED阵列作为空间光调制器，所述***包括计算机、控制板卡、LED阵列、光束调制透镜、物体、光束收集透镜以及单像素光电探测器。控制板卡的I/O输出控制信号给LED阵列，通过两次扫描的方式输出哈达玛矩阵对应图案的光束，该光束经由光束调制透镜汇聚到物体上，再由光束收集透镜收集和物体作用后的光束并汇聚到单像素光电探测器接收面。控制板卡收集单像素光电探测器输出的电压值并将数据传送到控制计算机进行图像恢复。
本发明提供的基于LED阵列的高速空间光调制方法，包括：
步骤1，对于m×m的LED阵列，生成m×m个哈达玛图案存储在控制板卡中；m是正整数，为2的幂次方；
步骤2，控制板卡控制LED阵列按顺序显示哈达玛图案。将待显示的一个哈达玛图案分解为两次扫描图案，控制板卡输出控制信号给LED阵列，通过两次扫描完成一个哈达玛图案的显示；LED阵列根据控制信号显示对应图案的光束，光束经由光束调制透镜汇聚到物体上，再由光束收集透镜收集和物体作用后的光束并汇聚到单像素光电探测器接收面；
步骤3，控制板卡收集单像素光电探测器输出的电压值；对于一个哈达玛图案，采集从显示第一个扫描图案到第二个扫描图案显示结束过程的电压平均值；最后计算机将m×m个哈达玛图案与相应电压平均值的乘积求和，恢复图像。
本发明的优点与积极效果在于：使用LED阵列作为空间光调制器可以极大提高关联成像的速度以及通过两次扫描的方式实现对哈达玛图案的快速显示，相对于传统方法提高了2个数量级。此外，相对于现有关联成像的方案中使用的空间光调制器，LED阵列具有更低的价格。
附图说明
图1是本发明的基于LED阵列的高速空间光调制成像***的组成示意图；
图2是本发明中不同阶数哈达玛图案生成示意图；
图3是本发明中生成10阶哈达玛图案的示意图；
图4是本发明中生成的10阶哈达玛图案中部分数据示意图；
图5是LED阵列控制方式示意图；(a)LED阵列的控制方式，(b)待显示哈达玛图案，(c)分解显示图案1，(d)分解显示图案2；
图6是实验效果图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的详细说明。
本发明提供的基于LED阵列的高速空间光调制方法的成像***，使用LED阵列作为空间光调制器，该***整体框架如图1所示。其中，所述***包括计算机1、控制板卡2、LED阵列3、光束调制透镜4、物体5、光束收集透镜6及单像素光电探测器7。
控制板卡2的I/O输出控制信号给LED阵列3，通过两次扫描的方式输出哈达玛矩阵对应图案的光束，输出的光束经由光束调制透镜4汇聚到物体5上，再由光束收集透镜6收集和物体5作用后的光束并汇聚到单像素光电探测器7接收面。控制板卡2收集单像素光电探测器7输出的电压值并将数据传送到计算机1进行图像恢复。
控制板卡2中存储有对应LED阵列的哈达玛图案。对于m×m的LED阵列，生成m×m组哈达玛图案存储在控制板卡2中。m是正整数，为2的幂次方。由于任意的一个哈达玛图案都可以分解为两个单独的图案用于显示，控制板卡2控制LED阵列3显示输出该哈达玛图案的两次扫描图案。控制板卡2控制LED阵列按顺序显示所有哈达玛图案，对每个哈达玛图案，采集计算从显示第一个扫描图案到第二个扫描图案显示结束过程的电压平均值。最后，在计算机中将m×m个哈达玛图案与相应电压平均值的乘积求和，恢复图像。
本发明提供的基于LED阵列的高速空间光调制方法，包括如下步骤一到步骤三，下面具体说明各步骤。
步骤一：计算生成哈达玛图案。
以32x32的LED阵列为例，生成1024组哈达玛图案Si(32,32),i＝1,2,......1024，并存储到控制板卡2中。
其中，如图2所示，对于n阶的哈达玛矩阵
哈达玛矩阵生成规则如下：
对于一个32x32的LED阵列需要生成10阶的哈达玛矩阵，并将该矩阵H1024中的-1替换为0，记作
如图3所示。每次显示的图案Si为矩阵
中的第i行对应的数据转换为32行32列所对应的图案，如图4所示。
步骤二：由控制板卡2控制LED阵列按顺序显示哈达玛图案，同步收集光电探测器7采集到的1024组电压值Pi,i＝1,2,......1024。
如图5所示，具体LED控制方法如下(按行和列显示)：
传统LED阵列显示一副图案通常采用行列扫描的方式进行，对于一副N*N的LED点阵需要进行N次扫描才能完成一副图像的显示。但是通过对哈达玛图案的分析，本发明提出的方法可以通过两次扫描即可完成一副哈达玛图案的显示。如图5所示，对于任意一个待显示的哈达玛图案Si，都可以分解为两次扫描图案Si,1,Si,2完成显示。Si,1、Si,2可以表示为：
Si,1＝row(Si,1)*colum(Si,1)
其中，row(Si,1)表示矩阵Si的第一行，colum(Si,1)表示矩阵Si的第一列，
表示矩阵Si取反。
表示矩阵
的第一行，
表示矩阵
的第一列。
所以，无论阵列的大小都可以通过将每一幅图案Si分解成Si,1,Si,2两次扫描即可完成哈达玛图案的显示，该方法可以极大地提高LED阵列显示哈达玛图案的速度。
采集的电压值Pi为图案Si从显示Si,1开始到Si,2显示结束过程的电压平均值。
步骤三：完成哈达玛图案显示及电压采集并计算成像结果。恢复图像的计算方法如下：
其中，Si表示第i个显示的哈达玛图案，Pi表示第i次采集到的对应显示Si的探测器电压平均值，I表示恢复得到的图像。
对本发明的基于LED阵列的高速空间光调制的方法及其成像***进行了实物实验验证，实验使用了32x32的LED阵列，实现了高达1000fps成像速度。实验结果如图6所示，分别在250fps、500fps以及1000fps成像速度下的成像效果。
相对于现有技术使用的阵列，本发明中使用的LED阵列价格低廉且调制速度快。如DMD空间光调制阵列，造价昂贵，并且调制速度慢，最快调制速度22KHz。而本发明所使用的LED阵列价格低廉，最快调制速度能到100MHz-1GHz。
另外，本发明根据哈达玛图案的特点，提出一种LED阵列调制方法，将任意的一个哈达玛图案都可以分解为两个单独的图案用于显示。传统LED按行扫描显示的方式显示一个N*N的图案将会需要N次扫描完成一图案的显示。但是本发明提出的方法只需要两次扫描即可以完成一副哈达玛图案的显示，因此可以极大地提高LED显示哈达玛图案的速度。
Claims (6)
1.一种基于LED阵列的高速空间光调制成像***，其特征在于，所述***包括计算机、控制板卡、LED阵列、光束调制透镜、物体、光束收集透镜以及单像素光电探测器；其中，LED阵列作为空间光调制器；
控制板卡中存储有LED阵列对应的哈达玛图案；控制板卡的I/O输出控制信号给LED阵列，通过两次扫描的方式输出哈达玛矩阵对应图案的光束，该光束经由光束调制透镜汇聚到物体上，再由光束收集透镜收集和物体作用后的光束并汇聚到单像素光电探测器接收面；控制板卡收集单像素光电探测器输出的电压值并将数据传送到计算机进行图像恢复；通过两次扫描的方式输出哈达玛矩阵对应图案的光束具体为，将第i个哈达玛图案Si分解为两次扫描图案Si,1和Si,2如下：
Si,1＝row(Si,1)*colum(Si,1)
其中，row(Si,1)表示矩阵Si的第一行，colum(Si,1)表示矩阵Si的第一列，
表示矩阵Si取反，
表示矩阵
的第一行，
表示矩阵
的第一列。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述的控制板卡存储有m×m的LED阵列对应的m×m个哈达玛图案，m是正整数，为2的幂次方。
3.根据权利要求1或2所述的***，其特征在于，所述的哈达玛图案分解为两个扫描图案，对每个哈达玛图案，控制板卡控制LED阵列显示输出该哈达玛图案的两次扫描图案。
4.根据权利要求1或2所述的***，其特征在于，所述的控制板卡对每个哈达玛图案，采集从显示第一个扫描图案到第二个扫描图案显示结束过程的电压平均值。
5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述的计算机将m×m个哈达玛图案与相应电压平均值的乘积求和，恢复图像。
6.一种基于LED阵列的高速空间光调制方法，其特征在于，实现包括如下步骤：
步骤1，对于m×m的LED阵列，生成m×m个哈达玛图案存储在控制板卡中；m是正整数，为2的幂次方；
步骤2，控制板卡控制LED阵列按顺序显示哈达玛图案；
将待显示的一个哈达玛图案分解为两次扫描图案，控制板卡输出控制信号给LED阵列，通过两次扫描完成一个哈达玛图案的显示；LED阵列根据控制信号显示对应图案的光束，光束经由光束调制透镜汇聚到物体上，再由光束收集透镜收集和物体作用后的光束并汇聚到单像素光电探测器接收面；所述的步骤2中，将第i个哈达玛图案Si分解为两次扫描图案Si,1和Si,2如下：
Si,1＝row(Si,1)*colum(Si,1)
其中，row(Si,1)表示矩阵Si的第一行，colum(Si,1)表示矩阵Si的第一列，
表示矩阵Si取反，
表示矩阵
的第一行，
表示矩阵
的第一列；
步骤3，控制板卡收集单像素光电探测器输出的电压值；对于一个哈达玛图案，采集从显示第一个扫描图案到第二个扫描图案显示结束过程的电压平均值；最后计算机将m×m个哈达玛图案与相应电压平均值的乘积求和，恢复图像。
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