单像素成像装置及成像方法

技术领域

本发明涉及光学全息和计算成像领域，尤其是指一种单像素成像装置及成像方法。

背景技术

单像素成像技术是计算成像技术的一种，其基于关联测量原理，在照明端使用空间光调制器进行结构光照明，在测量端使用单个没有空间分辨率的光电传感器收集光强信息，在计算端通过算法进行图像重构。由于单像素相机在探测端只需要光强探测，它对探测器的要求远远低于普通成像中的二维阵列传感器。因此，对于二维阵列传感器技术不成熟的波段，单像素成像技术具有巨大的应用优势，也因此获得了极大的关注。

目前单像素成像装置的空间光调制器通常使用数字微镜阵列和LED阵列，单像素成像装置的空间调制速率低。最近出现的一种将掩膜雕刻在光盘边缘的方法虽然可以实现快速空间光调制，但是该方法产生的掩膜只出现在光束正好对应掩膜孔的一瞬间，多以对单像素探测器的采样速率和旋转稳定性要求极高，间接的限制了动态成像的速率。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种空间光调制速率高且对单像素探测器的采样速率要求低的单像素成像装置及成像方法。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种单像素成像装置，用于生成待测物体的图像，该单像素成像装置包括：光源模块，光源模块用于发射激光；超表面圆盘，超表面圆盘具有转动自由度，超表面圆盘上设置有用于对激光进行调制并生成哈达玛的超表面，超表面围绕超表面圆盘的轴线设置，在超表面圆盘转动过程中，激光能够照射于不同的超表面上以形成相应的哈达玛，单像素成像装置能够获取哈达玛并建立哈达玛光场数据库；单像素探测器，单像素探测器用于探测哈达玛照射待测物体后产生的光波的光强，光波携带有待测物体的信息；处理模块，处理模块电连接至单像素探测器，处理模块根据光强和哈达玛光场数据库进行计算得到待测物体的图像；光源模块、超表面和待测物体均至少部分经过同一光路，且超表面设置于光源模块和待测物体之间。

进一步地，超表面包括用于调制激光的若干主体和用于放置主体的衬底，主体固定连接至衬底，衬底可拆卸连接至超表面圆盘；主体在衬底上的排布方式根据Gerchberg-Saxton迭代算法得到。

进一步地，超表面圆盘包括用于可拆卸连接衬底的容纳部，单像素成像装置还包括盖设于容纳部上的盖板，盖板与超表面圆盘连接以形成有容纳超表面的容纳空间。

进一步地，超表面与超表面圆盘一体成型，超表面包括用于固定连接至超表面圆盘的主体，主体用于调制激光以生成哈达玛。

进一步地，主体的形状设置为圆柱体、长方体和椭圆柱体中至少其中之一；或主体设置为板状结构，板状结构上开设圆孔、矩形孔和椭圆孔中至少其中之一；主体的材料设置为氮化硅、硅、二氧化钛、金、银、铝和氮化镓中至少其中之一；超表面圆盘的材料设置为二氧化硅。

进一步地，单像素成像装置还包括与超表面圆盘转动连接的转动模块和集光模块，集光模块设置在待测物体和单像素探测器之间，集光模块用于汇聚光波并将光波传递至单像素探测器。

进一步地，单像素装置还包括检测模块，检测模块电连接至处理模块，检测模块用于检测哈达玛和哈达玛的光场数据，并将哈达玛和哈达玛的光场数据输送至处理模块，以使处理模块建立哈达玛光场数据库。

一种单像素成像装置的成像方法，该成像方法包括：

获取超表面圆盘在不同超表面上生成的哈达玛，并结合哈达玛对应的哈达玛光场数据建立哈达玛光场数据库；

哈达玛照射至待测物体以产生携带待测物体信息的光波，光波传递至单像素探测器以使单像素探测器探测光波的光强；

根据光强和哈达玛光场数据库，并利用单像素成像算法进行计算得到待测物体的图像。

进一步地，建立哈达玛光场数据库包括：

超表面圆盘带动超表面转动以生成不同的哈达玛；

通过检测模块检测不同的哈达玛和不同的哈达玛的光场数据，并将哈达玛和对应的光场数据输送至处理模块；

处理模块根据哈达玛和对应的光场数据建立哈达玛光场数据库。

进一步地，单像素成像算法包括：

根据哈达玛照射待测物体后的光强、哈达玛光场数据库中光场数据和哈达玛照射待测物体后的光强的集合平均值得到待测物体的图像。

所述单像素成像装置通过超表面将激光调制成哈达玛，提高了单像素成像装置的空间光调制速率，且降低了单像素探测器的采样速率要求。

附图说明

图1为本申请实施方式中单像素成像装置的示意图；

图2为本申请实施方式中超表面的示意图；

图3为本申请实施方式中容纳部与盖板的示意图；

图4为本申请实施方式中检测模块的示意图；

图5为本申请实施方式中单像素成像装置的成像方法的流程图。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，本申请提供一种单像素成像装置100，用于生成待测物体200的图像。单像素成像装置100包括光源模块11、超表面圆盘12、单像素探测器13和处理模块14。光源模块11用于发射激光，光源模块11可以设置为激光发射器。超表面圆盘12具有转动自由度，超表面圆盘12上设置有超表面121，超表面121用于将光源模块11发射的激光调制为哈达玛(Hadamard)，并将哈达玛照射至待测物体200。超表面121围绕超表面圆盘12的轴线设置，在超表面圆盘12的转动过程中，激光能够照射至不同的超表面121上以形成相应的哈达玛，从而单像素成像装置100能够获取哈达玛并建立哈达玛光场数据库。

其中，超表面121可拆卸连接至超表面圆盘12，从而便于超表面121在超表面圆盘12上的模块化布置，以便于替换超表面121或根据实际需求调节超表面121的数量，进而提高超表面121的通用性和可维修性；或超表面121与超表面圆盘12一体成型，从而提高超表面121的整体性，提高超表面121将光源模块11发射的激光调制为哈达玛的可靠性；超表面圆盘12的材质可以设置为二氧化硅，从而减少对超表面121调制生成哈达玛的影响。

待测物体200设置在超表面121和单像素探测器13之间，可选地，单像素探测器13能够设置在超表面121和待测物体200之间，单像素探测器13用于探测哈达玛照射待测物体200后产生光波的光强，其中光波携带待测物体200的信息。处理模块14电连接至单像素探测器13，处理模块14根据携带待测物体200信息的光波的光强和哈达玛光场数据库能够计算出待测物体200的图像，其中处理模块14可以设置为CPU(中央处理器)或微处理器等，能够实现上述功能的处理模块14均在本申请的保护范围内。由于激光照射至超表面121后激光的相位会立刻发生改变，进而能够立刻将激光调制为哈达玛，从而减少了超表面121的调制时间，提高了单像素成像装置100的空间光调制速率。又由于超表面121可实现对电磁波的振幅、相位、偏振等特性进行有效的调控，用于将激光调制成设计大小的哈达玛，与随机掩码相比，由于哈达玛是正交的，因此可以有效减少采样次数，从而提升成像速率。

此外，在满足预设条件的情况下，激光在超表面121上的移动时超表面121所调制出的哈达玛不会发生改变。因此通过设置可转动的超表面圆盘12，由于超表面121沿超表面圆盘12周向上具有一定长度，可以使得激光在超表面121区域内移动时超表面121所调制出的哈达玛不会发生改变，从而延长了每个哈达玛的显示时间，进而降低了单像素探测器13的采样速率要求以及采样难度。在本申请中，上述预设条件指激光照射在超表面121的形状保持完整，即预设条件指激光完全照射在超表面121上。

具体地，哈达玛的像素仅影响哈达玛的清晰程度，即哈达玛的像素不会影响哈达玛的完整性。更具体地，哈达玛的像素越高，哈达玛越清晰；哈达玛的像素越低，哈达玛越模糊。在本实施方式中，即使哈达玛的像素较低，激光也能够照射于不同的超表面121上以形成相应的模糊的全息哈达玛，并且激光照射在单个超表面121不同区域时，产生的模糊的全息哈达玛可以保持稳定和完整，单像素成像装置100能够获取模糊的全息哈达玛并建立哈达玛光场数据库。单像素探测器13能够探测模糊的全息哈达玛照射待测物体后产生携带有待测物体的信息的光波的光强。

需要说明的是，超表面121的数量设置为若干个，任意两个超表面121与超表面圆盘12的轴线之间的最小距离一致，从而在超表面圆盘12的转动过程中，激光能够完整的照射至每一个超表面121上以形成每个超表面121所对应的完整的哈达玛。

如图1和图2所示，具体的，超表面121包括若干主体1211和衬底1212，衬底1212作为放置主体1211的基底，主体1211设置在衬底1212上，且主体1211和衬底1212固定连接，衬底1212与超表面圆盘12可拆卸连接。其中主体1211用于将照射至超表面121的激光调制为哈达玛，且主体1211的一端与衬底1212固定连接，根据哈达玛和Gerchberg-Saxton迭代算法能够得到主体1211在衬底1212上的排布方式。其中，主体1211的材质可以设置为氮化硅、硅、二氧化钛等介质材料，主体1211的材质也可以设置为金、银、铝、氮化镓等金属或半导体材料；主体1211的形状可以设置为圆柱体、长方体、椭圆柱体等，此时主体1211的一端与衬底1212连接；主体1211还可以设置为与衬底1212连接的板状结构，并在板状结构上开设圆孔、矩形孔、椭圆孔等，从而使得主体1211与衬底1212形成双层结构以构成超表面121，同时有利于主体1211的布置；衬底1212被一个垂直于超表面圆盘12轴线方向上的平面所截的截面可以为矩形、三角形、圆形、扇环形等各种形状，具体地，当衬底1212的截面为矩形时，可以便于主体1211的布置，从而降低主体1211的布置难度，当衬底1212的截面为扇环形时，可以便于布置在超表面圆盘12上的相邻两个衬底1212之间的平滑过渡，以使相邻两个衬底1212之间基本没有间隙，从而提高每个哈达玛的显示时间；衬底1212的材质设置为二氧化硅，从而提高了超表面121的透射率，减少对超表面121调制光的影响。当主体1211的形状可以设置为圆柱体时，主体1211的高度700nm，主体1211的半径大于等于90nm且小于等于190nm，主体1211的为周期500nm，即相邻两个主体1211的轴线之间的最小距离为500nm。在本申请中，主体1211的高度指主体1211沿超表面圆盘12轴向上的距离。

在本实施方式中，主体1211由纳米柱或者其他纳米结构组成，每个主体1211的周期一定，不同参数的主体1211可以改变入射光不同的特性，通过将主体1211有序的排列在衬底1212上，从而将激光调制成所需的哈达玛。对同一个哈达玛进行调制时，激光覆盖的主体1211的数量决定了哈达玛的清晰度。其中，传统的空间光调制器有着固定的像素，无法产生超过像素数的哈达玛图案，而主体1211的数量由哈达玛的像素数所决定，可以根据重建图像像素的要求进行调整，从而达到节约成本的目的。此外，与传统的空间光调制器相比，超表面圆盘12的光场调制速率不受限于调制器的响应速度，而是由超表面圆盘12的旋转速度决定，因此理论上，调制速率是没有上限的，仅受到采样速率的限制。

如图3所示，进一步地，当超表面121可拆卸连接至超表面圆盘12时，超表面圆盘12包括若干容纳超表面121的容纳部122，容纳部122与衬底1212设置为可拆卸连接，从而便于超表面121的装卸。单像素成像装置100还包括盖设于容纳部122上的盖板15，盖板15与超表面圆盘12连接以形成容纳超表面121的容纳空间16，超表面121设置于容纳空间16内，且容纳空间16在超表面圆盘12的轴线方向的厚度等于超表面121在超表面圆盘12的轴线方向的厚度，以使超表面121能够设置于容纳空间16内并防止超表面12在工作过程中的晃动，从而提高超表面12的工作稳定性。可以理解的，在超表面圆盘12的转动过程中，上述设置能够避免超表面121从容纳部122内脱离，从而提高了超表面121的使用稳定性。

需要说明的是，在哈达玛像素数为n的情况下，所需的超表面121个数为N＝n2。在本申请实施例中，超表面圆盘12的形状为圆环体状，容纳部122被一个垂直于超表面圆盘12轴线方向上的平面所截的截面为圆环形，衬底1212被一个垂直于超表面圆盘12轴线方向上的平面所截的截面的形状为矩形。衬底1212的两个相邻并远离超表面圆盘12轴线的顶点与容纳部122的外径边缘相抵接，衬底1212远离上述两个顶点的一侧与超表面圆盘12的内径边缘相切，从而使得每个衬底1212在容纳部122内所占的面积最大，进而使得超表面121占的面积最大，延长了超表面121调制的哈达玛在转动的过程中维持的时间，从而降低了对单像素探测器13的采样速率要求。同时，通过上述设置，还可以使得衬底1212能够通过三个抵接点卡接至容纳部122中，从而实现容纳部122对衬底1212的限位和固定。可选的，衬底1212被一个垂直于超表面圆盘12轴线方向上的平面所截的截面的形状还能够设置为扇环形，从而延长了每个哈达玛的显示时间，并使得衬底1212能够更好地固定至容纳部122中。在本申请实施方式中，根据哈达玛的像素数n通过仿真得到超表面121的尺寸为12n微米×6n微米，从而能够调制出良好质量的哈达玛。

如图3所示，具体的，N个超表面121中每个超表面121在超表面圆盘12上所占的角度α通过如下公式计算得到：

超表面圆盘12的内径r和外径R能够通过如下公式计算得到：

需要说明的是，当n≤16时，每个超表面121在超表面圆盘12上所占的角度过大，进而每个超表面121在移动的过程中超表面121所产生的对应的哈达玛的偏转角度过大，从而影响哈达玛照射待测物体200。此时，可以将超表面121复制k数倍使超表面121的数量达到512及以上，这样可以使哈达玛在超表面圆盘12旋转时的图像转动角度小于1°，以使对成像结果的影响忽略不计，同时旋转1/k圈就可以完成一次成像所需要的光场调制，其中k为正整数。

作为一种可选的实现方式，超表面121还能够设置为与超表面圆盘12一体成型。超表面121包括主体1211，主体1211设置在超表面圆盘12上，且与超表面圆盘12固定连接。通过上述设置，提高了超表面121与超表面圆盘12之间的连接强度，此外无需设置衬底1212和容纳部122还能够降低单像素成像装置100的成本。

当重建图像的像素和主体1211的数量的比值为为16、64、256、1024时，使用超表面121产生的哈达玛重建图像与基准图的峰值信噪比约为20dB、30dB、35dB、40dB。其中，重建图像指处理模块14根据模糊哈达玛计算出的待测物体200的图像，基准图指使用清晰哈达玛计算处的待测物体200的图像。

随着重建图像的像素和主体1211的数量的比值达到1024时，重建图像与基准图的峰值信噪比达到上限，并且上述峰值信噪比不再有显著变化，具体地，上述峰值信噪比稳定在40dB左右。当重建图像的像素和主体1211的数量的比值为16时，重建图像与基准图的SSIM(结构相似性，Structural Similarity)保持在0.6至0.7之间，当重建图像的像素和主体1211的数量的比值为64时，重建图像与基准图的SSIM可以维持在0.9以上，而重建图像的像素和主体1211的数量的比值达到1024及以上时，重建图像与基准图的SSIM稳定在0.99以上。重建图像与基准图的峰值信噪比大于等于30dB且和结构相似性大于等于0.9时，重建图像的质量为较好，即重建图像的质量满足需求。因此主体1211的数量最少为重建图像的像素数的64倍，以此基础拓展的主体1211可以实现良好质量的图像重建。主体1211和重建图的像素数比最少为1024倍才能达到处理模块14重建图像质量的上限。

因此，在本实施方式中，重建图像的像素和主体1211的数量的比值大于等于64且小于等于1024；或，重建图像的像素和主体1211的数量的比值为256。

如图1所示，作为一种实现方式，单像素成像装置100还包括转动模块17和集光模块18，转动模块17转动连接至超表面圆盘12，转动模块17用于带动超表面圆盘12转动。集光模块18设置在待测物体200与单像素探测器13之间，集光模块18用于汇聚携带待测物体200信息的光波并将光波传递至单像素探测器13，从而降低了单像素探测器13的采样速率要求。其中，转动模块17能够设置为电机和支撑座组合形成的组件等，电机带动超表面圆盘12转动，支撑座用于支撑电机和超表面圆盘12；集光模块18能够设置为凸透镜或凹面镜等，当本申请中的光路为反射光线时，集光模块18设置为凹面镜；当本申请中的光路为透射光线时，集光模块18设置为凸透镜。需要说明的是，本申请实施例提供的电机和凸透镜仅作为一种优选的实施方式，能够实现转动功能和集光功能的实施方式均在本申请的保护范围内，在此不进行赘述。

如图4所示，进一步地，单像素成像装置100还包括检测模块19，检测模块19电连接至处理模块14。检测模块19用于检测哈达玛和该哈达玛所对应的光场数据，并将该哈达玛和该哈达玛对应的光场数据发送至数据处理模块14，以使处理模块14能够根据的哈达玛和该哈达玛对应的光场数据建立哈达玛光场数据库。其中检测模块19能够设置为面阵摄像机，从而降低了单像素成像装置100的成本。可选的，检测模块19还能够设置为线阵摄像机等，能够实现上述功能的检测模块19均在本申请所要求的保护范围内。

需要说明的是，光源模块11发射的激光经过超表面121后被调制为哈达玛，通过转动模块17转动超表面圆盘12，使得超表面圆盘12能够带动超表面121转动以生成不同的哈达玛。检测模块19检测每个哈达玛和每个哈达玛所对应的光场数据，并将每个哈达玛和每个哈达玛所对应光场数据传输至处理模块14，进而处理模块14能够根据每个哈达玛和每个哈达玛所对应光场数据建立哈达玛光场数据库。

进一步地，超表面121所产生的哈达玛还照射至待测物体200，哈达玛照射待测物体200后产生携带待测物体200信息的光波，该光波经过集光模块18汇集后传输至单像素探测器13，以使单像素探测器13能够检测该光波的光强并将该光强发送至处理模块14。通过转动模块17转动超表面圆盘12，使得超表面圆盘12能够带动超表面121转动以生成不同的哈达玛，从而检测模块19能够获取每个哈达玛所对应的携带待测物体200信息的光波的光强，使得检测模块19能够根据该光强和哈达玛光场数据库进行计算得到待测物体200的图像。

如图5所示，本申请还提供一种单像素成像装置100的成像方法，该成像方法包括：

S1、获取超表面圆盘12在不同超表面121上生成的哈达玛，并结合哈达玛对应的哈达玛光场数据建立哈达玛光场数据库；

S2、哈达玛照射至待测物体200以产生携带待测物体200信息的光波，该光波传递至单像素探测器13以使单像素探测器13探测该光波的光强；

S3、根据光强和哈达玛光场数据库，并利用单像素成像算法进行计算得到待测物体200的图像。

具体的，光源模块11所产生的激光照射至超表面圆盘12上的不同超表面121上以生成不同哈达玛，检测模块19检测每个哈达玛和每个哈达玛所对应的哈达玛光场数据，并将哈达玛与哈达玛光场数据发送至处理模块14，处理模块14根据哈达玛与哈达玛光场数据建立哈达玛光场数据库。

进一步地，哈达玛照射至待测物体200以产生携带待测物体200信息的光波，该光波传递至单像素探测器13，进而单像素探测器13探测该光波的光强，并将该光强发送至处理模块14，从而处理模块14能够根据该光强与哈达玛光场数据库进行计算得到待测物体200的图像。通过上述设置，能够还原待测物体200的图像。

作为一种实现方式，建立哈达玛光场数据库包括：

S11、超表面圆盘12带动超表面121转动以生成不同的哈达玛；

S12、通过检测模块19检测不同的哈达玛和不同的哈达玛的光场数据，并将哈达玛和对应的光场数据输送至处理模块14；

S13、处理模块14根据哈达玛和对应的光场数据建立哈达玛光场数据库。

具体的，光源模块11产生的激光照射至超表面121，超表面121将激光调制成哈达玛。转动模块17带动超表面圆盘12转动，进而超表面圆盘12带动超表面121转动，以生成不同的哈达玛，检测模块19检测每个哈达玛和每个哈达玛对应的哈达玛光场数据，并将每个哈达玛和每个哈达玛对应的哈达玛光场数据发送至处理模块14，处理模块14根据每个哈达玛和每个哈达玛对应的哈达玛光场数据建立哈达玛光场数据库。

作为一种实现方式，根据哈达玛光场数据库中光场数据和待测物体200的图像得到哈达玛照射待测物体200后的光强。

具体的，根据公式1：

S

计算得到待测物体200的图像，其中，下标i＝1,2,3,……为哈达玛照射待测物体200的次数，S

进一步的，根据哈达玛照射待测物体200后的光强、哈达玛光场数据库中的哈达玛光场数据和哈达玛照射待测物体200后的光强的集合平均值得到待测物体200的图像。

具体的，对公式1进行求解逆得到公式2：

根据公式2计算待测物体200的图像，其中M表示光强的总数量，S

在本申请中，根据仿真结果，仿真使用的主体1211为氮化硅组成的圆柱体结构，激光的工作波长为682nm，主体1211的高度固定，通过改变主体1211的半径实现对入射光0-2Π的相位调节的同时对振幅基本可以保持在90％以上。使用的衬底1212为二氧化硅材料，每个结构的周期为500nm，当入射光照射超表面121时，根据哈达玛计算得到的不同半径的主体1211阵列，即超表面121将光场调制成哈达玛。本申请设计了一个内径r为6.5189厘米，外径R为6.5390厘米的超表面圆盘12。其中，单个超表面121所占的角度α为0.3516°，超表面圆盘12上设置有1024个尺寸为400微米*200微米的32*32像素哈达玛的超表面121，使用仿真得到的哈达玛重建图像时，成像质量良好，峰值信噪比高达35db以上。超表面圆盘12的转速高于600rad/min时可轻松超过DMD(数字微镜器件，Digital Micromirror Devices)在32×32像素分辨率下的全采样差分重影成像的帧速率。

应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。