基于大容量空间复用超颖表面的单像素成像方法技术

本发明专利技术公开的基于大容量空间复用超颖表面的成像方法，涉及一种基于大容量空间复用超颖表面的单像素成像方法，属于微纳光学和单像素成像应用技术领域。本发明专利技术实现方法为：将随机分布纳米孔结构的超颖表面作为单像素成像系统中的掩膜，能够实现无偏振选择的快速和高分辨率的成像，其工作范围能够从整个可见光到近红外波段；通过移动超颖表面的方式切换掩膜图案，能够实现空间复用，在有限的空间区域中获取更多的掩膜图案，提高超颖表面的信息容量。本发明专利技术能够从可见光到近红外波段的快速且高分辨率的单像素成像，基于超颖表面的单像素成像系统体积小、光路简单，能够使成像系统更加紧凑且集成化，拓宽单像素成像系统的应用范围。围。围。

【技术实现步骤摘要】
基于大容量空间复用超颖表面的单像素成像方法


[0001]本专利技术涉及一种单像素成像方法，尤其涉及一种基于大容量空间复用超颖表面的单像素成像方法，属于微纳光学和单像素成像应用


技术介绍

[0002]单像素成像作为一种新型的计算成像技术方法，是利用不同的掩膜图案对目标进行调制，再通过与其对应的强度测量值进行相关运算，进而重建出目标图像的技术。与传统的焦平面阵列技术相比，单像素成像将空间光调制器和单像素探测器相结合，取代了CCD和CMOS等像素阵列探测器，在更低的成本、更高的探测效率、更快的响应时间和更大的宽谱范围等方面具有竞争优势。近年来，基于单像素成像的应用研究取得很大发展，在太赫兹成像、显微成像、三维成像、高光谱成像、时间分辨成像和遥感成像等领域具有广泛的应用。
[0003]超颖表面是一种人工设计的结构，由具有超薄结构和亚波长特征尺寸的纳米天线阵列或纳米谐振器阵列构成。随着当前微纳加工技术和大规模集成设计技术的发展，超颖表面能够通过其表面的设计对光场进行任意调控，展现出对入射电磁波振幅、相位和偏振的更高效的调控能力。相比于传统光学元件通过在空间传播中的相位积累进行光场调控，超颖表面通过入射光线与设计表面的相互作用直接进行光场调控，为超颖表面作为传统的大型光学元件的替代品提供了巨大的潜力。除了能够对光场进行任意调控，超颖表面还具有成本低、紧凑型高、易于集成和超小像素等优点，使得其能够作为一种新型的调控元件实现高分辨率成像。
[0004]当前，单像素成像面临的成像速度慢和成像分辨率低等问题，将单像素成像与微纳光学相结合，利用超颖表面作为单像素成像中的掩膜调控装置，能够使成像系统中的振幅调控器件微型化，并能够增加信息容量、实现更好掩膜调控等等。近些年，已报到的将单像素成像与微纳光学结合的研究工作主要聚焦在太赫兹成像和光学加密中，缺乏对单像素成像的成像速度和分辨率方面的分析与研究。另外，为了提高单像素成像的成像速度，目前提出了一些具有高投影刷新率的解决方案，如例如高速LED照明模块、由循环图案编码的旋转掩模和静态光学结构等。但这些研究工作缺乏超颖表面亚波长的特征尺寸和高紧凑型等优点，难以实现多像素调控和更高分辨率的成像。因此，有必要研究一种新型的单像素成像方案，能够同时实现高速度成像和高分辨率成像。超颖表面能够作为解决这一问题的手段，将其代替传统单像素成像中的空间光调制器，利用其简洁的振幅调控机理，克服单像素成像在成像速度和分辨率上面临的挑战，并能够实现单像素成像系统的可集成性。
[0005]单像素成像往往需要非常多不同的掩膜图案对目标进行调制，从而需要超颖表面具有更大的空间容量。为了提高空间利用率，在不增加像素数目的情况下，在有限的空间中获取更多信息的方法称之为复用技术。通常，单像素成像能够将随机二值编码作为掩膜，超颖表面能够设计出这种随机二值编码，并通过空间复用的方式得到更多的掩膜图案。

技术实现思路

[0006]针对现有单像素成像技术存在的下述技术问题：成像速度慢、成像分辨率低、紧凑性差、不能满足实际应用需要。本专利技术的主要目的是提供一种基于大容量空间复用超颖表面的单像素成像方法，能够从可见光到近红外波段的快速且高分辨率的单像素成像，此外，基于超颖表面的单像素成像能够有效增加超颖表面的空间信息容量，能够使成像系统更加紧凑且集成化，并能够实现成像的无偏振选择性。
[0007]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0008]为了获得单像素成像中目标物体的重建图像，需要一系列的掩膜图案对目标物体进行振幅调制，并收集调制后对应光场的总振幅强度，再使用单像素成像算法来获得目标物体的重建图像。本专利技术公开的基于大容量空间复用超颖表面的成像方法，将随机分布纳米孔结构的超颖表面作为单像素成像系统中的掩膜，能够实现无偏振选择的快速和高分辨率的成像，其工作范围能够从整个可见光到近红外波段。通过移动超颖表面的方式切换掩膜图案，能够实现空间复用，在有限的空间区域中获取更多的掩膜图案，提高超颖表面的信息容量。基于超颖表面的单像素成像系统体积小、光路简单，能够使成像系统更加紧凑且集成化，拓宽单像素成像系统的应用范围。
[0009]本专利技术公开的基于大容量空间复用超颖表面的单像素成像方法，包括如下步骤：
[0010]步骤一：生成随机分布的二值掩膜，并将该掩膜根据图像调制所需的像素数分解成一系列的调制掩膜图案，实现在有限的空间信息中产生更多的调制掩膜图案；将生成的一系列的调制掩膜图案对目标物体进行振幅调制，得到相应的调制后的总振幅强度，再利用单像素成像算法对调制图案和对应的探测强度进行相关运算，检验所述掩膜的成像效果，直至获取满足预设成像效果的重建图像。
[0011]所述的单像素成像算法，利用不同的掩膜图案对目标进行调制，再通过与其对应的强度测量值进行相关运算，进而重建出目标图像。通常，用于单像素成像的掩膜图案包括Hadamard编码、傅里叶编码或其他优化编码。但所述编码都具有固定的振幅分布，导致不同掩膜图案之间没有交叉信息，不能增大空间的信息容量。随机二值编码是一种随机的二值振幅分布，通过改变二值编码的部分信息能够获取一个新的掩膜图案。利用二值编码的该性质，能够实现空间复用并增大空间容量。单像素成像算法包括差分算法、压缩感知算法。
[0012]压缩感知是一种寻找欠定线性系统的稀疏解的技术，用于获取和重构稀疏或可压缩的信号。压缩感知算法能够从获取的欠采样的信号中恢复出完整的原始信号，其主要的重构方法是通过求解范数优化问题来恢复原始信息。并且，压缩感知算法已经广泛应用于信号处理、成像和图像分类等领域。对于压缩感知理论，需要两个条件才能恢复出原始信号：1.收集的欠采样数据中含有原始信号的全部信息。2.利用压缩感知算法能够从该欠采样信息中恢复出完整的原始信息。单像素成像往往需要大量的采样次数，导致采样时间的增加和数据处理的复杂。
[0013]单像素成像的模型如公式(1)所示：
[0014]S
i
＝∫∫P
i
(x,y)I(x,y)dxdy
ꢀꢀ
(1)
[0015]式中其中下标i＝1，2，
…
，M是时间排列的测量次数，M表示测量总数，P表示掩膜的二值矩阵，I表示目标物体的强度分布，S表示对应的测量总光强；x，y分别表示物平面上的空间坐标。公式(1)能够通过求解逆过程来恢复图像。利用压缩感知算法，能够将公式(1)变
换成求解最优解的形式：
[0016][0017]式中Φ表示由M次掩膜图案决定的传感矩阵，S表示探测器采集的强度信号的M
×
1列向量，I是对目标物体整形得到的N
×
1列向量，N表示图像中像素的总数。表示L
‑
2欧几里德范数，Ψ是图像上具有稀疏性约束的正则化项，τ表示用于调整残差和稀疏性之间相对权重的正则化参数，需要选择适当的值以实现最佳重建。
[0018]用于单像素成像的压缩感知算法有多种，为了提高图像的重建质量，作为优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于大容量空间复用超颖表面的单像素成像方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：生成随机分布的二值掩膜，并将该掩膜根据图像调制所需的像素数分解成一系列的调制掩膜图案，实现在有限的空间信息中产生更多的调制掩膜图案；将生成的一系列的调制掩膜图案对目标物体进行振幅调制，得到相应的调制后的总振幅强度，再利用单像素成像算法对调制图案和对应的探测强度进行相关运算，检验所述掩膜的成像效果，直至获取满足预设成像效果的重建图像；步骤二：用于实现大容量空间复用的超颖表面是对金膜在不同位置进行打孔构成的；其中，不透明的金膜部分相当于掩膜中振幅调制为“0”的像素，纳米孔部分相当于掩膜中振幅调制为“1”的像素；需要优化设计纳米孔的相关尺寸，使得超颖表面能够实现所述二值分布；所述的相关几何尺寸包括金膜的厚度H，纳米孔的半径R和超颖表面单元的周期P；步骤三：将步骤一生成的掩膜二值强度信息编码成超颖表面中纳米孔的位置排布；利用标准的电子束刻蚀的微纳加工工艺，制作出以所述的随机纳米孔分布的超颖表面，以实现良好的二值振幅调制；该超颖表面具有的空间复用性质；首先，将携带物体图像信息的平行光入射到超颖表面的一部分区域，该区域即为第一幅掩膜图案；通过移动超颖表面切换不同的调制区域，先经过水平方向上的移动能够获得一系列的掩膜图案，且每移动一个超颖表面单元周期的距离就能够获得一个新的掩膜图案，该掩膜图案与上一掩膜图案只有一列像素的差别；当超颖表面在水平方向上移动到整体区域的边缘后，通过在垂直方向上移动一个像素距离再次得到新的投影图案，且该投影图案与上一投影图案只有一行像素的差别；再调整超颖表面的移动方向，向着之前水平移动的反方向移动；以此类推，通过移动超颖表面的方式实现空间复用，能够在有限的空间区域中获取更多的掩膜图案，提高超颖表面掩膜的信息容量。2.如权利要求1所述的基于大容量空间复用超颖表面的单像素成像方法，其特征在于：还包括步骤四，根据步骤三的移动超颖表面的方式实现空间复用，并获得一系列的掩膜图案，通过所述调制图案和对应的探测总强度，运用单像素成像算法完成图像重建；另外，运用移动超颖表面的方式进行调制，与利用DMD作为空间光调制器的单像素成像相比，显著加速掩膜之间的切换；掩膜的切换频率由移动的速率而定，通过加快移动速率，能够提高掩膜的切换速率，从而实现更快成像速度的单像素成像。3.如权利要求2所述的基于大容量空间复用超颖表面的单像素成像方法，其特征在于：所述的单像素成像算法，利用不同的掩膜图案对目标进行调制，再通过与其对应的强度测量值进行相关运算，进而重建出目标图像；随机二值编码是一种随机的二值振幅分布，通过改变二值编码的部分信息能够获取一个新的掩膜图案；利用二值编码的该性质，能够实现空间复用并增大空间容量；压缩感知是一种寻找欠定线性系统的稀疏解的技术，用于获取和重构稀疏或可压缩的信号；压缩感知算法能够从获取的欠采样的信号中恢复出完整的原始信号，其主要的重构方法是通过求解范数优化问题来恢复原始信息；单像素成像的模型如公式(1)所示：S
i
＝∫∫P
i
(x,y)I(x,y)dxdy
ꢀꢀꢀ
(1)式中其中下标i＝1，2，
…
，M是时间排列的测量次数，M表示测量总数，P表示掩膜的二值矩阵，I表示目标物体的强度分布，S表示对应的测量总光强；x，y分别表示物平面上的空间
坐标；公式(1)能够通过求解逆过程来恢复图像；利用压缩感知算法，能够将公式(1)变换成求解最优解的形式：式中Φ表示由M次掩膜图案决定的传感矩阵，S表示探测器采集的强度信号的M
×
1列向量，I是对目标物体整形得到的N
×
1列向量，N表示图像中像素的总数；表示L
‑
2欧几里德范数，Ψ是图像上具有稀疏性约束的正则化项，τ表示用于调整残差和稀疏性之间相对权重的正则化参数，需要选择适当的值以实现最佳重建；用于单像素成像的压缩感知算法有多种，为了提高图像的重建质量，作为优选，采用两步迭代收缩算法TWIST重建图像，两步迭代收缩算法TWIST的每个迭代都依赖于前两个迭代，而不仅仅依赖于前一个迭代，使迭代收缩过程更加准确和快速。采用迭代总误差补偿ITE...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄玲玲，闫景逍，李昕，王涌天，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：