哈达玛变换APD光子计数成像技术研究(3)

菜单

1.3 数字微镜（DMD）

数字微镜也称 DMD，全称是 Digital Micromirror Device。数字微镜在试验中用作编码模板，用于将哈达玛矩阵变换付诸于实际器件，它是本实验的核心器件。数字微镜实质上是一种光开关，通过控制微镜的旋转角度来控制开合。当微镜角度与入射光路平行时，光线可以顺利通过而不受到调制。当微镜有倾角时，光路改变受到调制[3]。

1.4 哈达玛变换（Hadamard Transform）

雅克·阿达马（Jacques Solomon Hadamard，1865—1963）是一位法国数学家，他提出的哈达玛矩阵在光谱调制方面有着重要作用。

1.5 雪崩型光电二极管（APD）

普通光电二极管的灵敏度都不够高，大约在每 1000 勒克斯的照射下，只能输出几微安光电流。雪崩型光电二极管（APD）利用了高反压下二极管耗尽层产生载流子的雪崩倍增效应来获得很高的光电流增益，其增益可达 102——104，电流达毫安量级，因此其灵敏度高，且响应速度快，可达 102GHz，适用于探测弱光信号和快速变化的信号，非常有发展前景。

雪崩型光电二极管是一种高灵敏光电二极管，它在加强反向电压时，载流子受到强压加文献综述

速并快速运动，运动过程中不断发生碰撞，又激发出新的载流子，如此往复循环，就像雪崩一样。雪崩光电二极管虽然灵敏，但是它具有很大的散粒噪声。雪崩型光电二极管属于后置系统，本文的重点是前置哈达玛编码系统的研究，所以在此只做简单的介绍，后文不再进行相关论述[4]。

1.6 本文的主要工作

光学复用技术在光谱成像方面已经有了较为成熟的理论和应用，例如以哈达玛理论为基础的光谱仪已经成功的用于多个领域。但是哈达玛理论在二维成像方面的研究和应用还处于刚起步的阶段。因此本文就哈达玛编码模板的数学原理展开了深入的剖析，对哈达玛理论在二维成像方面的应用做了深入的分析和讨论，并用软件进行仿真，从最基本原理出发，一步步向实际应用靠近，最终自行设计了一套简单的成像系统

2 哈达玛编码成像原理

哈达玛变换的多路复用技术对探测信号的信噪比提升有比较理想的效果。哈达玛变换的多路复用技术来源于统计学中的称重计量方法，称重计量方法是用来称出多个轻小物体重量的，它通过不同的组合方式多次称取多个物体的重量，最后通过矩阵运算得出各个轻小物体的准确重量。称重计量方法运用到光学领域就可以探测出微弱光信号，因此在微光成像以及高光谱成像等方面具有很高的应用价值[5]。自从 70 年代中期 Harwit 和 Sloane 把统计学中的称重设计理论运用到光学领域形成基于哈达玛变换的光谱与成像编码与解码理论，并为哈达玛降噪理论打下了良好的理论分析框架之后，编码成像得到了迅速的发展。编码模板也经历了运动式机械模板、液晶空间光调制器、数字微镜器件等几个发展阶段，特别是数字微镜器件（DMD）用作模板之后大大推动了编码成像理论的实际运用，目前多家机构已经研发出基于哈达玛变换的各类光谱仪

在成像过程中，常规的方法为用单像元光电探测器对目标像元进行逐一扫描然后成像。但是单独的目标像元发出的光信号十分的微弱，若要对其成像，则必须延长积分时间或是提高探测器的增益。这样一来，往往会导致大量的噪声在成像过程中夹杂进来，降低信噪比。有时由于目标像元辐射过弱而噪声相对较强，像元往往会淹没在噪声中，这都是我们所不希望看到的。为了解决这个问题，我们可以不对像元进行逐一探测而是一次将多个像元组合起来进行探测。这种情况下，噪声信号并没有增强，但目标像元的辐射强度却有了显著增加，这样在保证探测像元的辐射足够强的同时也可以提高信噪比，不失为一种一举两得的好办法。这种将像元叠加测量的方法称为多通道技术或复用技术。本文研究的哈达玛编码成像就是基于这一技术的[6]。