實(shí)驗(yàn)介紹

單像素成像是指使用單點(diǎn)探測(cè)器（PD、PMT等）代替?zhèn)鹘y(tǒng)成像系統(tǒng)中的CCD或者CMOS陣列式感光元件來(lái)完成對(duì)物體透射或反射的光強(qiáng)的探測(cè)。由于單點(diǎn)探測(cè)器不具有空間分辨率，成像系統(tǒng)采用單臂測(cè)量時(shí)，往往通過(guò)在不同種類的空間光調(diào)制器上加載一系列掩膜，使調(diào)制后的光代替贗熱光源照射至物體，然后從單點(diǎn)探測(cè)器獲得對(duì)應(yīng)于不同掩膜的一系列光強(qiáng)值來(lái)恢復(fù)物體的像。相比傳統(tǒng)成像系統(tǒng)，單像素成像系統(tǒng)具有體積小、成本低、反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以用于可見(jiàn)光波段成像，同時(shí)也可用于紅外、太赫茲等非可見(jiàn)光波段的成像。近年來(lái)單像素成像在穿過(guò)散射介質(zhì)成像以及水下成像中的應(yīng)用更顯示了其在生物醫(yī)學(xué)、軍事、超分辨等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)光路器件如下圖。

單像素成像實(shí)驗(yàn)光路圖

實(shí)驗(yàn)原理

單像素成像是一種新的計(jì)算成像方案，計(jì)算鬼成像(Computational Ghost Imaging，CGI)是單像素成像的理論基礎(chǔ)。計(jì)算鬼成像與傳統(tǒng)經(jīng)典雙臂鬼成像不同，計(jì)算鬼成像為單臂光路，僅需要一個(gè)桶探測(cè)器即可恢復(fù)物體的像。其過(guò)程是在空間光調(diào)制器（SLM）上加載相位或振幅隨機(jī)分布的像素，這樣光束在物體表面產(chǎn)生的散斑類似于熱光源的散斑，而且由于原來(lái)參考臂的散斑光場(chǎng)可以根據(jù)自由空間的衍射理論計(jì)算出來(lái)，故參考臂及CCD被省去。直接由信號(hào)臂桶探測(cè)器的物光總光強(qiáng)值與計(jì)算的散斑分布進(jìn)行關(guān)聯(lián)就能夠恢復(fù)物體的像。計(jì)算鬼成像相對(duì)比傳統(tǒng)雙臂經(jīng)典鬼成像光路更為簡(jiǎn)單緊湊，而且投影到物平面的光場(chǎng)都是可人為調(diào)控的，所以可以依靠設(shè)計(jì)特殊散斑的方法來(lái)增加成像結(jié)果的對(duì)比度，提高信噪比，這些都是計(jì)算鬼成像對(duì)比于傳統(tǒng)鬼成像的優(yōu)勢(shì)。

計(jì)算鬼成像示意圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DMD是一種新興的空間光調(diào)制器，DMD表面集成了成千上萬(wàn)個(gè)有規(guī)律地排布成一個(gè)陣列的正方形精密微小反射鏡片,每個(gè)微鏡片對(duì)應(yīng)一個(gè)像素。DMD光能利用率高，亮度、對(duì)比度出色，所有微鏡同步，調(diào)制的線性度高，并且響應(yīng)速度快，每秒可以達(dá)到上萬(wàn)次的翻轉(zhuǎn)。單像素成像實(shí)驗(yàn)是利用DMD加載參考圖（散斑圖），通過(guò)探測(cè)器獲取樣品的反射光強(qiáng)度，通過(guò)計(jì)算機(jī)的關(guān)聯(lián)計(jì)算獲取圖像的系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

DMD空間光調(diào)制器是核心器件，可以加載一系列的散斑圖，并將這些散斑圖按照設(shè)定的頻率進(jìn)行時(shí)序播放；

成像透鏡將DMD透射光散斑圖成像到目標(biāo)物上，根據(jù)成像關(guān)系，可以在目標(biāo)物上看到清晰的投影圖案；

聚焦透鏡和探測(cè)器是將目標(biāo)物散射的光接收并通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳給電腦，作為強(qiáng)度數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)下來(lái)。

系統(tǒng)功能

UPOLabs單像素成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用DMD空間光調(diào)制器對(duì)目標(biāo)光場(chǎng)進(jìn)行編碼，利用單像素探測(cè)器采集編碼后的光場(chǎng)信息，通過(guò)經(jīng)典關(guān)聯(lián)計(jì)算算法、差分關(guān)聯(lián)算法、壓縮感知算法等不同算法重建出目標(biāo)場(chǎng)景圖像，該系統(tǒng)可供高校老師和相關(guān)科研人員進(jìn)行單像素成像實(shí)驗(yàn)教學(xué)，同時(shí)也可在此系統(tǒng)基礎(chǔ)上開(kāi)展重建算法相關(guān)的科研工作。

單像素成像重建結(jié)果

系統(tǒng)配置

（1）系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由軟件和硬件共同組成，軟件部分由三個(gè)獨(dú)立軟件構(gòu)成，硬件部分包括激光器光源、擴(kuò)束鏡、DMD空間光調(diào)制器、成像組件、聚焦組件、光闌組件、光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡、目標(biāo)物組件等組成。

（2）技術(shù)指標(biāo)

DMD分辨率：1920*1080或1024*768，即編碼矩陣最大分辨率。

波段范圍：400nm-700nm（紅外可選）。

光場(chǎng)數(shù)據(jù)采集精度：16bit，0V-10V。

硬件接口：DMD與上位機(jī)軟件之間通過(guò)USB3.0接口進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)采集卡與上位機(jī)之間通過(guò)USB2.0接口進(jìn)行通信，DMD與采集卡之間通過(guò)同軸電纜進(jìn)行硬觸發(fā)。

重構(gòu)圖像分辨率最高可達(dá)400*400，成像面積2cm*2cm。

（3）配置清單