實驗介紹

單像素成像是指使用單點探測器（PD、PMT等）代替?zhèn)鹘y(tǒng)成像系統(tǒng)中的CCD或者CMOS陣列式感光元件來完成對物體透射或反射的光強的探測。由于單點探測器不具有空間分辨率，成像系統(tǒng)采用單臂測量時，往往通過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，然后從單點探測器獲得對應于不同掩膜的一系列光強值來恢復物體的像。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、反應靈敏等優(yōu)點，不僅可以用于可見光波段成像，同時也可用于紅外、太赫茲等非可見光波段的成像。近年來單像素成像在穿過散射介質(zhì)成像以及水下成像中的應用更顯示了其在生物醫(yī)學、軍事、超分辨等領域的巨大應用潛力。

本實驗系統(tǒng)光路器件如下圖。

單像素成像實驗光路圖

實驗原理

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

計算鬼成像示意圖

系統(tǒng)設計

DMD是一種新興的空間光調(diào)制器，DMD表面集成了成千上萬個有規(guī)律地排布成一個陣列的正方形精密微小反射鏡片,每個微鏡片對應一個像素。DMD光能利用率高，亮度、對比度出色，所有微鏡同步，調(diào)制的線性度高，并且響應速度快，每秒可以達到上萬次的翻轉(zhuǎn)。單像素成像實驗是利用DMD加載參考圖（散斑圖），通過探測器獲取樣品的反射光強度，通過計算機的關聯(lián)計算獲取圖像的系統(tǒng)。

實驗系統(tǒng)設計圖

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定的頻率進行時序播放；

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

聚焦透鏡和探測器是將目標物散射的光接收并通過數(shù)據(jù)采集卡傳給電腦，作為強度數(shù)據(jù)量存儲下來。

系統(tǒng)功能

UPOLabs單像素成像實驗系統(tǒng)利用DMD空間光調(diào)制器對目標光場進行編碼，利用單像素探測器采集編碼后的光場信息，通過經(jīng)典關聯(lián)計算算法、差分關聯(lián)算法、壓縮感知算法等不同算法重建出目標場景圖像，該系統(tǒng)可供高校老師和相關科研人員進行單像素成像實驗教學，同時也可在此系統(tǒng)基礎上開展重建算法相關的科研工作。

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，軟件部分由三個獨立軟件構(gòu)成，硬件部分包括激光器光源、擴束鏡、DMD空間光調(diào)制器、成像組件、聚焦組件、光闌組件、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡、目標物組件等組成。

（2）技術指標

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）。

光場數(shù)據(jù)采集精度：16bit，0V-10V。

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

重構(gòu)圖像分辨率最高可達400*400，成像面積2cm*2cm。

（3）配置清單