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(yīng)于不同掩膜的一系列光強值來恢復(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，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(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(chǔ)。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(fù)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(guān)聯(lián)就能夠恢復(fù)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(shè)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(guān)聯(lián)計算獲取圖像的系統(tǒng)。

實驗系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(guān)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(guān)聯(lián)計算算法、差分關(guān)聯(lián)算法、壓縮感知算法等不同算法重建出目標場景圖像，該系統(tǒng)可供高校老師和相關(guān)科研人員進行單像素成像實驗教學(xué)，同時也可在此系統(tǒng)基礎(chǔ)上開展重建算法相關(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(shù)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