基于DMD空间光调制器的单像素成像实验系统设计

实验介绍

单像素成像是指使用单点探测器（PD、PMT等）代替传统成像系统中的CCD或者CMOS阵列式感光元件来完成对物体透射或反射的光强的探测。由于单点探测器不具有空间分辨率，成像系统采用单臂测量时，往往通过在不同种类的空间光调制器上加载一系列掩膜，使调制后的光代替赝热光源照射至物体，然后从单点探测器获得对应于不同掩膜的一系列光强值来恢复物体的像。相比传统成像系统，单像素成像系统具有体积小、成本低、反应灵敏等优点，不仅可以用于可见光波段成像，同时也可用于红外、太赫兹等非可见光波段的成像。近年来单像素成像在穿过散射介质成像以及水下成像中的应用更显示了其在生物医学、军事、超分辨等领域的巨大应用潜力。

本实验系统光路器件如下图。

单像素成像实验光路图

实验原理

单像素成像是一种新的计算成像方案，计算鬼成像(Computational Ghost Imaging，CGI)是单像素成像的理论基础。计算鬼成像与传统经典双臂鬼成像不同，计算鬼成像为单臂光路，仅需要一个桶探测器即可恢复物体的像。其过程是在空间光调制器（SLM）上加载相位或振幅随机分布的像素，这样光束在物体表面产生的散斑类似于热光源的散斑，而且由于原来参考臂的散斑光场可以根据自由空间的衍射理论计算出来，故参考臂及CCD被省去。直接由信号臂桶探测器的物光总光强值与计算的散斑分布进行关联就能够恢复物体的像。计算鬼成像相对比传统双臂经典鬼成像光路更为简单紧凑，而且投影到物平面的光场都是可人为调控的，所以可以依靠设计特殊散斑的方法来增加成像结果的对比度，提高信噪比，这些都是计算鬼成像对比于传统鬼成像的优势。

计算鬼成像示意图

系统设计

DMD是一种新兴的空间光调制器，DMD表面集成了成千上万个有规律地排布成一个阵列的正方形精密微小反射镜片,每个微镜片对应一个像素。DMD光能利用率高，亮度、对比度出色，所有微镜同步，调制的线性度高，并且响应速度快，每秒可以达到上万次的翻转。单像素成像实验是利用DMD加载参考图（散斑图），通过探测器获取样品的反射光强度，通过计算机的关联计算获取图像的系统。

实验系统设计图

DMD空间光调制器是核心器件，可以加载一系列的散斑图，并将这些散斑图按照设定的频率进行时序播放；

成像透镜将DMD透射光散斑图成像到目标物上，根据成像关系，可以在目标物上看到清晰的投影图案；

聚焦透镜和探测器是将目标物散射的光接收并通过数据采集卡传给电脑，作为强度数据量存储下来。

系统功能

UPOLabs单像素成像实验系统利用DMD空间光调制器对目标光场进行编码，利用单像素探测器采集编码后的光场信息，通过经典关联计算算法、差分关联算法、压缩感知算法等不同算法重建出目标场景图像，该系统可供高校老师和相关科研人员进行单像素成像实验教学，同时也可在此系统基础上开展重建算法相关的科研工作。

单像素成像重建结果

系统配置

（1）系统组成

该系统由软件和硬件共同组成，软件部分由三个独立软件构成，硬件部分包括激光器光源、扩束镜、DMD空间光调制器、成像组件、聚焦组件、光阑组件、光电探测器、数据采集卡、目标物组件等组成。

（2）技术指标

DMD分辨率：1920*1080或1024*768，即编码矩阵最大分辨率。

波段范围：400nm-700nm（红外可选）。

光场数据采集精度：16bit，0V-10V。

硬件接口：DMD与上位机软件之间通过USB3.0接口进行通信，数据采集卡与上位机之间通过USB2.0接口进行通信，DMD与采集卡之间通过同轴电缆进行硬触发。

重构图像分辨率最高可达400*400，成像面积2cm*2cm。

（3）配置清单