基于空間光調(diào)制器的單像素成像實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、單像素成像是指使用單點(diǎn)光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)二維場(chǎng)景的成像，與基于透鏡和CCD的傳統(tǒng)成像系統(tǒng)相比，單像素成像系統(tǒng)的探測(cè)器成本低，且在非可見(jiàn)光波段成像、散射介質(zhì)成像等方面有很大優(yōu)勢(shì)。單像素成像系統(tǒng)往往包含空間光調(diào)制器，不同的空間光調(diào)制器對(duì)入射光的調(diào)制特性也不盡相同，例如DMD能夠?qū)崿F(xiàn)高對(duì)比度的調(diào)制，但通常僅限于二值化調(diào)制；而液晶SLM則能夠?qū)崿F(xiàn)256灰階的調(diào)制，但對(duì)比度沒(méi)有DMD高，且液晶SLM的調(diào)制依賴于液晶分子的偏轉(zhuǎn)，在掩膜加載和光強(qiáng)采集之

2、間需要預(yù)留液晶的偏轉(zhuǎn)時(shí)間。本文分別完成了基于不同成像理論的單像素成像實(shí)驗(yàn)，包括計(jì)算鬼成像實(shí)驗(yàn)，壓縮傳感單像素相機(jī)實(shí)驗(yàn)和四步相移單像素實(shí)驗(yàn)，并對(duì)它們各自成像系統(tǒng)和成像質(zhì)量進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)。具體來(lái)講，本文完成了以下幾個(gè)方面的研究工作：
　　1、單點(diǎn)光電探測(cè)器和空間光調(diào)制器是單像素成像系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)成像系統(tǒng)的光電器件，本文介紹了常用的雪崩光電二極管、液晶空間光調(diào)制器和數(shù)字微鏡器件，分別給出各自的工作原理、工作模式和各個(gè)器件特性，闡述了各自

3、優(yōu)缺點(diǎn)，并詳細(xì)介紹本文實(shí)驗(yàn)中所用到器件具體參數(shù)。
　　2、介紹了三種典型的單像素成像理論，即通過(guò)統(tǒng)計(jì)光強(qiáng)漲落特性成像的計(jì)算鬼成像、應(yīng)用壓縮傳感理論的單像素相機(jī)以及通過(guò)獲取物體傅里葉頻譜反演成像的四步相移成像。三種成像理論的提出背景、遵循原理雖然不同，但都能夠在類似的系統(tǒng)裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)單像素成像，因此本文將三種成像都納入單像素成像的框架中進(jìn)行詳細(xì)討論。
　　3、在計(jì)算鬼成像和壓縮傳感成像中，將二者進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，計(jì)算鬼成像采

4、用二階關(guān)聯(lián)算法恢復(fù)，壓縮傳感單像素相機(jī)采用OMP算法恢復(fù)。二者都可以使用DMD加載隨機(jī)二值掩膜，因此本文在DMD上加載相同的掩膜并使用同一組測(cè)量值分別進(jìn)行重建。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，計(jì)算鬼成像一般需要較多的采樣才能實(shí)現(xiàn)較高的信噪比，而在欠采樣情況下基于壓縮傳感理論的單像素相機(jī)的成像結(jié)果質(zhì)量明顯優(yōu)于計(jì)算鬼成像的成像結(jié)果。
　　4、雖然壓縮傳感能夠在欠采樣情況下較好地恢復(fù)物體的像，但由于其計(jì)算復(fù)雜度高，尤其在高采樣率的情況下重建高像素的物體時(shí)

5、，重建過(guò)程消耗時(shí)間長(zhǎng)。而四步相移單像素成像的重建算法是快速傅里葉逆變換(IFFT)，能夠?qū)崿F(xiàn)速度快、質(zhì)量高地重建物體的像。在已經(jīng)提出的使用投影儀照射正弦條紋結(jié)構(gòu)光的基礎(chǔ)上，本文實(shí)現(xiàn)了使用振幅型液晶空間光調(diào)制器加載正弦條紋，實(shí)現(xiàn)對(duì)透射物體的成像。進(jìn)一步地，使用計(jì)算機(jī)LCD顯示正弦結(jié)構(gòu)光條紋實(shí)現(xiàn)基于LCD的無(wú)透鏡單像素成像。使用LCD取代投影儀或液晶SLM可以降低實(shí)驗(yàn)對(duì)硬件的要求，節(jié)約了成本，簡(jiǎn)化了光路。在實(shí)驗(yàn)中分析了LCD的Gamma曲線