基于空間光調(diào)制器的單像素成像實驗研究.pdf

1、單像素成像是指使用單點光電探測器實現(xiàn)對二維場景的成像，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)的探測器成本低，且在非可見光波段成像、散射介質(zhì)成像等方面有很大優(yōu)勢。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，但對比度沒有DMD高，且液晶SLM的調(diào)制依賴于液晶分子的偏轉(zhuǎn)，在掩膜加載和光強采集之

2、間需要預(yù)留液晶的偏轉(zhuǎn)時間。本文分別完成了基于不同成像理論的單像素成像實驗，包括計算鬼成像實驗，壓縮傳感單像素相機實驗和四步相移單像素實驗，并對它們各自成像系統(tǒng)和成像質(zhì)量進行比較和評價。具體來講，本文完成了以下幾個方面的研究工作：
　　1、單點光電探測器和空間光調(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、工作模式和各個器件特性，闡述了各自

3、優(yōu)缺點，并詳細介紹本文實驗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，即通過統(tǒng)計光強漲落特性成像的計算鬼成像、應(yīng)用壓縮傳感理論的單像素相機以及通過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行詳細討論。
　　3、在計算鬼成像和壓縮傳感成像中，將二者進行模擬和實驗的對比，計算鬼成像采

4、用二階關(guān)聯(lián)算法恢復(fù)，壓縮傳感單像素相機采用OMP算法恢復(fù)。二者都可以使用DMD加載隨機二值掩膜，因此本文在DMD上加載相同的掩膜并使用同一組測量值分別進行重建。實驗結(jié)果表明，計算鬼成像一般需要較多的采樣才能實現(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的成像結(jié)果質(zhì)量明顯優(yōu)于計算鬼成像的成像結(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

5、，重建過程消耗時間長。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，本文實現(xiàn)了使用振幅型液晶空間光調(diào)制器加載正弦條紋，實現(xiàn)對透射物體的成像。進一步地，使用計算機LCD顯示正弦結(jié)構(gòu)光條紋實現(xiàn)基于LCD的無透鏡單像素成像。使用LCD取代投影儀或液晶SLM可以降低實驗對硬件的要求，節(jié)約了成本，簡化了光路。在實驗中分析了LCD的Gamma曲線