CN105676613A - 一种采用单像素桶探测器的数字全息幻影成像系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用单像素桶探测器的数字全息幻影成像系统及其工作方法，包括数字全息记录单元、全息图写入/读出单元、计算幻影成像单元和系统控制与信号处理单元。数字全息记录单元产生目标物体的全息图，并将其作为写入光写入到全息图写入/读出单元中。计算幻影成像单元产生可以动态刷新、携带有参考矩阵编码信息的结构光作为读出光将全息图读出，并由单像素桶探测器接收。该方法将幻影成像与数字全息结合起来，可以解决数字全息技术应用中因材料和工艺等限制所导致的面阵光电探测器的靶面尺寸和分辨率不足以及在某些波段面阵光电探测器难以制作的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用单像素桶探测器的数字全息幻影成像系统及其工作方法，属于光电成像、显示与检测技术领域。
背景技术
全息术(Holography)是英籍匈牙利科学家Gabor于1948年发明、基于相干光波(此处“光波”可以是其它波段的电磁波)之间干涉和衍射、能够记录和再现光波振幅和相位信息的一种技术，在信息记录与存储、成像与显示、干涉测量与检测、信息安全与防伪鉴别等领域具有广泛应用。自二十世纪六十年代以来，激光光源的发展为全息术研究和应用提供了良好的相干光源，光学全息术(OpticalHolography)进入了蓬勃发展时期，提出了不同种类的记录和再现方法(如同轴全息、离轴全息、傅立叶变换全息、像面全息及彩虹全息等)，并扩展到其它光谱波段(如X射线全息术、太赫兹全息术及微波全息术等)。随着计算机、数字信号处理及微光电子等技术的发展，计算全息(ComputerGeneratedHolography-CGH)和数字全息(DigitalHolography-DH)等技术分别于二十世纪六十年代和九十年代相继被提出，并得以深入研究和广泛应用。光学全息采用全息干板记录全息图，一般需要化学或物理显影和定影处理，因此一般是非实时的。计算全息不需要具体的记录光路，而是基于物光波的数学描述、通过计算机编码制作全息图，可以记录虚拟物体的全息图。数字全息的记录原理和光路结构与光学全息类似，但所采用的记录器件和再现方式与光学全息不同，它采用面阵光电探测器件(如CCD或CMOS)代替干板记录全息图，并将全息图以数字图像形式存储在计算机中，然后采用计算机数值计算模拟光波衍射传播过程来再现物光波，从而得到物体的再现象；与传统光学全息相比，数字全息不需要化学或物理显影定影过程、可以定量获得物光波振幅和相位的精确信息，因此，具有制作成本低、成像速度快、再现灵活等优点，特别适合于光电成像、显示及精密测量与检测。
近年来，随着计算机特别是高分辨率面阵光电探测器件的发展，数字全息技术及其应用受到越来越多的关注，但在实际应用中还存在以下两个问题：(1)面阵光电探测器的靶面尺寸和分辨率还远低于光学全息记录介质，使得数字全息在成像分辨率、视场及其应用领域方面受到很大限制；(2)在某些波段(如红外、太赫兹等)，受到材料和工艺等方面的限制，目前还难以制作出用于数字全息记录的大尺寸、高分辨率面阵器件。
幻影成像(GhostImaging)是一种新型成像技术，其原理是基于光子或光场之间的统计关联特性和符合测量。与采用具有空间分辨能力的面阵探测器的传统成像方式不同，幻影成像采用不具有空间分辨能力的单像素桶探测器(Single-pixelorBucketDetector)。幻影成像具有成像分辨率可以超越经典成像的衍射极限、受光路中的扰动及背景影响小、可在低于奈奎斯特采样率情况下得到良好成像效果等特点。幻影成像技术特别适用于面阵探测器难以制作或者价格非常昂贵的波段和应用领域。根据所采用的光源和测量原理的不同，幻影成像可分为采用量子纠缠光源的量子纠缠符合测量幻影成像和采用传统热光源的热光关联测量幻影成像。根据光路系统结构，热光关联测量幻影成像又可以分为双光路结构和单光路结构；其中，单光路结构也称之为计算幻影成像(ComputationalGhostImaging)。计算幻影成像不仅具有幻影成像的上述优点，而且无需真实的参考光路，只需通过运算就可以得到参考信号的光强分布，具有探测灵活、装置简单等优点。本发明中主要涉及计算幻影成像方法。
基于数字全息和幻影成像的基本原理，将幻影成像中的单像素桶探测成像方式引入到数字全息中，可以充分发挥数字全息和幻影成像各自的优点，从而形成新的具有特殊性能或适用于特定应用领域的成像方法。
PereClemente等人[1]将幻影成像中的单像素探测和数字全息相结合，提出一种单像素数字幻影全息术，其中采用了相移干涉和零差(homodyne)方法提取物体的振幅和相位信息，该方法采用了相移干涉，需要准确改变入射光的相位，对相移器件要求高、系统结构比较复杂。ZhangLeihong等人[2]在相移数字全息中采用单像素探测和压缩感知算法用于相位物体成像。B.Jack等人[3]在量子轨道角动量纠缠幻影成像中通过非局域相位滤波和符合测量实现图像对比度增强。ShengmeiZhao等人[4]在量子轨道角动量纠缠幻影成像中采用前向纠错信道编码(里所码，即Reed-solomoncodes)提高通过大气湍流成像的性能，对光源性能要求很高。[1]PereClemente,VicenteDur′an,EnriqueTajahuerce,VictorTorres-Company,andJesusLancis,“Single-pixeldigital“ghost”holography”,PHYSICALREVIEWA86,041803(R)(2012).[2]ZhangLeihong,LiangDong,LiBei,PanZilan,ZhangDawei,andMaXiuhua,“Studyofkeytechnologyofghostimagingviacompressivesensingforaphaseobjectbasedonphase-shiftingdigitalholography”,LaserPhys.Lett.12(2015)075202(9pp).[3]B.Jack,J.Leach,J.Romero,S.Franke-Arnold,M.Ritsch-Marte,S.M.Barnett,andM.J.Padgett,“HolographicGhostImagingandtheViolationofaBellInequality”,PRL103,083602(2009).[4]ShengmeiZhao,BeiWang,LongyanGong,YuboSheng,WeiwenCheng,XiaoliangDong,andBaoyuZheng,“ImprovingtheAtmosphereTurbulenceToleranceinHolographicGhostImagingSystembyChannelCoding”,JOURNALOFLIGHTWAVETECHNOLOGY,VOL.31,NO.17,SEPTEMBER1,2013。
中国专利文献CN103363924A公开了压缩的三维计算鬼成像系统，包括：光源、空间光调制器、至少四组会聚收光透镜、至少四组与会聚收光透镜对应的点探测器以及算法模块；光源发出的光投射到空间光调制器上，对光进行随机调制，调制后的光投影在物体上，该物体将光反射到各个方向，在其中的至少四个反射方向上分别设置一组会聚收光透镜以及点探测器；由点探测器对每个方向的总光强进行压缩采样，压缩采样结果输入算法模块中；上述过程重复多次，空间光调制器每一次调制不同的图案，算法模块根据测量矩阵以及多次压缩采样所得到的测量值，运用压缩感知算法反演出对应各个点探测器方向的二维图像，比较这些图像的阴影部分信息来构建3D表面梯度，最终重建出3D物体形状。
中国专利文献CN103472457A公开了一种稀疏孔径压缩计算关联飞行时间的三维成像系统，包括脉冲光源发射单元、扩束透镜、第四准直透镜、随机光学调制单元、偏振光分束器、第一透镜、束斑合成单元、稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元、全反射镜、会聚收光透镜、光探测器、飞行时间相关单元和压缩计算关联算法模块；其中，所述稀疏孔径单元包括至少三个子望远镜透镜，所述自由空间准直单元包括至少三个准直透镜，所述光束反射单元包括至少三个反射镜组；一子望远镜透镜、一准直透镜、一反射镜组形成一条光路；所述飞行时间相关单元包括脉冲宽度调节单元、可调延迟单元和同步信号源。
中国专利文献CN103472455A公开了一种稀疏孔径压缩计算关联飞行时间四维光谱成像系统，包括脉冲光源发射单元、扩束透镜、第四准直透镜、随机光学调制单元、全反射镜、偏振光分束器、第一透镜、束斑合成单元、稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元、光扩束准直单元、光谱分光单元、会聚收光单元、线阵光探测器、飞行时间相关单元和压缩计算关联算法模块；其中，所述稀疏孔径单元包括至少三个子望远镜透镜，所述自由空间准直单元包括至少三个准直透镜，所述光束反射单元包括至少三个反射镜组；一子望远镜透镜、一准直透镜、一反射镜组形成一条光路；所述飞行时间相关单元包括脉冲宽度调节单元、可调延迟单元和同步信号源。
上述三篇专利均采用视差法得到物体的三维信息，需要两个及以上的点探测器或多个光学元件组，结构复杂，系统庞大。
中国专利文献CN102621546A公开了一种基于关联成像的三维信息获取方法，利用光源发出探测光，探测光经过空间光调制器处理后投射至目标物体，检测来自目标物体的反射光，并由预处理单元进行两次调制，分别进行存储，经过对缓存器中存储的随机图像和调制后的光强信息进行计算，从而获得目标物体的三维信息。本发明提出基于关联成像的三维信息获取方法，对于三维物体，在获取光强信号列之后，对其进行调制，仅需要两次二维信息的计算就可以获得三维信息，适用于远距离、快速的三维信息获取。
中国专利文献CN102062861A公开了一种基于单探测器关联成像原理的三维成像方法。由数字处理器控制脉冲激光器发出脉冲光，经过光学处理后成为空间模式已知的脉冲光照射在空间光调制器上，空间光调制器给入射的脉冲光产生一个伪随机附加相位，该伪随机相位分布是已知的并已经存储供数字处理器后续处理。脉冲光经过空间光调制器后通过一个照明扩束系统，照射到目标上被反射后由聚光透镜收集到高速单点光强探测器上。探测器信号经过A/D变换后传输到数字处理器。经过多次探测后，数字处理器将收集到的信息和已存储的伪随机分布相位进行处理，最终产生一幅三维图像。
上述两篇专利均采用相位迭代方法获得物体的三维信息，需对脉冲光加入一个伪随机相位，在多次测量后，对数据处理时需要复杂运算。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种采用单像素桶探测器的数字全息幻影成像系统；
本发明还提供了上述数字全息幻影成像系统的工作方法；
本发明采用光寻址空间光调制器作为全息图像与幻影成像之间的中间转换器件，待成像物体的全息图作为写入光直接写入光寻址空间光调制器；本发明采用可以动态刷新、携带有参考矩阵编码信息的结构光作为光寻址空间光调制器的读出光读出全息图像，并由单像素桶探测器探测其光强；该光强信号与参考矩阵进行关联运算，经由计算幻影成像算法得到目标物体的全息图像；在得到该全息图像后，再根据数字全息成像再现算法得到物体的三维像。
本发明的技术方案为：
一种采用单像素桶探测器的数字全息幻影成像系统，包括数字全息记录单元、全息图写入/读出单元、计算幻影成像单元及系统控制与信号处理单元，所述数字全息记录单元、所述全息图写入/读出单元、所述计算幻影成像单元依次连接；
所述全息图写入/读出单元包括光寻址空间光调制器、分束器；
所述数字全息记录单元用于：实现物光波与相干参考光波之间的干涉，产生待成像物体的全息图；所述光寻址空间光调制器用于：接收待成像物体的全息图；所述计算幻影成像单元用于：读出所述全息图写入/读出单元中的全息图，并采用计算幻影成像算法重建全息图；所述系统控制与信号处理单元用于：控制和驱动所述数字全息记录单元、所述全息图写入/读出单元、所述计算幻影成像单元。
根据本发明优选的，所述计算幻影成像单元包括光源、照明光路、电寻址空间光调制器、探测光路及单像素桶探测器，所述光源、所述照明光路、所述电寻址空间光调制器、所述全息图写入/读出单元依次连接，所述全息图写入/读出单元、所述探测光路、所述单像素桶探测器、所述系统控制与信号处理单元依次连接；
所述光源发出的光波经过所述照明光路后投射到所述电寻址空间光调制器上，所述系统控制与信号处理单元驱动所述电寻址空间光调制器，将预先生成的编码矩阵或随机矩阵信号序列依次加载到所述电寻址空间光调制器上，所述电寻址空间光调制器对投射到其上的光波进行调制，产生读出光波，读出待成像物体的全息图；所述单像素桶探测器探测其光强；该光强信号与编码矩阵或随机矩阵进行关联运算，经由计算幻影成像算法得到目标物体的全息图像。
所述单像素桶探测器是不具有空间分辨能力的只有单一接收单元的光电探测器，包括具有不同光谱相应的窄带或宽带光电探测器，用以探测读出全息图的强度或能量。
根据本发明优选的，所述光寻址空间光调制器为硫化镉空间光调制器、氢化非晶硅/铁电液晶空间光调制器、BSO空间光调制器或能够完成上述写入/读出转换功能的其它器件。
根据本发明优选的，当所述光寻址空间光调制器的写入/读出方式为反射式时，所述数字全息记录单元、所述光寻址空间光调制器、所述分束器、所述探测光路依次连接，所述电寻址空间光调制器连接所述分束器；当所述光寻址空间光调制器的写入/读出方式为透射式时，所述数字全息记录单元、所述分束器、所述光寻址空间光调制器、所述探测光路依次连接，所述电寻址空间光调制器连接所述分束器。
当所述光寻址空间光调制器的写入/读出方式为透射式时，由所述光源发出的光波必须与相干光源发出的光波不相干，以免发生干涉对所述待成像物体的全息图的记录产生影响；同时，为了避免物光波及参考光波透过所述光寻址空间光调制器时与读出光发生串扰，可以使用不同波长的光波并利用滤光片消除串扰，也可以使用不同偏振态的光波并利用偏振器件消除串扰。
根据本发明优选的，所述数字全息记录单元包括待成像物体、相干光源及记录光路，所述待成像物体、所述相干光源分别连接所述记录光路，所述记录光路连接所述全息图写入/读出单元；
所述相干光源发出相干光波，相干光波经由所述待成像物体和记录光路得到物光波和参考光波，物光波和参考光波在所述光寻址空间光调制器的写入面上交叠干涉，形成干涉图样，干涉图样作为所述待成像物体的全息图写入到所述光寻址空间光调制器中。
上述数字全息幻影成像系统的工作方法，具体步骤包括：
A、执行步骤(1)及步骤(2)N次，完成N次探测
(1)全息图的产生与写入
a、所述相干光源发出相干光波，相干光波经由所述待成像物体和记录光路得到物光波O(x,y)和参考光波R(x,y)；
b、物光波O(x,y)和参考光波R(x,y)在所述光寻址空间光调制器的写入面上交叠干涉，形成强度分布为IH(x,y)的干涉图样，如式(Ⅰ)所示：
IH(x，y)＝|O(x，y)|2+|R(x，y)|2+O*(x，y)R(x，y)+O(x，y)R*(x，y)(I)
式(Ⅰ)中，O*(x，y)及R*(x，y)分别为O(x,y)及R(x,y)的复共轭。
c、基于所述光寻址空间光调制器的电光或磁光物理特性，干涉图样IH(x,y)作为所述待成像物体的全息图写入到所述光寻址空间光调制器中；所述光寻址空间光调制器进行一次完整全息记录过程的时间为TO，TO的求取公式如式(Ⅱ)所示：
TO＝TOU+TOS+TOD(II)
式(Ⅱ)中，TOU为所述光寻址空间光调制器的写入响应时间，TOD为所述光寻址空间光调制器的擦除响应时间，TOS是全息图IH(x,y)在所述光寻址空间光调制器中的稳定保持时间；在对所述待测物体进行一次完整全息记录过程中，应满足全息记录所需的稳定条件，即在时间TO内干涉条纹的抖动幅度不超过其最小条纹间距的1/4。
(2)全息图的读出与数字全息计算幻影成像信息采集
d、在所述计算幻影成像单元中，所述光源发出的光波经过所述照明光路后投射到所述电寻址空间光调制器上，设定投射到所述电寻址空间光调制器上的光波为RE(x,y)；
e、所述系统控制与信号处理单元驱动所述电寻址空间光调制器，所述系统控制与信号处理单元将预先生成的编码矩阵或随机矩阵信号序列Mn(x,y)依次加载到所述电寻址空间光调制器上，n＝1,2，…N；
f、在编码矩阵或随机矩阵信号的驱动下，所述电寻址空间光调制器对投射到其上的光波RE(x,y)进行调制，产生用于读出全息图的读出光波如式(Ⅲ)所示：
R′E，n(x，y)＝αRE(x，y)Mn(x，y)(III)
式(Ⅲ)中，α为所述电寻址空间光调制器的调制效率；
g、读出光波R′E，n(x，y)经自由空间传播或经光学系统传播到达所述光寻址空间光调制器的读出面上，读出写入其内的所述待成像物体的全息图IH(x,y)；设到达所述光寻址空间光调制器的读出面上的光波为R″E，n(x，y)，R″E，n(x，y)由RE，n(x，y)采用光波衍射理论计算得到，如式(Ⅳ)所示：
R″E，n(x，y)＝R′E，n(x，y)*h(x，y)(IV)
式(Ⅳ)，h(x,y)为光波衍射传播点扩散函数，*是卷积运算符；
h、光波R″E，n(x，y)从所述光寻址空间光调制器中读出全息图时被全息图IH(x,y)调制，被全息图IH(x,y)调制的读出光波为R″′E，n，H(x，y)，如式(Ⅴ)所示：
R″′E，n，H(x，y)＝βR″E，n(x，y)IH(x，y)(V)
式(Ⅴ)中，β为所述光寻址空间光调制器的调制效率；
i、被全息图调制的读出光波R″′E，n，H(x，y)经由所述探测光路收集，并被所述单像素桶探测器探测，探测到的光能量或功率大小Bn如式(Ⅵ)所示：
Bn＝∫∫|R″′E，n，H(x，y)|2dxdy(VI)
g、所述单像素桶探测器将该光能量或功率转化为电信号，并以数字化形式存储在所述系统控制与信号处理元中；
幻影成像需要多次探测并经过关联运算，才能使得到的图像趋近于目标图像。以上为第n次探测，对应于所述系统控制与信号处理单元生成的第n个编码矩阵或随机矩阵信号Mn(x,y)。在该次探测过程中，Mn(x,y)和RE(x，y)及α和β均是已知量；R′E，n(x，y)和R″E，n(x，y)分别由式(Ⅲ)和式(Ⅳ)计算得到，也是已知量；由所述单像素桶探测器探测得到的信号为Bn。
在所述光寻址空间光调制器稳定保持全息图IH(x,y)的时间TOS内，通过所述系统控制与信号处理元，依次改变用于驱动所述电寻址空间光调制器的编码矩阵或随机矩阵信号Mn(x,y)，进行N次探测得到N个不同的信号Bn，同时对应着N个不同的R′E，n(x，y)和R″E，n(x，y)。
B、获取与全息图IH(x,y)对应的幻影成像结果
对上述N次探测的结果基于计算幻影成像算法进行关联运算，得到与全息图IH(x,y)对应的幻影成像结果：
式(Ⅶ)中，
理论上，当探测次数N→∞时，GH(x，y)＝IH(x，y)实际应用中，所需要的探测次数N主要与所采用的编码矩阵或随机矩阵的特性有关，选用合适的矩阵并采用适当算法(如压缩感知算法等)可以大大降低探测次数。只要关联运算结果GH(x，y)足够逼近全息图IH(x,y)，就可以由GH(x，y)采用数字全息波前重建算法重建所述待测物体的物光波，从而实现对所述待测物体的成像、显示和检测。式(Ⅶ)所示只是计算幻影成像算法中的一种，其它计算幻影成像算法同样适用。
C、由幻影成像结果重建所述待成像物体的物光波
基于(Ⅶ)式的幻影成像结果，采用数字全息波前重建算法重建所述待成像物体的物光波。若关联运算结果GH(x，y)足够逼近全息图IH(x,y)，则可高精度重建所述待成像物体的物光波，进而实现对所述待成像物体的成像、显示和检测。
根据本发明优选的，设所述电寻址空间光调制器的刷新时间TE为：
TE＝TEU+TES+TED(VIII)
式(VIII)中，TEU、TES和TED分别是所述电寻址空间光调制器驱动信号的上升时间、稳定保持时间和下降时间；
设所述单像素桶探测器的探测时间TD为：
TD＝TDU+TDS+TDD(IX)
式(Ⅸ)中，TDU、TDS和TDD分别是所述单像素桶探测器探测信号的上升时间、稳定保持时间和下降时间；
全息图IH(x,y)在所述光寻址空间光调制器中的稳定时间TOS、所述电寻址空间光调制器的刷新时间(周期)TE及所述单像素桶探测器的探测时间(周期)TD满足的匹配关系如式(Ⅹ)、式(Ⅺ)所示：
TOS≥NTE(X)
TES≥N′TD(XI)
式(Ⅹ)、式(Ⅺ)中，所述电寻址空间光调制器中的编码矩阵或随机矩阵驱动信号的刷新次数为N，所述单像素桶探测器的探测次数为N′。
在完成一次全息图记录和读出过程中，所述待成像物体及其在所述光寻址空间光调制器的写入面上所形成的全息图应保持相对稳定。实际中，由于环境扰动及仪器自身的不稳定，全息图保持相对稳定的时间往往较短。因此，为了在该时间段内完成对所述待成像物体的全息图的记录和读出，全息图IH(x,y)在所述光寻址空间光调制器中的稳定时间TOS、所述电寻址空间光调制器的刷新时间(周期)TE及所述单像素桶探测器的探测时间(周期)TD应当满足以上匹配关系。
本发明的有益效果为：
1、在面阵光电探测器的靶面尺寸和分辨率达不到数字全息要求的情况下，本发明利用单像素桶探测器实现数字全息。
2、在某些波段(如红外、太赫兹等)，受到材料和工艺等方面的限制，目前还难以制作出用于数字全息记录的大尺寸、高分辨率面阵器件的情况下，本发明利用单像素桶探测器实现数字全息。
附图说明
图1为本发明所述采用单像素桶探测器的数字全息幻影成像系统框图；
图2为光寻址空间光调制器为反射式时的光路结构图；
图3为光寻址空间光调制器为透射式时的光路结构图；
图4为电寻址空间光调制器为反射式时的光路结构图；
图5为电寻址空间光调制器为透射式时的光路结构图；
图6为全息图写入/读出及信号探测的时间匹配关系图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种采用单像素桶探测器的数字全息幻影成像系统，包括数字全息记录单元、全息图写入/读出单元、计算幻影成像单元及系统控制与信号处理单元，所述数字全息记录单元、所述全息图写入/读出单元、所述计算幻影成像单元依次连接；
所述数字全息记录单元包括待成像物体、相干光源及记录光路，所述待成像物体、所述相干光源分别连接所述记录光路，所述记录光路连接所述全息图写入/读出单元；所述待成像物体，包括透射物体或反射/散射物体，包括振幅型物体或相位型物体或振幅/相位复合型物体。所述相干光源，是各个波段的具有一定相干性的各类光源，如不同波长的激光光源等。所述记录光路，包括：反射镜、分束镜、扩束镜、准直镜、透镜、偏振镜、波片、光衰减器等常用光学元件及其机械支撑与调整器件，以及电子快门等。根据所述待成像物体的特点和具体应用情况，所述数字全息记录单元的系统结构，采用透射式记录光路或反射式记录光路；采用同轴记录光路或离轴记录光路。所述数字全息记录单元产生的全息图类型包括菲涅耳全息、傅里叶变换全息及像面全息等，相应地在波前重建过程中对应着各自不同的重建算法。
所述数字全息记录单元用于：实现物光波与相干参考光波之间的干涉，产生待成像物体的全息图；所述相干光源发出相干光波，相干光波经由所述待成像物体和记录光路得到物光波和参考光波，物光波和参考光波在所述光寻址空间光调制器的写入面上交叠干涉，形成干涉图样，干涉图样作为所述待成像物体的全息图写入到所述光寻址空间光调制器中。
所述全息图写入/读出单元包括光寻址空间光调制器、分束器；所述光寻址空间光调制器为硫化镉空间光调制器、氢化非晶硅/铁电液晶空间光调制器、BSO空间光调制器或能够完成上述写入/读出转换功能的其它器件。
当所述光寻址空间光调制器的写入/读出方式为反射式时，所述数字全息记录单元、所述光寻址空间光调制器、所述分束器、所述探测光路依次连接，所述电寻址空间光调制器连接所述分束器；此时的光路结构图如图2所示。
当所述光寻址空间光调制器的写入/读出方式为透射式时，所述数字全息记录单元、所述分束器、所述光寻址空间光调制器、所述探测光路依次连接，所述电寻址空间光调制器连接所述分束器。此时的光路结构图如图3所示。
所述光寻址空间光调制器用于：接收待成像物体的全息图。
所述计算幻影成像单元包括光源、照明光路、电寻址空间光调制器、探测光路及单像素桶探测器，所述光源、所述照明光路、所述电寻址空间光调制器、所述全息图写入/读出单元依次连接，所述全息图写入/读出单元、所述探测光路、所述单像素桶探测器、所述系统控制与信号处理单元依次连接；所述单像素桶探测器是不具有空间分辨能力的只有单一接收单元的光电探测器，包括具有不同光谱相应的窄带或宽带光电探测器，用以探测读出全息图的强度或能量。
所述光源采用相干光源或非相干光源。所述照明光路和所述探测光路，包括反射镜、分束镜、扩束镜、准直镜、透镜、偏振镜、波片、光衰减器等常用光学元件及其机械支撑与调整器件。所述电寻址空间光调制器，包括液晶空间光调制器或数字微镜器件或其它能够实现同样功能的器件；根据内部结构和调制方式不同，所述电寻址空间光调制器分为反射式和透射式两种，分别如图4和图5所示。
所述计算幻影成像单元用于：读出所述全息图写入/读出单元中的全息图，并采用计算幻影成像算法重建全息图；所述光源发出的光波经过所述照明光路后投射到所述电寻址空间光调制器上，所述系统控制与信号处理单元驱动所述电寻址空间光调制器，将预先生成的编码矩阵或随机矩阵信号序列依次加载到所述电寻址空间光调制器上，所述电寻址空间光调制器对投射到其上的光波进行调制，产生读出光波，读出待成像物体的全息图；所述单像素桶探测器探测其光强；该光强信号与编码矩阵或随机矩阵进行关联运算，经由计算幻影成像算法得到目标物体的全息图像。
所述系统控制与信号处理元，由计算机、数据采集与A/D转换卡、图形/图像卡、信号处理与图像重建算法等软硬件组成。用以控制和驱动所述数字全息记录单元中的所述相干光源和电子快门等。用以为所述全息图写入/读出单元提供电源和驱动信号。用以控制和驱动所述计算幻影成像单元中的所述光源、所述电寻址空间光调制器及所述单像素桶探测器，为所述电寻址空间光调制器提供编码矩阵或随机矩阵信号并实现快速动态刷新，控制并获取所述单像素桶探测器的输出信号。用以采用计算幻影成像算法重建全息图，并采用数字全息波前重建算法得到全息图再现物体像。
实施例2
上述数字全息幻影成像系统的工作方法，具体步骤包括：
A、执行步骤(1)及步骤(2)N次，完成N次探测
(1)全息图的产生与写入
a、所述相干光源发出相干光波，相干光波经由所述待成像物体和记录光路得到物光波O(x,y)和参考光波R(x,y)；
b、物光波O(x,y)和参考光波R(x,y)在所述光寻址空间光调制器的写入面上交叠干涉，形成强度分布为IH(x,y)的干涉图样，如式(Ⅰ)所示：
IH(x，y)＝|O(x，y)|2+|R(x，y)|2+O*(x，y)R(x，y)+O(x，y)R*(x，y)(I)
式(Ⅰ)中，O*(x，y)及R*(x，y)分别为O(x,y)及R(x,y)的复共轭。
c、基于所述光寻址空间光调制器的电光或磁光物理特性，干涉图样IH(x,y)作为所述待成像物体的全息图写入到所述光寻址空间光调制器中；所述光寻址空间光调制器进行一次完整全息记录过程的时间为TO，TO的求取公式如式(Ⅱ)所示：
TO＝TOU+TOS+TOD(II)
式(Ⅱ)中，TOU为所述光寻址空间光调制器的写入响应时间，TOD为所述光寻址空间光调制器的擦除响应时间，TOS是全息图IH(x,y)在所述光寻址空间光调制器中的稳定保持时间；在对所述待测物体进行一次完整全息记录过程中，应满足全息记录所需的稳定条件，即在时间TO内干涉条纹的抖动幅度不超过其最小条纹间距的1/4。
(2)全息图的读出与数字全息计算幻影成像信息采集
d、在所述计算幻影成像单元中，所述光源发出的光波经过所述照明光路后投射到所述电寻址空间光调制器上，设定投射到所述电寻址空间光调制器上的光波为RE(x,y)；
e、所述系统控制与信号处理单元驱动所述电寻址空间光调制器，所述系统控制与信号处理单元将预先生成的编码矩阵或随机矩阵信号序列Mn(x,y)依次加载到所述电寻址空间光调制器上，n＝1,2，…N；
f、在编码矩阵或随机矩阵信号的驱动下，所述电寻址空间光调制器对投射到其上的光波RE(x,y)进行调制，产生用于读出全息图的读出光波R′E，n(x，y)如式(Ⅲ)所示：
R′E，n(x，y)＝αRE(x，y)Mn(x，y)(III)
式(Ⅲ)中，α为所述电寻址空间光调制器的调制效率；
g、读出光波R′E，n(x，y)经自由空间传播或经光学系统传播到达所述光寻址空间光调制器的读出面上，读出写入其内的所述待成像物体的全息图IH(x,y)；设到达所述光寻址空间光调制器的读出面上的光波为R″E，n(x，y)R″E，n(x，y)由R′E，n(x，y)采用光波衍射理论计算得到，如式(Ⅳ)所示：
R″E，n(x，y)＝R′E，n(x，y)*h(x，y)(IV)
式(Ⅳ)，h(x,y)为光波衍射传播点扩散函数，*是卷积运算符；
h、光波R″E，n(x，y)从所述光寻址空间光调制器中读出全息图时被全息图IH(x,y)调制，被全息图IH(x,y)调制的读出光波为R″′E，n，H(x，y)，如式(Ⅴ)所示：
R″′E，n，H(x，y)＝βR″E，n(x，y)IH(x，y)(V)
式(Ⅴ)中，β为所述光寻址空间光调制器的调制效率；
i、被全息图调制的读出光波R″′E，n，H(x，y)经由所述探测光路收集，并被所述单像素桶探测器探测，探测到的光能量或功率大小Bn如式(Ⅵ)所示：
Bn＝∫∫|R″′E，n，H(x，y)|2dxdy(VI)
g、所述单像素桶探测器将该光能量或功率转化为电信号，并以数字化形式存储在所述系统控制与信号处理元中；
幻影成像需要多次探测并经过关联运算，才能使得到的图像趋近于目标图像。以上为第n次探测，对应于所述系统控制与信号处理单元生成的第n个编码矩阵或随机矩阵信号Mn(x,y)。在该次探测过程中，Mn(x,y)和RE(x，y)及α和β均是已知量；R′E，n(x，y)和R″E，n(x，y)分别由式(Ⅲ)和式(Ⅳ)计算得到，也是已知量；由所述单像素桶探测器探测得到的信号为Bn。
在所述光寻址空间光调制器稳定保持全息图IH(x,y)的时间TOS内，通过所述系统控制与信号处理元，依次改变用于驱动所述电寻址空间光调制器的编码矩阵或随机矩阵信号Mn(x,y)，进行N次探测得到N个不同的信号Bn，同时对应着N个不同的R′E，n(x，y)和R″E，n(x，y)。
B、获取与全息图IH(x,y)对应的幻影成像结果
对上述N次探测的结果基于计算幻影成像算法进行关联运算，得到与全息图IH(x,y)对应的幻影成像结果：
式(Ⅶ)中，
理论上，当探测次数N→∞时，GH(x，y)＝IH(x，y)实际应用中，所需要的探测次数N主要与所采用的编码矩阵或随机矩阵的特性有关，选用合适的矩阵并采用适当算法(如压缩感知算法等)可以大大降低探测次数。只要关联运算结果GH(x，y)足够逼近全息图IH(x,y)，就可以由GH(x，y)采用数字全息波前重建算法重建所述待测物体的物光波，从而实现对所述待测物体的成像、显示和检测。式(Ⅶ)所示只是计算幻影成像算法中的一种，其它计算幻影成像算法同样适用。
C、由幻影成像结果重建所述待成像物体的物光波
基于(Ⅶ)式的幻影成像结果，采用数字全息波前重建算法重建所述待成像物体的物光波。若关联运算结果GH(x，y)足够逼近全息图IH(x,y)，则可高精度重建所述待成像物体的物光波，进而实现对所述待成像物体的成像、显示和检测。
根据本发明优选的，设所述电寻址空间光调制器的刷新时间TE为：
TE＝TEU+TES+TED(VIII)
式(VIII)中，TEU、TES和TED分别是所述电寻址空间光调制器驱动信号的上升时间、稳定保持时间和下降时间；
设所述单像素桶探测器的探测时间TD为：
TD＝TDU+TDS+TDD(IX)
式(Ⅸ)中，TDU、TDS和TDD分别是所述单像素桶探测器探测信号的上升时间、稳定保持时间和下降时间；
全息图IH(x,y)在所述光寻址空间光调制器中的稳定时间TOS、所述电寻址空间光调制器的刷新时间(周期)TE及所述单像素桶探测器的探测时间(周期)TD满足的匹配关系如式(Ⅹ)、式(Ⅺ)所示：
TOS≥NTE(X)
TES≥N′TD(XI)
式(Ⅹ)、式(Ⅺ)中，所述电寻址空间光调制器中的编码矩阵或随机矩阵驱动信号的刷新次数为N，所述单像素桶探测器的探测次数为N′。
在完成一次全息图记录和读出过程中，所述待成像物体及其在所述光寻址空间光调制器的写入面上所形成的全息图应保持相对稳定。实际中，由于环境扰动及仪器自身的不稳定，全息图保持相对稳定的时间往往较短。因此，为了在该时间段内完成对所述待成像物体的全息图的记录和读出，全息图IH(x,y)在所述光寻址空间光调制器中的稳定时间TOS、所述电寻址空间光调制器的刷新时间(周期)TE及所述单像素桶探测器的探测时间(周期)TD应当满足以上匹配关系。全息图写入/读出及信号探测的时间匹配关系图如图6所示。
Claims (7)
1.一种采用单像素桶探测器的数字全息幻影成像系统，其特征在于，包括数字全息记录单元、全息图写入/读出单元、计算幻影成像单元及系统控制与信号处理单元，所述数字全息记录单元、所述全息图写入/读出单元、所述计算幻影成像单元依次连接；
所述全息图写入/读出单元包括光寻址空间光调制器、分束器；
所述数字全息记录单元用于：实现物光波与相干参考光波之间的干涉，产生待成像物体的全息图；所述光寻址空间光调制器用于：接收待成像物体的全息图；所述计算幻影成像单元用于：读出所述全息图写入/读出单元中的全息图，并采用计算幻影成像算法重建全息图；所述系统控制与信号处理单元用于：控制和驱动所述数字全息记录单元、所述全息图写入/读出单元、所述计算幻影成像单元。
2.根据权利要求1所述的一种采用单像素桶探测器的数字全息幻影成像系统，其特征在于，所述计算幻影成像单元包括光源、照明光路、电寻址空间光调制器、探测光路及单像素桶探测器，所述光源、所述照明光路、所述电寻址空间光调制器、所述全息图写入/读出单元依次连接，所述全息图写入/读出单元、所述探测光路、所述单像素桶探测器、所述系统控制与信号处理单元依次连接；
所述光源发出的光波经过所述照明光路后投射到所述电寻址空间光调制器上，所述系统控制与信号处理单元驱动所述电寻址空间光调制器，将预先生成的编码矩阵或随机矩阵信号序列依次加载到所述电寻址空间光调制器上，所述电寻址空间光调制器对投射到其上的光波进行调制，产生读出光波，读出待成像物体的全息图；所述单像素桶探测器探测其光强；该光强信号与编码矩阵或随机矩阵进行关联运算，经由计算幻影成像算法得到目标物体的全息图像。
3.根据权利要求1所述的一种采用单像素桶探测器的数字全息幻影成像系统，其特征在于，所述光寻址空间光调制器为硫化镉空间光调制器、氢化非晶硅/铁电液晶空间光调制器或BSO空间光调制器。
4.根据权利要求2所述的一种采用单像素桶探测器的数字全息幻影成像系统，其特征在于，当所述光寻址空间光调制器的写入/读出方式为反射式时，所述数字全息记录单元、所述光寻址空间光调制器、所述分束器、所述探测光路依次连接，所述电寻址空间光调制器连接所述分束器；当所述光寻址空间光调制器的写入/读出方式为透射式时，所述数字全息记录单元、所述分束器、所述光寻址空间光调制器、所述探测光路依次连接，所述电寻址空间光调制器连接所述分束器。
5.根据权利要求2所述的一种采用单像素桶探测器的数字全息幻影成像系统，其特征在于，所述数字全息记录单元包括待成像物体、相干光源及记录光路，所述待成像物体、所述相干光源分别连接所述记录光路，所述记录光路连接所述全息图写入/读出单元；
所述相干光源发出相干光波，相干光波经由所述待成像物体和记录光路得到物光波和参考光波，物光波和参考光波在所述光寻址空间光调制器的写入面上交叠干涉，形成干涉图样，干涉图样作为所述待成像物体的全息图写入到所述光寻址空间光调制器中。
6.权利要求5所述的一种采用单像素桶探测器的数字全息幻影成像系统的工作方法，其特征在于，具体步骤包括：
A、执行步骤(1)及步骤(2)N次，完成N次探测
(1)全息图的产生与写入
a、所述相干光源发出相干光波，相干光波经由所述待成像物体和记录光路得到物光波O(x,y)和参考光波R(x,y)；
b、物光波O(x,y)和参考光波R(x,y)在所述光寻址空间光调制器的写入面上交叠干涉，形成强度分布为IH(x,y)的干涉图样，如式(Ⅰ)所示：
IH(x，y)＝|O(x，y)|2+|R(x，y)|2+O*(x，y)R(x，y)+O(x，y)R*(x，y)(I)
式(Ⅰ)中，O*(x，y)及R*(x，y)分别为O(x,y)及R(x,y)的复共轭；
c、基于所述光寻址空间光调制器的电光或磁光物理特性，干涉图样IH(x,y)作为所述待成像物体的全息图写入到所述光寻址空间光调制器中；所述光寻址空间光调制器进行一次完整全息记录过程的时间为TO，TO的求取公式如式(Ⅱ)所示：
TO＝TOU+TOS+TOD(II)
式(Ⅱ)中，TOU为所述光寻址空间光调制器的写入响应时间，TOD为所述光寻址空间光调制器的擦除响应时间，TOS是全息图IH(x,y)在所述光寻址空间光调制器中的稳定保持时间；
(2)全息图的读出与数字全息计算幻影成像信息采集
d、在所述计算幻影成像单元中，所述光源发出的光波经过所述照明光路后投射到所述电寻址空间光调制器上，设定投射到所述电寻址空间光调制器上的光波为RE(x,y)；
e、所述系统控制与信号处理单元驱动所述电寻址空间光调制器，所述系统控制与信号处理单元将预先生成的编码矩阵或随机矩阵信号序列Mn(x,y)依次加载到所述电寻址空间光调制器上，n＝1,2，…N；
f、在编码矩阵或随机矩阵信号的驱动下，所述电寻址空间光调制器对投射到其上的光波RE(x,y)进行调制，产生用于读出全息图的读出光波R′E，n(x，y)，如式(Ⅲ)所示：
R′E，n(x，y)＝αRE(x，y)Mn(x，y)(III)
式(Ⅲ)中，α为所述电寻址空间光调制器的调制效率；
g、读出光波R′E，n(x，y)经自由空间传播或经光学系统传播到达所述光寻址空间光调制器的读出面上，读出写入其内的所述待成像物体的全息图IH(x,y)；设到达所述光寻址空间光调制器的读出面上的光波为R″E，n(x，y)，R″E，n(x，y)由R′E，n(x，y)采用光波衍射理论计算得到，如式(Ⅳ)所示：
R″E，n(x，y)＝R′E，n(x，y)*h(x，y)(IV)
式(Ⅳ)，h(x,y)为光波衍射传播点扩散函数，*是卷积运算符；
h、光波R″E，n(x，y)从所述光寻址空间光调制器中读出全息图时被全息图IH(x,y)调制，被全息图IH(x,y)调制的读出光波为R″′E，n，H(x，y)，如式(Ⅴ)所示：
R″′E，n，H(x，y)＝βR″E，n(x，y)IH(x，y)(V)
式(Ⅴ)中，β为所述光寻址空间光调制器的调制效率；
i、被全息图调制的读出光波R″′E，n，H(x，y)经由所述探测光路收集，并被所述单像素桶探测器探测，探测到的光能量或功率大小Bn如式(Ⅵ)所示：
Bn＝∫∫|R″′E，n，H(x，y)|2dxdy(VI)；
g、所述单像素桶探测器将该光能量或功率转化为电信号，并以数字化形式存储在所述系统控制与信号处理元中；
B、获取与全息图IH(x,y)对应的幻影成像结果
对上述N次探测的结果基于计算幻影成像算法进行关联运算，得到与全息图IH(x,y)对应的幻影成像结果：
式(Ⅶ)中，
C、由幻影成像结果重建所述待成像物体的物光波
基于(Ⅶ)式的幻影成像结果，采用数字全息波前重建算法重建所述待成像物体的物光波。
7.根据权利要求6所述的一种采用单像素桶探测器的数字全息幻影成像系统的工作方法，其特征在于，设所述电寻址空间光调制器的刷新时间TE为：
TE＝TEU+TES+TED(VIII)
式(Ⅷ)中，TEU、TES和TED分别是所述电寻址空间光调制器驱动信号的上升时间、稳定保持时间和下降时间；
设所述单像素桶探测器的探测时间TD为：
TD＝TDU+TDS+TDD(IX)
式(Ⅸ)中，TDU、TDS和TDD分别是所述单像素桶探测器探测信号的上升时间、稳定保持时间和下降时间；
全息图IH(x,y)在所述光寻址空间光调制器中的稳定时间TOS、所述电寻址空间光调制器的刷新时间(周期)TE及所述单像素桶探测器的探测时间(周期)TD满足的匹配关系如式(X)、式(Ⅺ)所示：
TOS≥NTE(X)
TES≥N′TD(XI)
式(X)、式(Ⅺ)中，所述电寻址空间光调制器中的编码矩阵或随机矩阵驱动信号的刷新次数为N，所述单像素桶探测器的探测次数为N′。
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