CN204360096U - 基于压缩传感理论的数字全息成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于压缩传感理论的数字全息成像装置，包括图像生成模块、图像采集模块和图像处理模块，所述图像生成模块生成全息图像，所述图像采集模块对图像进行采集后将图像数据传送至所述图像处理模块，所述图像处理模块对图像数据进行3D物体的重构成像。所述图像采集模块包括：用于采集和压缩图像生成模块所生成的全息图从而生成压缩全息图的数字微镜器件、用于汇聚干涉全息图的透镜、对干涉全息图的光信号进行采集的单光子检测器以及用于将光信号转换成数字信号的A/D转换器。

Description

基于压缩传感理论的数字全息成像装置

技术领域

本实用新型属于数字全息成像领域，具体涉及一种基于压缩传感理论的数字全息成像装置及其检测方法。

背景技术

全息成像方法具有记录和再现物体相位和复振幅信息的特点，尤其对于真实世界的3D物体和3D场景的成像具有显著的优势。数字全息是用光电传感器件(如CCD或CMOS)代替干板记录全息图，然后将全息图存入计算机，用计算机模拟光学衍射过程来实现被记录物体的全息再现和处理。

数字全息与传统光学全息相比具有制作成本低，成像速度快，记录和再现灵活等优点。但是在过去的几年时间，巨大的频带宽度要求和传输全息数据量一直是限制数字全息技术应用的主要因素。

压缩感知(CS)技术为成像领域的研究提供了一个新的方向，因此基于压缩传感技术的许多新的应用已经在全息领域兴起。传统的全息成像采用面阵的CCD或CMOS成像，在高分辨率或者特定波长条件下，硬件成本非常高。而采用基于压缩感知的单像素成像系统利用单光子检测器来解决面阵成像困难，可以大大降低成像器件成本，同时大大降低数据传输量，是一种可行的方案。在这样的基于单像素的成像方案中，既可采用简单廉价的光电检测器，也可根据系统要求选取高端的光电检测器。超导单光子检测器就是一种新近发展的高灵敏度、低噪声的高端光电检测器，具有低暗环境计数和高检测率的优点。然而由于器件构造的限制，现有的超导单光子探测器存在一些面阵成像的困难。

另外，目前国内外的压缩全息技术都需要记录多幅全息图，这种方法由于需要对参考光的相位进行多次调节，因此会对实验结果造成误差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种数据量小、灵敏度高、成本低成像波段宽、应用广泛的基于压缩传感理论的数字全息成像装置。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种基于压缩传感理论的数字全息成像装置，包括图像生成模块、图像采集模块和图像处理模块，所述图像生成模块生成全息图像，所述图像采集模块对图像进行采集后将图像数据传送至所述图像处理模块，所述图像处理模块对图像数据进行3D物体的重构成像。所述图像采集模块包括：

数字微镜器件(Digital Micromirror Device，DMD)，用于采集和压缩图像生成模块所生成的全息图，从而生成压缩全息图；

透镜，用于汇聚压缩全息图；

单光子检测器，对压缩全息图的光信号进行采集；

A/D转换器，用于将光信号转换成数字信号，并传送至图像处理模块。

进一步，所述单光子检测器包括光线耦合器、超导单光子检测器和计数器；所述光纤耦合器将光信号传送至超导光电子检测器上，并由超导光电子检测器进行单点检测，再由计数器对光子数进行计数。

进一步，所述图像生成模块为马赫增德尔干涉仪。该马赫增德尔干涉仪包括激光器、滤光片、扩束器、电光相移调制器和反光镜。该激光器发出一束线性偏振激光束，该激光束经过滤光片的衰减后变成了光子级别的光束，光束经第一扩束器之后被分解成两束光波，其中一束形成参考光波并由电光相位调相器调相，另一束则直接照射物体形成物光波。透过物体照射的物光和另一路光路的参考光经过第二扩束器进行干涉后形成全息图并投影到DMD上面。

以及，该成像系统还包括图像传输模块和图像存储模块，分别用于传输与存储经图像处理模块处理后的图像数据。

所述基于压缩传感理论的数字全息成像装置工作过程包括如下步骤：

S1：通过图像生成模块生成干涉全息图；

S2：图像采集模块对全息图像进行采集压缩，并将光信号转换成数字信号，再传送至图像处理模块；

S3：图像处理模块先对3D物体进行重构，然后再对恢复图像进行滤波、降噪等图像处理。

进一步，所述步骤S2包括以下步骤：

S21：将干涉全息图投影到数字微镜器件进行采样压缩，形成压缩全息图；

S22：压缩全息图经过透镜的汇聚，收集到单光子检测器中；

S23：单光子检测器对光信号进行单点检测和光电子计数，再通过A/D转换器将光信号转换成数字信号，并传送至图像处理模块。

进一步，所述步骤S3包括以下步骤：

S31：利用压缩感知的重构算法重构在数字微镜器件平面上的同轴全息图；

S32：利用TwIST算法重构出原始3D物体。

上述两个步骤在计算机中进行。

以及，所述基于压缩传感理论的数字全息成像方法还包括步骤S4：经过图像处理模块处理后的图像通过传输模块传输至存储器存储。

相比于现有技术，本实用新型的一种基于压缩传感理论的数字全息成像装置及其成像方法，打破了传统面阵成像方法的限制，利用单光子检测器获取图像信息，结合压缩传感理论的重建算法和数字全息再现方法将原始的3D物体重建出来，灵敏度高、成本低、成像波段宽，能广泛应用于全光和弱光检测。

为了能更清晰的理解本实用新型，以下将结合附图说明阐述本实用新型的具体实施方式。

附图说明

图1是本实用新型的基于压缩传感理论的数字全息成像装置的结构框图。

图2是图1所示图像采集模块120的结构框图。

图3是本实用新型的基于压缩传感理论的数字全息成像装置的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，其是本实用新型的基于压缩传感理论的数字全息成像装置的结构框图。该基于压缩传感理论的数字全息成像装置100包括图像生成模块110、图像采集模块120、图像处理模块130、图像传输模块140以及图像存储模块150。

该图像生成模块110生成全息图像，该图像采集模块120对图像进行采集后将图像数据传送至所述图像处理模块130，所述图像处理模块130对图像数据进行3D物体的重构成像，之后通过传输模块140传送至存储模块150存储。其中，该图像生成模块110为马赫增德尔干涉仪。

请同时参阅图2和图3，其中，图2为图1所示图像采集模块120的结构框图；图3为本实用新型的基于压缩传感理论的数字全息成像装置的结构示意图。该图像采集模块120包括DMD121、透镜122、单光子检测器123和A/D转换器124。所述单光子检测器123包括光线耦合器1231、超导单光子探测器1232和计数器1233。所述光纤耦合器1231将光信号传送至超导光电子检测器1232上，并由超导光电子检测器1232进行单点检测，再由计数器1233对光子数进行计数。具体地，DMD121采用TI公司的D4100DMD型号为0.55”XGA，它的真实分辨率为1024x 768(XGA)，速度最大可达每秒22614帧。超导单光子探测器1232采用美国thorlabs公司PDA36A-EC探测器。

具体地，所述马赫增德尔干涉仪包括激光器111、中性密度滤光片112、第一扩束器113、第一反射镜114、第二扩束器115、第二反射镜116和电光相移调制器117。该激光器111发出的一束线性偏振激光束经过中性密度滤光片112的衰减后变成了光子级别的光束，光束经第一扩束器113分解为两束光波，其中一束光波形成参考光波u_r(x_H,y_H)，并由电光相位调相器117调相，另一束则直接照射物体形成物光波u_H(x_H,y_H)。透过物体照射的物光和另一路光路的参考光经过第二扩束器115进行干涉后在DMD121上形成干涉全息图I_H(x_H,y_H)。通过计算DMD121平面上的干涉图样与测量矩阵的随机线性测量值就可以得到压缩全息图的采样，然后经过透镜122的汇聚，收集到一个由光纤耦合器1231、超导单光子探测器1232以及计数器1233构成的高度敏感的单光子检测器123中，对光信号进行单点检测，再将收集到的光信号通过A/D转换器124转换为数字信号,然后传送至图像处理模块130通过压缩感知的重建算法重构出原始的3D物体。

以下具体说明该基于压缩传感理论的数字全息成像方法：

S1：通过马赫增德尔干涉仪生成干涉全息图；

S2：图像采集模块对全息图像进行采集压缩，并将光信号转换成数字信号，再传送至图像处理模块；

S3：图像处理模块先对3D物体进行重构，然后再对恢复图像进行滤波、降噪等图像处理。

S4：经过图像处理模块处理后的图像通过传输模块传输至存储器存储。

进一步，该步骤S2具体还包括以下步骤：

S21：将干涉全息图投影到数字微镜器件进行采样压缩，形成压缩全息图；

S22：压缩全息图经过透镜的汇聚，收集到单光子检测器中；

S23：单光子检测器对光信号进行单点检测和光电子计数，再通过A/D转换器将光信号转换成数字信号，并传送至图像处理模块。

进一步，该步骤S3具体还包括以下步骤：

S31：利用压缩感知的重构算法重构在数字微镜器件平面上的同轴全息图；

S32：利用TwIST算法重构出原始三维物体。

具体地，想要将压缩传感理论成功引入到数字全息图的重构算法中去，必须要将重构过程进行处理，使其适应压缩传感的基本方程。这需要将多维的数字全息图信息变成一维的信息来处理。因此，在这一基本思想的指导下，本实用新型对数字全息图的重构过程进行了处理，进而达到将两项技术相结合的目的。

本实用新型用O(x,y,z)代表仿真中的3D原始物体，其中x,y,z分别表示物体的坐标位置。此时，DMD平面上3D物体的菲涅尔衍射光场u_H可以表示为

u_H(x_H,y_H)＝∫∫∫o(x,y,z)h(x_H-x,y_H-y,z_H-z)dxdydz,          (1)

其中x_H和y_H分别表示DMD平面上的坐标位置，h表示菲涅尔衍射的点扩散函数。可以将公式(1)简化为

u_H＝Ho,                              (2)

当DMD平面捕获到用马赫增德尔干涉仪产生的一幅全息图I_H时，本实用新型将I_H表示为

I_H(x_H,y_H)＝|u_r+u_H|²＝|u_r|²+|u_H|²+u_r ^*u_H+u_ru_H ^*,       (3)

其中u_r和u_H分别表示DMD平面上的参考光和物光，符号*表示共轭复数。由于在全息中|u_r|²是一个常数，所以可以忽略其对全息图产生的影响。|u_H|²可以被看做是数字全息模型中的误差e，所以可以将公式(3)简化为

I_H(x_H,y_H)＝|u_H|²+u_r ^*u_H+u_ru_H ^*＝2Re(u_H)+|u_H|²＝2Re(u_H)+e.    (4)

当忽略误差e的影响时，可以近似地得到

$\widehat{I_H}(x_H,y_H)=2\mathrm{Re}\left(u_H\right)=2\mathrm{Re}\left(\mathrm{Ho}\right).---\left(5\right)$

在DMD上形成干涉图样的同时通过DMD的反射作用完成全息数据I_H与由DMD产生的测量矩阵Φ的线性测量，获取一个测量值

其中y_m是第m行的测量值，是由DMD产生的测量矩阵的第m行。本实用新型在全息数据的获取过程中，通过计算干涉图样与DMD121产生的测量矩阵的内积在采样的同时完成数据的压缩，具体过程与单像素相机获取图像过程类似：当通过马赫增德尔干涉仪生成的单幅全息图I_H由DMD121获取的时候，在RNG的作用下DMD121的微镜阵列处于伪随机状态1，将干涉图样随机的反射到+12⁰和-12⁰两个方向之一，然后通过超导单光子探测器1232的加权作用获取一个测量值将上述过程重复M次即可获得式(7)测量值。

Y＝[y₁ y₂...y_m...y_M]＝<Ψ,I_H>,         (7)

最后，光信号由A/D转换器124转换为数字信号，通过传统渠道传输到计算机，通过图像处理模块130进行图像重构。

基于这种方法，本实用新型在全光域的条件下完成3D全息图像的压缩采集，同时数据量可以高度降低。

在完成整个图像的压缩采样后，本实用新型首先根据压缩全息采样过程中获得的数据，利用压缩感知的重构算法l₁_magic重构DMD平面上的一幅同轴全息图

由于在目标空间中被测物体与背景往往差别较大，在边缘处具有较大的梯度，本实用新型采用全变分(TV)最小化方法进行约束求解。当在实验当中考虑超导单光子的影响时，这个实验结果将会受到光子计数率、暗计数率和测量噪声的影响。在这个平稳的温度和偏差条件下，超导单光子的光子计数率和暗计数率是稳定的，所以本实用新型只考虑测量噪声对实验系统的影响，因此，公式(8)可以变换为以下这个公式：

其中E～G(μ,σ)指的是测量噪声，这个测量噪声是一个均值为μ标准差为σ的高斯噪声。

一旦DMD平面上的这个全息图被计算机计算得到，根据公式(5)，具有稀疏特性的的这个原始的3D物体O(x,y,z)的重建过程可以当做一个最优化的问题，然后利用TV最小化的方法来重建：

$\begin{array}{ccc}\hat{o}=\underset{o}{\arg \min }{\left|\right|o\left|\right|}_{\mathrm{TV}}& s.t.& \widehat{I_H}\left(x_H{,y}_H\right)=2\mathrm{Re}\left(\mathrm{Ho}\right),---\left(10\right)\end{array}$

压缩感知中的一个算法：TwIST算法，可以用来解决这个最优化问题，即从一个最小化的目标函数中重建出原始3D物体：

在这里，指的是l₂范数，τ是一个正则化参数，TV(o)是一个受TV约束的正则化矩阵。最后这个目标函数被非二次项正则化，从而能够解决这个线性变换的病态问题。

在仿真实验中，激光波长为λ＝632.8nm，DMD采用是TI公司的D4100DMD型号为0.55”XGA，其中DMD的像素间距为3μm，测量矩阵Φ的大小为64×64。该实验用灰度图像模拟光子密度图像，并通过用T,F,E,H四个字母模拟的一个3D物体，这四个字母分别放置在距离DMD平面分别为0.03m到0.12m的位置上。我们调节电光相位调制器将参考波的相位设置为0。仿真系统中的测量噪声为E～G(0,2)。通过上述基于压缩传感理论的数字全息成像方法，成功得到了采样率为50％时DMD平面上的恢复全息图以及采样率为50％时恢复的原始3D物体。

相比于现有技术，本实用新型的一种基于压缩传感理论的数字全息成像装置及其成像方法，打破了传统面阵成像方法的限制，利用单光子检测器获取图像信息，结合压缩传感理论的重建算法和数字全息再现方法将原始的3D物体重建出来，灵敏度高、成本低、成像波段宽，能广泛应用于全光和弱光检测。

本实用新型并不局限于上述实施方式，如果对本实用新型的各种改动或变形不脱离本实用新型的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本实用新型的权利要求和等同技术范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变形。

Claims (4)

1.一种基于压缩传感理论的数字全息成像装置，包括图像生成模块、图像采集模块和图像处理模块，所述图像生成模块生成全息图像，所述图像采集模块对图像进行采集压缩后将图像数据传送至所述图像处理模块，所述图像处理模块对图像数据进行3D物体的重构成像；

其特征在于：所述图像采集模块包括

数字微镜器件，用于采集和压缩图像生成模块所生成的全息图，从而生成压缩全息图；

透镜，用于汇聚压缩全息图；

单光子检测器，对压缩全息图的光信号进行采集；

A/D转换器，用于将光信号转换成数字信号，并传送至图像处理模块。

2.根据权利要求1所述的基于压缩传感理论的数字全息成像装置，其特征在于：所述单光子检测器包括光线耦合器、超导单光子检测器和计数器；所述光纤耦合器将光信号传送至超导光电子检测器上，并由超导光电子检测器进行单点检测，再由计数器对光子数进行计数。

3.根据权利要求2所述的基于压缩传感理论的数字全息成像装置，其特征在于：所述图像生成模块为马赫增德尔干涉仪。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于压缩传感理论的数字全息成像装置，其特征在于：还包括图像传输模块和图像存储模块，分别用于传输与存储经图像处理模块处理后的图像数据。