基于壓縮傳感理論的數(shù)字全息成像裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于數(shù)字全息成像領(lǐng)域，具體涉及一種基于壓縮傳感理論的數(shù)字全息 成像裝置及其檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 全息成像方法具有記錄和再現(xiàn)物體相位和復(fù)振幅信息的特點(diǎn)，尤其對(duì)于真實(shí)世界 的3D物體和3D場(chǎng)景的成像具有顯著的優(yōu)勢(shì)。數(shù)字全息是用光電傳感器件（如CCD或CMOS) 代替干板記錄全息圖，然后將全息圖存入計(jì)算機(jī)，用計(jì)算機(jī)模擬光學(xué)衍射過程來實(shí)現(xiàn)被記 錄物體的全息再現(xiàn)和處理。
[0003] 數(shù)字全息與傳統(tǒng)光學(xué)全息相比具有制作成本低，成像速度快，記錄和再現(xiàn)靈活等 優(yōu)點(diǎn)。但是在過去的幾年時(shí)間，巨大的頻帶寬度要求和傳輸全息數(shù)據(jù)量一直是限制數(shù)字全 息技術(shù)應(yīng)用的主要因素。
[0004] 壓縮感知（CS)技術(shù)為成像領(lǐng)域的研宄提供了一個(gè)新的方向，因此基于壓縮傳感 技術(shù)的許多新的應(yīng)用已經(jīng)在全息領(lǐng)域興起。傳統(tǒng)的全息成像采用面陣的CCD或CMOS成像， 在高分辨率或者特定波長(zhǎng)條件下，硬件成本非常高。而采用基于壓縮感知的單像素成像系 統(tǒng)利用單光子檢測(cè)器來解決面陣成像困難，可以大大降低成像器件成本，同時(shí)大大降低數(shù) 據(jù)傳輸量，是一種可行的方案。在這樣的基于單像素的成像方案中，既可采用簡(jiǎn)單廉價(jià)的光 電檢測(cè)器，也可根據(jù)系統(tǒng)要求選取高端的光電檢測(cè)器。超導(dǎo)單光子檢測(cè)器就是一種新近發(fā) 展的高靈敏度、低噪聲的高端光電檢測(cè)器，具有低暗環(huán)境計(jì)數(shù)和高檢測(cè)率的優(yōu)點(diǎn)。然而由于 器件構(gòu)造的限制，現(xiàn)有的超導(dǎo)單光子探測(cè)器存在一些面陣成像的困難。
[0005] 另外，目前國(guó)內(nèi)外的壓縮全息技術(shù)都需要記錄多幅全息圖，這種方法由于需要對(duì) 參考光的相位進(jìn)行多次調(diào)節(jié)，因此會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成誤差。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)與不足，提供一種數(shù)據(jù)量小、靈敏 度高、成本低成像波段寬、應(yīng)用廣泛的基于壓縮傳感理論的數(shù)字全息成像裝置。
[0007] 本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種基于壓縮傳感理論的數(shù)字全息成 像裝置，包括圖像生成模塊、圖像采集模塊和圖像處理模塊，所述圖像生成模塊生成全息圖 像，所述圖像采集模塊對(duì)圖像進(jìn)行采集后將圖像數(shù)據(jù)傳送至所述圖像處理模塊，所述圖像 處理模塊對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行3D物體的重構(gòu)成像。所述圖像采集模塊包括：
[0008] 數(shù)字微鏡器件（Digital Micromirror Device，DMD)，用于采集和壓縮圖像生成模 塊所生成的全息圖，從而生成壓縮全息圖；
[0009] 透鏡，用于匯聚壓縮全息圖；
[0010] 單光子檢測(cè)器，對(duì)壓縮全息圖的光信號(hào)進(jìn)行采集；
[0011] A/D轉(zhuǎn)換器，用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并傳送至圖像處理模塊。
[0012] 進(jìn)一步，所述單光子檢測(cè)器包括光線耦合器、超導(dǎo)單光子檢測(cè)器和計(jì)數(shù)器；所述光 纖耦合器將光信號(hào)傳送至超導(dǎo)光電子檢測(cè)器上，并由超導(dǎo)光電子檢測(cè)器進(jìn)行單點(diǎn)檢測(cè)，再 由計(jì)數(shù)器對(duì)光子數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。
[0013] 進(jìn)一步，所述圖像生成模塊為馬赫增德爾干涉儀。該馬赫增德爾干涉儀包括激光 器、濾光片、擴(kuò)束器、電光相移調(diào)制器和反光鏡。該激光器發(fā)出一束線性偏振激光束，該激 光束經(jīng)過濾光片的衰減后變成了光子級(jí)別的光束，光束經(jīng)第一擴(kuò)束器之后被分解成兩束光 波，其中一束形成參考光波并由電光相位調(diào)相器調(diào)相，另一束則直接照射物體形成物光波。 透過物體照射的物光和另一路光路的參考光經(jīng)過第二擴(kuò)束器進(jìn)行干涉后形成全息圖并投 影到DMD上面。
[0014] 以及，該成像系統(tǒng)還包括圖像傳輸模塊和圖像存儲(chǔ)模塊，分別用于傳輸與存儲(chǔ)經(jīng) 圖像處理模塊處理后的圖像數(shù)據(jù)。
[0015] 所述基于壓縮傳感理論的數(shù)字全息成像裝置工作過程包括如下步驟：
[0016] Sl :通過圖像生成模塊生成干涉全息圖；
[0017] S2:圖像采集模塊對(duì)全息圖像進(jìn)行采集壓縮，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再傳送 至圖像處理模塊；
[0018] S3:圖像處理模塊先對(duì)3D物體進(jìn)行重構(gòu)，然后再對(duì)恢復(fù)圖像進(jìn)行濾波、降噪等圖 像處理。
[0019] 進(jìn)一步，所述步驟S2包括以下步驟：
[0020] S21 :將干涉全息圖投影到數(shù)字微鏡器件進(jìn)行采樣壓縮，形成壓縮全息圖；
[0021] S22 :壓縮全息圖經(jīng)過透鏡的匯聚，收集到單光子檢測(cè)器中；
[0022] S23 :單光子檢測(cè)器對(duì)光信號(hào)進(jìn)行單點(diǎn)檢測(cè)和光電子計(jì)數(shù)，再通過A/D轉(zhuǎn)換器將光 信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并傳送至圖像處理模塊。
[0023] 進(jìn)一步，所述步驟S3包括以下步驟：
[0024] S31 :利用壓縮感知的重構(gòu)算法重構(gòu)在數(shù)字微鏡器件平面上的同軸全息圖；
[0025] S32 :利用TwIST算法重構(gòu)出原始3D物體。
[0026] 上述兩個(gè)步驟在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行。
[0027] 以及，所述基于壓縮傳感理論的數(shù)字全息成像方法還包括步驟S4 :經(jīng)過圖像處理 模塊處理后的圖像通過傳輸模塊傳輸至存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。
[0028] 相比于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型的一種基于壓縮傳感理論的數(shù)字全息成像裝置及其 成像方法，打破了傳統(tǒng)面陣成像方法的限制，利用單光子檢測(cè)器獲取圖像信息，結(jié)合壓縮傳 感理論的重建算法和數(shù)字全息再現(xiàn)方法將原始的3D物體重建出來，靈敏度高、成本低、成 像波段寬，能廣泛應(yīng)用于全光和弱光檢測(cè)。
[0029] 為了能更清晰的理解本實(shí)用新型，以下將結(jié)合【附圖說明】闡述本實(shí)用新型的具體實(shí) 施方式。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本實(shí)用新型的基于壓縮傳感理論的數(shù)字全息成像裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
[0031] 圖2是圖1所示圖像采集模塊120的結(jié)構(gòu)框圖。
[0032] 圖3是本實(shí)用新型的基于壓縮傳感理論的數(shù)字全息成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 請(qǐng)參閱圖1，其是本實(shí)用新型的基于壓縮傳感理論的數(shù)字全息成像裝置的結(jié)構(gòu)框 圖。該基于壓縮傳感理論的數(shù)字全息成像裝置100包括圖像生成模塊110、圖像采集模塊 120、圖像處理模塊130、圖像傳輸模塊140以及圖像存儲(chǔ)模塊150。
[0034] 該圖像生成模塊110生成全息圖像，該圖像采集模塊120對(duì)圖像進(jìn)行采集后將圖 像數(shù)據(jù)傳送至所述圖像處理模塊130,所述圖像處理模塊130對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行3D物體的重 構(gòu)成像，之后通過傳輸模塊140傳送至存儲(chǔ)模塊150存儲(chǔ)。其中，該圖像生成模塊110為馬 赫增德爾干涉儀。
[0035] 請(qǐng)同時(shí)參閱圖2和圖3,其中，圖2為圖1所示圖像采集模塊120的結(jié)構(gòu)框圖；圖 3為本實(shí)用新型的基于壓縮傳感理論的數(shù)字全息成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。該圖像采集模塊 120包括DMD121、透鏡122、單光子檢測(cè)器123和A/D轉(zhuǎn)換器124。所述單光子檢測(cè)器123 包括光線耦合器1231、超導(dǎo)單光子探測(cè)器1232和計(jì)數(shù)器12