[实用新型]基于压缩传感理论的数字全息成像装置

说明书

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。