基于压缩传感理论的数字全息成像装置及其成像方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术还提供一种基于压缩传感理论的数字全息成像方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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<br>的相位进行多次调节，因此会对实验结果造成误差。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。同时，本专利技术还提供一种基于压缩传感理论的数字全息成像方法。一种基于压缩传感理论的数字全息成像方法，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，本专利技术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专利技术，以下将结合附图说明阐述本专利技术的具体实施方式。附图说明图1是本专利技术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是本专利技术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，其是本专利技术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为本专利技术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、第一扩束本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。
5.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：李军，潘阳阳，李娇声，朱露露，李俞莹，陈晓东，李榕，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44