一种高通量单像素全息成像方法及其系统技术方案

本发明专利技术提供一种高通量单像素全息成像方法，包括：激光源发射激光经过偏光分束器后分为信号光及参考光；信号光经第一调制器调制至第一频率后映射在DMD上直接调制二元强度图案，再通过光学透镜系统直接共轭面映射到样品后进入分束镜；参考光经第二调制器调制至第二频率后由反射镜引导至分束镜；信号光与参考光在分束镜上进行合束干涉，并在干涉中拍频出高速震荡相干信号；合束干涉后的光聚焦到单像素探测器上，并经过数据采集及信号处理单元处理得到完整图像。本发明专利技术中通过对信号光及参考光分别进行调制，使其在分束器中干涉且同时产生随时间变化的高速震荡相干信号，即拍频信号，以替代缓慢繁琐的逐步相移测量，提高成像速度。

【技术实现步骤摘要】
一种高通量单像素全息成像方法及其系统
本专利技术属于全息成像
，更具体地，涉及一种高通量单像素全息成像方法及其系统。
技术介绍
由于使用普通的像素排列二维感光器件如CCD、CMOS相机进行成像，由于它们不能够做到全波段覆盖的探测，在某些波段，这种像素排列二维感光器件性能指标往往不高，或者价格颇为昂贵。而单像素探测器如硅探测器，锗探测器则可以对大范围波段进行覆盖，并且有着带宽高，响应速度快，暗电流噪声低的优点，在采集响应速度方面有着无可比拟的优势，并且感光接收端的成本要相对便宜得多。在1884年，Nipkow团队首次成功进行相类似的单像素测量重构图像。随后单像素成像对于散射介质后的样品恢复，压缩传感重构应用，以及狭窄光探测条件下的样品重构，都相应成功实现，而这些系统都是传统CCD、CMOS相机的探测成像所无法做到的。但由此付出的代价，则是需要在照明测量的光路上加载一系列的掩膜调制来进行解调恢复所要测量的物体。因此，决定目标图像重构的质量好坏，如分辨率以及速度等指标，将会主要取决于结构光照明的调制效率以及重建目标光场的效率上。但是对于生物组织而言，其不仅有复杂的结构信息，还伴随这一定程度的散射现象，以及低吸收对比度成为了传统显微强度成像的主要难题，不过由于这些生物组织还会伴随这在折射率所导致的累积相位上有着丰富的相位信息，因此可以将复振幅全息成像应用在生物组织的研究成像上；另外复振幅全息成像在适应性光学、波前感应、光学测量、超快光学等领域上也适用。如果将单像素成像与复振幅全息成像结合，则能将两者优点进行结合，使其更好地在生物组织成像领域应用；在2013年，Clemente团队首次使用电光调制器的空间光调制器(SLM)去对结构光进行相位调制，获得单像素全息成像。另外，中国专利CN103822577B公开了一种单像素太赫兹全息成像装置，包括太赫兹激光源、扩束装置、第一分束镜、调制装置、可调移相器、物光平面镜、参考光平面镜、第二分束镜、会聚透镜、单像素探测器和控制模块；其成像方法为：太赫兹激光源发射的单色太赫兹光由扩束装置转化为束宽更宽的平行光后，经一分束镜分为物光和参考光，物光照射物体后被调制装置在空域上进行编码，参考光经平面镜反射后穿过其光路上的可调移相器，物光经平面镜反射后与参考光在第二分束镜处汇合，并由会聚透镜会聚后进入置于会聚透镜焦点处的单像素探测器，单像素探测器输出的信号被送入控制模块进行图像重构；通过多次改变调制装置上的空间编码和可调移相器上的相位的组合，实现对物体的太赫兹全息压缩感知成像。但是这样的方案其系统较为复杂，需要进行相位调制，且会牺牲单次全息重构的有效成像像素，成像质量不够高，速度不够快，还不能满足具有复杂细节且带有散射性质的生物组织的图像重构。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术中的至少一个缺陷，提供一种高通量单像素全息成像方法及其系统，其成像有效像素数高、成像质量好、速度快。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：提供一种高通量单像素全息成像方法，包括以下步骤：S1：激光源发射激光经过偏光分束器后分为信号光及参考光；S2：信号光经第一调制器调制至第一频率后映射在DMD(高速数字微镜阵列)上直接调制二元强度图案，再通过光学透镜系统直接共轭面映射到样品后进入分束镜；参考光经第二调制器调制至第二频率后由反射镜引导至分束镜；S3：信号光与参考光在分束镜上进行合束干涉，并在干涉中拍频出高速震荡相干信号；S4：合束干涉后的光聚焦到单像素探测器上，并经过数据采集及信号处理单元处理得到完整图像。本专利技术通过分别将信号光及参考光调制至不同频率，不同频率的参考光及信号光在合束干涉时会拍频出特定的高速震荡相干信号，且相干信号自动随时间变化，这样单像素探测器接收到的光束测量得到的光强在不同时间下由于初始相位不同而导致拍频相干发生变化，可以替代缓慢及繁琐的逐步相移测量，提高了成像速度；另外由于信号光及参考光的合束干涉，可以替代DMD的相位调制，使其可以直接对结构光进行二元强度图案调制，且不会牺牲任何像素信息，因此成像有效像素高、质量好、速度快。优选地，上述的步骤S1中激光在进入偏光分束器之前，还经过半波片调节线偏方向以调节参考光与信号光的光强比例。优选地，上述的参考光与信号光的光强比例为1:1。这样可以达到最大相干及最高的信噪比效果。优选地，上述的步骤S2中信号光映射在DMD上时，调整DMD的角度使得映射产生反射式衍射的单缝衍射主极大与多缝干涉极大值重合。这也是因为信号光映射到DMD的准平面波光束将类似于二维闪耀光栅进行反射式衍射，这样经调整后调制效率可以达到最大。优选地，上述的步骤S2中参考光或信号光频率调制之前，还对参考光或信号光的线偏方向进行偏转。以使信号光与参考光能进行有效最大相干。优选地，上述的参考光由全反射镜反射后，经过四分之一波片将偏振重新调整为线偏振。优选地，上述的步骤S4中数据采集为通过数字采集卡进行实时采集。优选地，上述的DMD的刷新速率、高速震荡信号的频率、数字采集卡的采样率呈整数正比关系。以避免相干计算相位的额外累积误差，且这样DMD刷新的初相位无需额外补偿，进一步简化成像系统与算法复杂度。本专利技术还提供一种高通量单像素全息成像系统，包括顺次连接的激光源、第一半波片、第一偏振分束器、第二半波片、第二偏振分束器、第一反射镜、第一调制器、第一光学透镜系统、DMD、第二反射镜、第二光学透镜系统、第三分束器、第三光学透镜系统、单像素探测器、数字采集卡、信号处理器；第二偏振分束器与第三分束器之间还顺次连接有第三半波片、第二调制器、第四光学透镜系统、第三反射镜、四份之一波片；还包括信号波形发生器，信号波形发生器与第一调制器及第二调制器均连接；单像素探测器与数字采集卡、信号处理器通信电连接；第二光学透镜系统与第三分束器之间设置样品。优选地，上述的第二光学透镜系统为4f光学透镜系统。通过调整4f光学透镜系统的透镜系数，可以对成像的视场范围及分辨率进行调整，从而使其可以在进行大范围的环境成像，也可以高分辨率的全息成像，更加适用于生物组织样品的成像研究。与现有技术相比，有益效果是：本专利技术中通过对信号光及参考光分别进行调制，使其在分束器中干涉且同时产生随时间变化的高速震荡相干信号，即拍频信号，以替代缓慢繁琐的逐步相移测量，提高成像速度；还能替代DMD的相位调制，直接调制二元强度图案，不会牺牲任何像素信息，使得成像有效像素更高、质量更好、速度更快。附图说明图1为本专利技术实施例高通量单像素全息成像方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例高通量单像素全息成像系统的光路连接示意图；图3为本专利技术实施例高通量单像素全息成像系统的第一调频器、第二调频器与信号波形发生器的连接示意图；图4为本专利技术实施例高通量单像素全息成像系统的单像素探测器、数字采集卡、信号处理器的连接示意图。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高通量单像素全息成像方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：激光源发射激光经过偏光分束器后分为信号光及参考光；/nS2：信号光经第一调制器调制至第一频率后映射在DMD上直接调制二元强度图案，再通过光学透镜系统直接共轭面映射到样品后进入分束镜；参考光经第二调制器调制至第二频率后由反射镜引导至分束镜；/nS3：信号光与参考光在分束镜上进行合束干涉，并在干涉中拍频出高速震荡相干信号；/nS4：合束干涉后的光聚焦到单像素探测器上，并经过数据采集及信号处理单元处理得到完整图像。/n

【技术特征摘要】
1.一种高通量单像素全息成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：激光源发射激光经过偏光分束器后分为信号光及参考光；
S2：信号光经第一调制器调制至第一频率后映射在DMD上直接调制二元强度图案，再通过光学透镜系统直接共轭面映射到样品后进入分束镜；参考光经第二调制器调制至第二频率后由反射镜引导至分束镜；
S3：信号光与参考光在分束镜上进行合束干涉，并在干涉中拍频出高速震荡相干信号；
S4：合束干涉后的光聚焦到单像素探测器上，并经过数据采集及信号处理单元处理得到完整图像。


2.根据权利要求1所述的一种高通量单像素全息成像方法，其特征在于，步骤S1中所述激光在进入偏光分束器之前，还经过半波片调节线偏方向以调节参考光与信号光的光强比例。


3.根据权利要求1所述的一种高通量单像素全息成像方法，其特征在于，所述参考光与信号光的光强比例为1:1。


4.根据权利要求2所述的一种高通量单像素全息成像方法，其特征在于，步骤S2中信号光映射在所述DMD上时，调整DMD的角度使得映射产生反射式衍射的单缝衍射主极大与多缝干涉极大值重合。


5.根据权利要求1所述的一种高通量单像素全息成像方法，其特征在于，所述步骤S2中参考光或信号光频率调制之前，还对参考光或信号光的线偏方向进行偏转。


6.根据权利要求1所述的一种高通量单像素全息成像方法，其特征在于，所述参考光由全反射镜反射后，经过四分之一...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈乐成，伍代轩，罗嘉伟，李朝晖，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44