基于空间光调制器的单像素成像实验研究

摘要

单像素成像是指使用单点光电探测器实现对二维场景的成像，与基于透镜和CCD的传统成像系统相比，单像素成像系统的探测器成本低，且在非可见光波段成像、散射介质成像等方面有很大优势。单像素成像系统往往包含空间光调制器，不同的空间光调制器对入射光的调制特性也不尽相同，例如DMD能够实现高对比度的调制，但通常仅限于二值化调制；而液晶SLM则能够实现256灰阶的调制，但对比度没有DMD高，且液晶SLM的调制依赖于液晶分子的偏转，在掩膜加载和光强采集之间需要预留液晶的偏转时间。本文分别完成了基于不同成像理论的单像素成像实验，包括计算鬼成像实验，压缩传感单像素相机实验和四步相移单像素实验，并对它们各自成像系统和成像质量进行比较和评价。具体来讲，本文完成了以下几个方面的研究工作：
　　1、单点光电探测器和空间光调制器是单像素成像系统区别于传统成像系统的光电器件，本文介绍了常用的雪崩光电二极管、液晶空间光调制器和数字微镜器件，分别给出各自的工作原理、工作模式和各个器件特性，阐述了各自优缺点，并详细介绍本文实验中所用到器件具体参数。
　　2、介绍了三种典型的单像素成像理论，即通过统计光强涨落特性成像的计算鬼成像、应用压缩传感理论的单像素相机以及通过获取物体傅里叶频谱反演成像的四步相移成像。三种成像理论的提出背景、遵循原理虽然不同，但都能够在类似的系统装置内实现单像素成像，因此本文将三种成像都纳入单像素成像的框架中进行详细讨论。
　　3、在计算鬼成像和压缩传感成像中，将二者进行模拟和实验的对比，计算鬼成像采用二阶关联算法恢复，压缩传感单像素相机采用OMP算法恢复。二者都可以使用DMD加载随机二值掩膜，因此本文在DMD上加载相同的掩膜并使用同一组测量值分别进行重建。实验结果表明，计算鬼成像一般需要较多的采样才能实现较高的信噪比，而在欠采样情况下基于压缩传感理论的单像素相机的成像结果质量明显优于计算鬼成像的成像结果。
　　4、虽然压缩传感能够在欠采样情况下较好地恢复物体的像，但由于其计算复杂度高，尤其在高采样率的情况下重建高像素的物体时，重建过程消耗时间长。而四步相移单像素成像的重建算法是快速傅里叶逆变换(IFFT)，能够实现速度快、质量高地重建物体的像。在已经提出的使用投影仪照射正弦条纹结构光的基础上，本文实现了使用振幅型液晶空间光调制器加载正弦条纹，实现对透射物体的成像。进一步地，使用计算机LCD显示正弦结构光条纹实现基于LCD的无透镜单像素成像。使用LCD取代投影仪或液晶SLM可以降低实验对硬件的要求，节约了成本，简化了光路。在实验中分析了LCD的Gamma曲线对实验结果可能造成的影响，并提出在图像加载与数据采集之间预留足够的LCD液晶分子的偏转时间能够显著提高成像信噪比，大幅改善成像质量。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要内容及结构安排

2 单点光电探测器和空间光调制器介绍

2.1 雪崩光电二极管

2.2 空间光调制器

2.3 本章小结

3 几种典型单像素成像的成像理论

3.1 鬼成像理论

3.2 压缩传感理论

3.3 四步相移成像理论

3.4 本章小结

4 计算鬼成像与压缩传感单像素相机实验

4.1 计算鬼成像模拟实验

4.2 压缩传感模拟实验

4.3 计算鬼成像与压缩传感成像实验

4.4 本章小结

5 四步相移单像素成像

5.1 基于振幅型液晶SLM的四步相移单像素成像

5.2 基于计算机LCD的四步相移无透镜单像素成像

5.3 本章小结

6 总结与展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢