33。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l〇24x 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。
[0036] 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 器113、第一反射镜114、第二扩束器115、第二反射镜116和电光相移调制器117。该激光 器111发出的一束线性偏振激光束经过中性密度滤光片112的衰减后变成了光子级别的 光束，光束经第一扩束器113分解为两束光波，其中一束光波形成参考光波i^(x H, yH)，并由 电光相位调相器117调相，另一束则直接照射物体形成物光波uH(x H，yH)。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115进行干涉后在DMD121上形成干涉全息图 IH(xH，yH) 〇通过计算DMD121平面上的干涉图样与测量矩阵的随机线性测量值就可以得到 压缩全息图的采样，然后经过透镜122的汇聚，收集到一个由光纤耦合器1231、超导单光子 探测器1232以及计数器1233构成的高度敏感的单光子检测器123中，对光信号进行单点 检测，再将收集到的光信号通过A/D转换器124转换为数字信号，然后传送至图像处理模 块130通过压缩感知的重建算法重构出原始的3D物体。
[0037] 以下具体说明该基于压缩传感理论的数字全息成像方法：
[0038] Sl :通过马赫增德尔干涉仪生成干涉全息图；
[0039] 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；
[0040] 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。
[0041] 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。
[0042] 进一步，该步骤S2具体还包括以下步骤：
[0043] 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；
[0044] S22 :压缩全息图经过透镜的汇聚，收集到单光子检测器中；
[0045] 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。
[0046] 进一步，该步骤S3具体还包括以下步骤：
[0047] 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；
[0048] S32 :利用TwIST算法重构出原始三维物体。
[0049] 具体地，想要将压缩传感理论成功引入到数字全息图的重构算法中去，必须要将 重构过程进行处理，使其适应压缩传感的基本方程。这需要将多维的数字全息图信息变成 一维的信息来处理。因此，在这一基本思想的指导下，本实用新型对数字全息图的重构过程 进行了处理，进而达到将两项技术相结合的目的。
[0050] 本实用新型用0(x，y，z)代表仿真中的3D原始物体，其中X，y，z分别表示物体的 坐标位置。此时，DMD平面上3D物体的菲涅尔衍射光场u H可以表示为
[0051] uH(xH，yH) =S f S 〇 (x, y, z) h (χΗ-χ, yH-y, zH-z) dxdydz, (I)
[0052] 其中知和y ^别表示DMD平面上的坐标位置，h表示菲涅尔衍射的点扩散函数。 可以将公式（1)简化为
[0053] Uh= Ho, (2)
[0054] 当DMD平面捕获到用马赫增德尔干涉仪产生的一幅全息图以寸，本实用新型将I H 表不为
[0055] IH(xH,yH) = Iur+UH|2= I u r 12+1 uH 12+ur*uH+uruH*, (3)
[0056] 其中U1^和u及另瞭不DMD平面上的参考光和物光，符号*表不共轭复数。由于在 全息中k| 2是一个常数，所以可以忽略其对全息图产生的影响。|Uh|2可以被看做是数字 全息模型中的误差e，所以可以将公式（3)简化为
[0057] Ih (? yH) = I uH 12+ur*uH+uruH*= 2Re (u H) +1 uH |2 = 2Re (u H) +e. (4)
[0058] 当忽略误差e的影响时，可以近似地得到
[0059]
【主权项】
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。
【专利摘要】本实用新型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。
【IPC分类】G03H1-12, G03H1-22
【公开号】CN204360096
【申请号】CN201420779595
【发明人】李军, 李娇声, 潘阳阳, 朱露露, 李俞莹, 陈晓东, 李榕
【申请人】华南师范大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2014年12月10日