一种采用单像素桶探测器的数字全息幻影成像系统及其工作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种采用单像素桶探测器的数字全息幻影成像系统及其工作方法，属 于光电成像、显示与检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 全息术(Holography)是英籍匈牙利科学家Gabor于1948年发明、基于相干光波(此 处"光波"可以是其它波段的电磁波)之间干涉和衍射、能够记录和再现光波振幅和相位信 息的一种技术，在信息记录与存储、成像与显示、干涉测量与检测、信息安全与防伪鉴别等 领域具有广泛应用。自二十世纪六十年代以来，激光光源的发展为全息术研究和应用提供 了良好的相干光源，光学全息术(Optical Holography)进入了蓬勃发展时期，提出了不同 种类的记录和再现方法（如同轴全息、离轴全息、傅立叶变换全息、像面全息及彩虹全息 等），并扩展到其它光谱波段（如X射线全息术、太赫兹全息术及微波全息术等）。随着计算 机、数字信号处理及微光电子等技术的发展，计算全息(Computer Generated Holography-CGH)和数字全息(Digital Holography-DH)等技术分别于二十世纪六十年代和九十年代相 继被提出，并得以深入研究和广泛应用。光学全息采用全息干板记录全息图，一般需要化学 或物理显影和定影处理，因此一般是非实时的。计算全息不需要具体的记录光路，而是基于 物光波的数学描述、通过计算机编码制作全息图，可以记录虚拟物体的全息图。数字全息的 记录原理和光路结构与光学全息类似，但所采用的记录器件和再现方式与光学全息不同， 它采用面阵光电探测器件（如CCD或CMOS)代替干板记录全息图，并将全息图以数字图像形 式存储在计算机中，然后采用计算机数值计算模拟光波衍射传播过程来再现物光波，从而 得到物体的再现象;与传统光学全息相比，数字全息不需要化学或物理显影定影过程、可以 定量获得物光波振幅和相位的精确信息，因此，具有制作成本低、成像速度快、再现灵活等 优点，特别适合于光电成像、显示及精密测量与检测。
[0003]近年来，随着计算机特别是高分辨率面阵光电探测器件的发展，数字全息技术及 其应用受到越来越多的关注，但在实际应用中还存在以下两个问题：（1)面阵光电探测器的 靶面尺寸和分辨率还远低于光学全息记录介质，使得数字全息在成像分辨率、视场及其应 用领域方面受到很大限制；（2)在某些波段(如红外、太赫兹等），受到材料和工艺等方面的 限制，目前还难以制作出用于数字全息记录的大尺寸、高分辨率面阵器件。
[0004]幻影成像(Ghost Imaging)是一种新型成像技术，其原理是基于光子或光场之间 的统计关联特性和符合测量。与采用具有空间分辨能力的面阵探测器的传统成像方式不 同，幻影成像采用不具有空间分辨能力的单像素桶探测器（Single-pixel or Bucket Detector)。幻影成像具有成像分辨率可以超越经典成像的衍射极限、受光路中的扰动及背 景影响小、可在低于奈奎斯特采样率情况下得到良好成像效果等特点。幻影成像技术特别 适用于面阵探测器难以制作或者价格非常昂贵的波段和应用领域。根据所采用的光源和测 量原理的不同，幻影成像可分为采用量子纠缠光源的量子纠缠符合测量幻影成像和采用传 统热光源的热光关联测量幻影成像。根据光路系统结构，热光关联测量幻影成像又可以分 为双光路结构和单光路结构；其中，单光路结构也称之为计算幻影成像(Computational Ghost Imaging)。计算幻影成像不仅具有幻影成像的上述优点，而且无需真实的参考光路， 只需通过运算就可以得到参考信号的光强分布，具有探测灵活、装置简单等优点。本发明中 主要涉及计算幻影成像方法。
[0005] 基于数字全息和幻影成像的基本原理，将幻影成像中的单像素桶探测成像方式引 入到数字全息中，可以充分发挥数字全息和幻影成像各自的优点，从而形成新的具有特殊 性能或适用于特定应用领域的成像方法。
[0006] Pere Clemente等人[1]将幻影成像中的单像素探测和数字全息相结合，提出一种 单像素数字幻影全息术，其中采用了相移干涉和零差(homodyne)方法提取物体的振幅和相 位信息，该方法采用了相移干涉，需要准确改变入射光的相位，对相移器件要求高、系统结 构比较复杂。Zhang Leihong等人[2]在相移数字全息中采用单像素探测和压缩感知算法用 于相位物体成像。B. Jack等人[3]在量子轨道角动量纠缠幻影成像中通过非局域相位滤波 和符合测量实现图像对比度增强。Shengmei Zhao等人[4]在量子轨道角动量纠缠幻影成像 中采用前向纠错信道编码（里所码，即Reed-solomon codes)提高通过大气湍流成像的性 能，对光源性能要求很高。[l]Pere Clemente, Vicente Dur'an, Enrique Tajahuerce, Victor Torres-Company，and Jesus Lancis，"Single-pixel digital"ghost" holography".PHYSICAL REVIEW A 86,041803(R)(2012).[2]Zhang Leihong,Liang Dong, Li Bei,Pan Zilan,Zhang Dawei,and Ma Xiuhua,"Study of key technology of ghost imaging via compressive sensing for a phase object based on phase-shifting digital holography"，Laser Phys·Lett·12(2015)075202(9pp)·[3]B·Jack，J·Leach， J·Romero，S·Franke-Arnold，M·Ri tsch-Marte，S.M.Barnett,and M.J. Padgett, "Holographic Ghost Imaging and the Violation of a Bell Inequality"，PRL 103, 083602(2009).[4]Shengmei Zhao,Bei ffang,Longyan Gong,Yubo Sheng,ffeiwen Cheng, Xiaoliang Dong,and Baoyu Zheng,"Improving the Atmosphere Turbulence Tolerance in Holographic Ghost Imaging System by Channel Coding" JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.31, NO.17, SEPTEMBER 1,2013 〇
[0007] 中国专利文献CN103363924A公开了压缩的三维计算鬼成像系统，包括:光源、空间 光调制器、至少四组会聚收光透镜、至少四组与会聚收光透镜对应的点探测器以及算法模 块;光源发出的光投射到空间光调制器上，对光进行随机调制，调制后的光投影在物体上， 该物体将光反射到各个方向，在其中的至少四个反射方向上分别设置一组会聚收光透镜以 及点探测器；由点探测器对每个方向的总光强进行压缩采样，压缩采样结果输入算法模块 中；上述过程重复多次，空间光调制器每一次调制不同的图案，算法模块根据测量矩阵以及 多次压缩采样所得到的测量值，运用压缩感知算法反演出对应各个点探测器方向的二维图 像，比较这些图像的阴影部分信息来构建3D表面梯度，最终重建出3D物体形状。
[0008] 中国专利文献CN103472457A公开了一种稀疏孔径压缩计算关联飞行时间的三维 成像系统，包括脉冲光源发射单元、扩束透镜、第四准直透镜、随机光学调制单元、偏振光分 束器、第一透镜、束斑合成单元、稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元、全反射 镜、会聚收光透镜、光探测器、飞行时间相关单元和压缩计算关联算法模块;其中，所述稀疏 孔径单元包括至少三个子望远镜透镜，所述自由空间准直单元包括至少三个准直透镜，所 述光束反射单元包括至少三个反射镜组;一子望远镜透镜、一准直透镜、一反射镜组形成一 条光路;所述飞行时间相关单元包括脉冲宽度调节单元、可调延迟单元和同步信号源。
[0009]中国专利文献CN103472455A公开了一种稀疏孔径压缩计算关联飞行时间四维光 谱成像系统，包括脉冲光源发射单元、扩束透镜、第四准直透镜、随机光学调制单元、全反射 镜、偏振光分束器、第一透镜、束斑合成单元、稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射 单元、光扩束准直单元、光谱分光单元、会聚收光单元、线阵光探测器、飞行时间相关单元和 压缩计算关联算法模块;其中，所述稀疏孔径单元包括至少三个子望远镜透镜，所述自由空 间准直单元包括至少三个准直透镜，所述光束反射单元包括至少三个反射镜组；一子望远 镜透镜、一准直透镜、一反射镜组形成一条光路;所述飞行时间相关单元包括脉冲宽度调节 单元、可调延迟单元和同步信号源。
[0010]上述三篇专利均采用视差法得到物体的三维信息，需要两个及以上的点探测器或 多个光学元件组，结构复杂