基于数字微镜器件的压缩感知关联成像研究

将数字微镜器件(DMD)应用于压缩感知(CS)关联成像,在该成像方案中,只需用无空间分辨能力的桶探测器,并结合相应的算法就能得到物体的像;将此成像方案应用于多光谱成像,仅需用线列探测器就能得到物体多光谱像,简化了多光谱成像探测的光电记录过程.通过对关联成像和CS理论的介绍阐明了成像原理.在实验平台上搭建演示装置,分别用...     

基于光子计数的合作目标“量子”成像

在实验上研究了赝热光照明下, 基于光子计数模式的合作目标“量子”成像, 并给出理论模型和解释. 研究表明, 利用光子计数的单光子探测器代替以往光强度线性探测器作为桶探测器在“量子”成像中同样适用. 实验发现, 合 作目标的反射信号可穿透弱散射介质实现成像, 该技术在减小光学成像透镜孔径方面具有潜在的应用价值. 对比了基于强度关联成像和压缩感知算法的“量子”成像结果, 并得出实用性结论. 本文的方案为“量子”成像的实际应用提供了新方法.     

基于数字微镜器件的“后视”关联成像

传统成像的必要条件是相机对着物体。由于障碍物的遮挡,传统成像在很多时候都不能得到目标物体理想的像,但在关联成像机制下,借助一些障碍物的漫反射,适当调整反射的角度,可以实现相机在镜头不对着物体正面的情况下对目标正面成像,这在传统成像中,一般只能通过镜面反射才能做到。利用数字微镜器件(DMD)调制普通光源,可以改进传统的关联成像,省去参考光路的测量。而且,数字微镜器件使得例如发光二极管这种普通的光源也可以用来实现关联成像,对工程实现有重要意义。     

一种双层散射介质中间目标单像素成像系统研究

在对散射介质散射特性进行分析的基础上,提出了一种对散射介质中物体进行单像素成像的方法,基于数字微镜阵列和单点探测器,设计并搭建了相应的单像素成像系统。通过对数字微镜阵列加载一系列具有不同相位的条纹图案,采集对应的光强信息,结合图像恢复算法,实现了对位于散射介质中的物体成像。为了去除噪声,分析了噪声的来源,设计了滤波器对所拍摄的物体图像进行滤波处理,图像质量得到了显著提高。与传统散射介质成像系统相比,该系统结构简单,无需复杂的标定过程,在多个领域具有应用前景。     

数字微镜器件在视频全息中的应用

为研究数字微镜器件在视频全息中的应用,探讨了基于数字微镜器件的全息编码方法。基于数字微镜器件的微观物理结构,讨论二维离散微镜像素结构、开态微镜列的闪耀光栅特性和脉宽调制的微镜偏转工作原理。将数字微镜器件分辨力、微镜尺寸、间隔、旋转角度、参考光入射角以及衍射条件等因素结合到计算全息编码中,提出干涉面抽样方法、相位补偿技术和无偏置二元全息编码方法,使产生的计算全息图适应数字微镜器件独特的空间光调制特性和计算视频全息的要求。实验表明,该方法调整了重构物光波的衍射方向,集中了衍射光在重构像中的分布,增加了成像清晰度和光能有效利用率,提高了全息编码效率。     

全息图像缩放对数字微镜重建显示的影响研究

根据人眼对数字微镜器件成像的响应性质,给出了数字微镜器件重建场的强度表达式.当CCD的面元尺寸与数字微镜器件的镜元尺寸不相等时,在数字微镜器件重建显示系统中将引起数字全息图像的缩放.基于傅里叶光学理论,导出了缩放后数字全息图数字微镜器件重建像的尺寸和中心位置与重建参量的关系.通过理论模拟和数字微镜器件重建显示实验,对分析结果进行了实验验证.     

全息图像缩放对数字微镜重建显示的影响研究

根据人眼对数字微镜器件成像的响应性质,给出了数字微镜器件重建场的强度表达式.当CCD的面元尺寸与数字微镜器件的镜元尺寸不相等时,在数字微镜器件重建显示系统中将引起数字全息图像的缩放.基于傅里叶光学理论,导出了缩放后数字全息图数字微镜器件重建像的尺寸和中心位置与重建参量的关系.通过理论模拟和数字微镜器件重建显示实验,对分析结果进行了实验验证.     

基于光子计数的自适应深度成像方法

单光子探测器具有高灵敏度和快速响应的特性,但在目标特性未知的情况下,无法直接确定每个像素点所需要的采样积分时间。因此,由于目标表面结构特性和反射率差异,探测器的距离估计值会出现采样不足或是采样饱和的现象。提出一种基于光子计数的自适应快速深度成像方法。该方法利用噪声光子和信号光子的飞行时间的不同特性,改进传统的基于最大似然估计算法的成像模型,自适应决定每个像素点的采样积分时间,并估计其最佳深度信息。实验结果表明,即使在低信噪比条件下,相比于固定采样积分时间成像方法,此算法仍能够更快、更准确重构出目标的深度图像。     

基于X射线光子计数探测技术的材料K-edge特性识别实验研究

X射线光子计数探测器是多能谱CT成像技术的核心,其通过能量阈值可以选择记录不同能量的X射线光子,有助于分析不同材质的物理特性。利用搭建的基于光子计数探测器的多能谱CT系统,开展高纯度金属材料K-edge特性识别实验研究。通过设置探测器的不同能量阈值,在不同能量范围获取金属材料投影图像,利用投影图像灰度信息分析不同能量X射线的衰减特性,以识别金属材料K-edge特性。最终实验结果表明,基于光子计数探测器的X射线能谱CT系统,能够识别金属材料与特定能量X射线光子发生相互作用所表现出的K-edge特性。通过计算K-edge特征峰能量阈值与材料K-edge理论能量值之间的线性对应关系,对光子计数探测器的能量阈值进行了标定。     

基于压缩感知的后调制远距离三维成像研究

基于压缩感知(CS)理论,提出使用高功率纳秒脉冲激光器照射远距离目标物体,通过望远系统将目标物体成像到数字微镜阵列(DMD)上,利用DMD加载的调制图像对目标物体的像进行调制(后调制),采用光电倍增管(PMT)作为单像素探测器收集调制后的光强,通过压缩感知计算,完成对远距离目标物体的三维图像重建。将此系统应用于远距离三维成像,通过搭建实验系统,分别对距离为230m和4.5km左右的目标物体完成了绝对距离的测量,实现了64pixel×64pixel的三维成像。同时也证实利用压缩感知进行远距离图像恢复,随着采样率的提高,图像恢复的质量和对比度都有一定程度的提高;目标物体图像越稀疏,重构图像所需的采样次数越少。     

基于DMD的高动态范围场景成像技术

为了对高动态范围场景进行实时有效的观测,设计了一种采用数字微镜器件作为空间光调制器的成像系统.通过改进数字微镜器件的驱动时序,提高数字微镜扩展成像系统动态范围能力.针对光学系统存在畸变,采用多项式拟合法获得数字微镜器件到图像传感器的精确映射关系.针对一般调光算法导致调光后图像可视性差的问题,引入色阶映射算子生成调光模板,获得符合人眼视觉特性的调光结果.实验结果表明,在10帧/s的条件下采用数字微镜器件可提高传统成像系统动态范围66dB,成像系统总的动态范围达到126dB,图像传感器控制准确度达到0.69个像素级别,调光后场景高亮目标与暗背景可同时观测到,调光后采集图像的信息熵得到提高,系统满足对高动态范围场景实时成像观测的需求.     

散射介质对强度关联成像影响的教学实验研究

本文根据北京航空航天大学本科生专业课程有关新型探测实验的教改要求,设计了散射介质对强度关联成像影响的教学实验。该实验基于主动式强度计算关联成像原理,采用激光光源,经准直扩束照射到数字微镜器件(digital micromirror device, DMD)进行空间光场调制,用聚苯乙烯胶体粒子模拟雾霾散射介质,利用CCD探测器作为桶探测器,对振幅型物体进行探测,结合空间光场调制信号完成关联运算,并通过衬噪比分析散射介质对关联成像的影响。实验结果显示关联成像具有抗散射介质的特性。旨在通过实验中一系列实验现象激发学生的思考能力,培养学生科学的创新思维,促进实验教学的变革和发展。     

单光子纠缠态并发度的直接测量

通过分析光学分束器对单光子态的作用关系,提出了一个利用分束器和光子数探测器的单光子纠缠的直接测量方案.方案中用到单光子与空间模纠缠及其两个备份,并让它们通过一个50:50的分束器.选用并发度为纠缠度量,其可由单光子探测器的探测概率直接获得.此方案不需复杂的量子态层析方法,同时只用到在量子信息处理中常用的光学器件,增强了方案在实验上实现的可行性.     

基于邻域相似度的压缩感知鬼成像

为了提高压缩感知鬼成像的成像质量以及解决低采样率条件下成像失真度高的问题,提出一种基于邻域相似度的鬼成像(NSGI)方案。邻域相似度体现在图像像素间的关联性,携带关于物体结构的重要信息,在分析压缩鬼成像原理的基础上,利用邻域相似度来评价待探测目标。根据贪婪算法的原理,采用邻域相似度优化图像重构过程,并设置相关度阈值降低计算的复杂度。仿真和实验结果均表明,与传统方法相比,该方案可以在低采样率条件下获得高质量低失真度的图像,有利于推动鬼成像技术的实用化。     

基于数字微镜成像系统的像素级映射方法

为实现基于数字微镜器件(DMD)高动态范围成像系统中的DMD微镜与CCD像素间的高精度映射,提出了三种不同的像素级映射算法。介绍了基于DMD的高动态范围成像系统,分析了其映射原理以及映射的必要性,采用直接线性变换算法、非线性多项式畸变拟合算法和反向传播神经网络算法进行映射,并将其理论方法与成像系统相结合。通过图片测试,得到相应的参数并计算其误差,其中误差最小的是多项式畸变拟合映射算法,其均方根误差为1.02pixel,即认为该算法可达到像素级映射的目标。该算法拟合了部分畸变误差,满足成像系统像素级映射的需求。     

一种数字微镜阵列分区控制和超分辨重建的压缩感知成像法

提出一种压缩感知成像框架结构.该结构采样端用新建的采样矩阵实现数字微镜阵列分区控制,可增强信息获取的准确性,测量得到与新数字微镜阵列对应的压缩采样值;重构端由采样值优化重构出低分辨率图像后,根据分区控制过程建立压缩感知理论框架下的超分辨重建模型,利用梯度稀疏约束优化算法进行求解,恢复出原高分辨率图像.实验结果表明:数字微镜阵列分区控制与超分辨重建相结合的方法可以明显降低压缩感知成像系统的计算量,缩短成像时间,并且具有较高的图像重构质量.     

数字微镜器件在会聚成像光路中的像差分析

数字微镜器件(DMD)应用于会聚成像光路中时,其表面微镜绕各自旋转轴做偏转运动,且微镜相对平面反射镜呈非连续分布,这导致了经过DMD反射后的光束轴外视场主光线与轴上视场主光线存在光程差。利用几何光学和像差理论,在基于DMD的会聚成像光路中得到了DMD面上的像高、光线入射角度、DMD像素大小及偏转角与最终光程差之间的关系。分析了影响光学系统像质的因素及补偿方法,并通过仿真模拟和实验验证了理论的正确性。该研究结果对采用DMD器件的光学系统设计和装调均具有重要意义。     

数字微镜器件闪耀特性及其在全息显示中的应用

为了提高数字微镜器件的空间光调制性能,发挥其在全息显示和三维重构等方面的作用,研究了数字微镜器件的闪耀特性.结合数字微镜器件的物理结构,利用反射光栅理论分析了数字微镜器件的闪耀规律,进行了理论计算与实验修正,得出了其存在四个相对闪耀状态的结论,而通常实验所要求的24°角入射,为出现相对闪耀状态的最小入射角.据此,可在全...     

数字微镜器件的相位调制性质

为了提高数字微镜器件(DMD)的空间光调制性能,发挥其在光信息处理中的作用,研究了的数字微镜器件相位调制性质。通过分析数字微镜器件的微观物理结构,考察了数字微镜器件的光栅特性;从计算的角度研究了其对相干光波的相位调制,并给出数学描述和实验结果。重点研究了数字微镜器件的衍射光栅特性,分析了其工作原理及微镜偏转导致的镜片空间相对位置的改变,利用闪耀光栅理论计算了偏转微镜间的相位差,得出了数字微镜器件光栅的闪耀规律,实现了闪耀状态。提出了利用不同方向的微镜列状态研究数字微镜器件相位调制性质的方法,推导和模拟了关于数字微镜器件的微结构和工作原理,在数字微镜器件光调制研究方面提供了一些结果,对数字微镜器件在信息光学中的更广泛应用有一定意义。     

利用小尺寸电荷耦合器件实现数字全息高分辨成像

为了在降低数字全息显微成像系统成本的同时实现高分辨成像,对像面数字全息显微术的记录与再现过程进行了理论分析,结合系统的点扩散函数,对该系统的横向分辨率进行了分析. 得到了如下结论：像面数字全息显微系统的横向分辨率对电荷耦合器件（CCD）光敏面尺寸变化不敏感;对于常见的CCD 器件,其像元尺寸的变化对该系统的横向分辨率影响甚微. 此外,对像面数字全息显微系统的成像特点进行了分析,结果表明：利用像面数字全息系统可以实现物体信息的完整记录与再现,其成像分辨率及像质优于预放大数字全息系统. 利用搭建的数字全息实验记录系统,从强度及位相两方面对理论分析结果进行了验证,实验结果表明了理论分析的正确性. 关键词： 像面数字全息术 横向分辨率 点扩散函数 小尺寸电荷耦合器件