一阶关联、二阶关联、鬼成像、单像素成像
GCS-SPI-LCOS 基于LCOS空间光调制器的单像素成像实验
基于LCOS单像素成像系统是通过在LCOS空间光调制器上加载一系列掩膜，经过空间光调制器的调制光照射至物体，用探测器获得对应掩膜的一系列光强值来恢复物体的像。相比传统成像系统，单像素成像系统具有体积小的优点，不仅可以用于可见光波段成像，也可用于红外、太赫兹等非可见光波段的成像。
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基于LCOS单像素成像系统实物图
♦ 知识点
一阶关联、二阶关联、鬼成像、单像素成像
♦ 涉及课程
近代物理、量子光学
♦ 实验内容
• 了解LCOS工作原理，学习单像素成像理论
• 搭建单像素成像光路，探测信号光强度，获取桶探测信号
• 结合散斑信息，重建原物体图像
♦ 实验原理
计算鬼成像（Computational Ghost Imaging，CGI）是单像素成像的理论基础，与传统经典双臂鬼成像不同，计算鬼成像为单臂光路，仅靠一桶探测器即可恢复物体的像。其过程是在LCOS空间光调制器上加载振幅随机分布的散斑图，光束经过散斑调制后类似赝热光源，散斑场可以通过成像系统投影到被测物体上，或者根据自由空间的衍射理论计算出来某一位置的散斑分布，参考臂信息可以直接使用散斑图或者通过计算获取参考光场分布；信号臂采用阵列探测器充当桶探测器来探测总光强值；桶探测器的光强值与对应散斑分布进行关联就能够恢复物体的像。
♦ 原理示意图
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LCOS单像素成像光路示意图
♦ 效果图
散斑截图（部分）
强度截图（部分）
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散斑图、桶探测强度及重建图
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上图分别为2000、3500、5000个采样点重建结果（分辨率30×30）
♦ 技术指标
• 激光光源：波长532nm，输出功率>50mw，中心波长 λ 532nm，光束直径 1.5mm，光束发散角 1mrad，功率稳定性 <5%；含激光夹持器、支杆等支撑器件；
• 圆形可调衰减器：基底材料 K9；外形尺寸Φ54±0.1mm，波段 400～700nm，平行度 30"，光洁度 III 级，镀膜扇形角宽：270°；
• 空间滤波器组件： 40×显微物镜，15um、25um针孔，高精度三维调节机构，微调精度0.002mm；
• 光束准直组件：Φ25mm，f75mm，工作波长400-760nm，含镜座；
• LCOS空间光调制器：LCOS反射式，混合调制，调制范围0-1.2PI，分辨率1280*720，像素大小6.3μm，工作波长400nm-700nm，HDMI接口，电源供电12V，工作频率60hz；
• 成像组件：直径Φ25mm，焦距100mm，表面鍍可见光增透膜；
• 聚焦组件：焦距25mm，表面增透@400-700nm；
• 偏振片组件：通过孔径Φ25mm，工作波长400-750nm，偏振度300:1；旋转角度0-360度，旋转最小读数2度，包含夹持、支撑系统；
• 光阑组件：通光孔2-29mm可调，包含支撑组件；
• 目标物组件：包含白屏、目标信息及夹持组件；
• 桶探测器组件：COMS阵列传感器，分辨率1280×1024，量化深度10bit，像素大小5.2μm×5.2μm，USB2.0接口，快门时间1ms-100ms；
• 软件模块：软件包含数LCOS控制模块、散斑产生模块和单像素重建模块等三个部分，其中LCOS控制模块可以读入散斑图、设置播放频率和播放数量，可以与COMS采集同步；散斑产生模块可以设置散斑分辨率、散斑数量，可将计算结果保存到本地；单像素重建部分包含桶探测器数据读入、散斑数据读入、桶探测器强度计算和单像素成像重建。
♦ 必备设备
光学平台、计算机（含VGA/HDMI接口）
♦ 建议课时
4课时
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