一阶关联、二阶关联、鬼成像、单像素成像
GCS-SPI 基于DMD空间光调制器的单像素成像实验
单像素成像是指使用单点探测器（PD、PMT等）代替传统成像系统中CCD或者CMOS的阵列式感光元件来完成对物体透射或反射的光强的探测。由于单点探测器不具有空间分辨率，因此单像素成像系统往往通过在不同种类的空间光调制器上加载一系列掩膜，使调制后的光照射至物体，然后从单点探测器获得对应于不同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、成本低、反应灵敏等优点，不仅可以用于可见光波段成像，同时也可用于红外、太赫兹等非可见光波段的成像。近年来，单像素成像在穿过散射介质成像以及水下成像中的应用，更显示了其在生物医学、军事、超分辨等领域的巨大应用潜力。
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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DMD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DMD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，参考臂信息可以通过计算获取参考光场分布，故参考臂及CCD被省去。直接由信号臂桶探测器的物光总光强值与计算的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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单像素成像光路示意图
♦ 效果图
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信号光强度统计图表
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重建结果
♦ 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， 15μm、25μm针孔，高精度三维调节机构，微调精度0.002mm；
• 光束准直组件：Φ25mm，f100mm，工作波长400-760nm，含镜座；
• DMD空间光调制器：分辨率1920*1080， DMD靶面尺寸0.95”，像素大小10.8μm，工作波长400-700nm，填充因子94%，反射率89% ，刷新帧率20746Hz@1bit，配置接口USB2.0，内存容量16GByte，安装模式/水平/斜45°；
• 成像组件：双胶合透镜Φ50mm，焦距100mm，表面鍍可见光增透膜；
• 聚焦组件：平凸Φ40mm，焦距80mm，表面增透@400-700nm；
• 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；
• 采集卡组件：8通道采集，采集速度500K，包含外触发同步信号输入；
• 光电探测器组件：波长范围400-1100nm，靶面直径6mm，上升沿20ns@100mVp-p，响应时间20ns@100mVp-p，带宽10MHz；饱和光功率≤0.3w/cm²，灵敏度2.75mV/μW；
• 软件模块：软件包含数据强度采集、DMD控制模块、散斑产生模块和单像素重建模块等四个部分，其中数据采集模块有外触发模式，可以设置外出电压大小，上升沿等参数；DMD控制模块可以读入散斑图、设置播放频率和播放数量；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。
♦ 必备设备
光学平台、计算机
♦ 建议课时
4课时
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