1、本科毕业论文（20 届）探测器响应时间对关联成像质量的影响所在学院 专业班级 应用物理 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要关联成像（鬼成像）是一种新颖的光学成像技术，与传统的光学成像原理完全不同, 它利用两个通道中的光场涨落关联性质来重建物体的像，其中一个通道中含有物体，透过物体的光被一个不具有空间分辨的桶探测器接收；另一个通道中的光被一个具有空间分辨的探测器记录。对上述两通道的信号执行强度关联或符合测量就能得到物体的图像，而任何单通道的信号均无法获得物体的信息。在传统成像中，如果使用的探测器的响应速度较慢，跟不上散斑的涨落，那么探测器探测到是模糊的散斑图即多个独立散斑图
2、的强度平均，这样探测器探测到的是模糊的图像。在基于动态激光散斑的赝热光关联成像中，对于探测器的响应速度是否会对成像质量造成影响正式本文所要研究的课题。论文主要从两个方面对探测器的响应速度与关联成像质量进行了分析:(1).从理论上进行分析，衬噪比是评价热光鬼成像质量的一个重要指标，导出热光鬼成像衬噪比的公式，对研究讨论影响热光鬼成像质量的因素具有重要意义。(2).进行模拟实验，因为关联成像是基于动态激光散斑的，所以我们有必要对探测器的响应速度与散斑图的成像质量是否有影响进行验证，再通过实验对关联成像质量与探测器响应速度是否有关联进行验证。最后再从理论上，通过衬噪比公式评估成像质量。关键词：关联成
3、像 探测器 散斑 衬噪比IIABSTRACTGhost imaging is a novel optical imaging technology, totally different from the traditional optical imaging principle, it USES light field fluctuation correlation properties of the two channels to rebuild the like of the object, the object is contained in a channel, through the
4、 object light is a space does not have to distinguish between the bucket detector; The light in the another channel is a probe with a spatial resolution of records.To the above two channel signals to execute intensity correlation or conform to the measurement can get images of objects, and any singl
5、e channel signal are unable to get information of the object. In traditional imaging, if use the detector response speed is slow, cant keep up with speckle fluctuations, the detector to detect the fuzzy nature of the speckle image or multiple independent speckle image of average intensity, such a de
6、tector to detect the fuzzy nature of the image. Based on the dynamic laser speckle turns hot optical correlation imaging, to the response speed of the detector will affect the imaging quality of formal subjects of study in this paper.Thesis mainly from two aspects of the response speed of the detect
7、or and associated imaging quality are analyzed:(1) the lining s/n ratio is to evaluate the quality of the hot light ghost imaging is an important index, export thermal light ghost imaging line noise ratio formula, the study discussed the influencing factors on the quality of the hot light ghost imag
8、ing is of great significance.(2)Simulated experiment, because the association is based on dynamic laser speckle imaging, so it is necessary for us to probe the imaging quality of response speed and speckle graph whether have influence to verify, by test and the associated image quality associated wi
9、th whether the detector response speed for validation. Finally, theoretically, through the lining s/n ratio formula to evaluate the imaging quality.Key Words: Image Correlation Detector Speckle CNRIII目 录第一章 国内外发展现状.11.1 关联成像原理.11.2 最近国内外研究成果.1第 2 章 热光鬼成像衬噪比公式的推导.32.1 引言.32.2 热光鬼成像的衬噪比公式推导.32.3 结论.7第
10、三章 理论模拟实验 .83.1 探测器响应速度与散斑图的图像质量关系.83.2 探测器响应速度与关联成像的成像质量关系.83.3 用 CNR 评估成像质量.9第 4 章 总结.11参考文献.12天津理工大学届本科毕业设计说明书（毕业论文） 1第一章 国内外发展现状1.1 关联成像原理关联成像，又称鬼成像（ghost imaging)，是近几年量子光学研究中的热点之一。它与传统光学成像不同，它利用两个通道中的光场涨落关联性质来重建物体的像，其中一个通道中含有物体，透过物体的光被一个不具有空间分辨的桶探测器接收；另一个通道中的光被一个具有空间分辨的探测器记录。对上述两通道的信号执行强度关联或符合测
11、量就能得到物体的图像（空间分布信息） ，而任何单通道的信号均无法获得物体的信息。1.2 最近国内外研究成果图（1.1）压缩感知最近，一些有关提高关联成像质量的研究结果使关联成像技术向实用化更近了一步。2009 年 O. Katz 等人实现了压缩感知鬼成像，将压缩感知（如图（1.1)所)示又称压缩采样是通过开发信号的稀疏特性，在远小于 Nyquist 采样率的条件下，用随机采样获取信号的天津理工大学届本科毕业设计说明书（毕业论文） 2离散样本，然后通过非线性重建算法完美的重建信号。将该方法应用于鬼成像后，成像质量可以得到很大改善。2012 年，中科院上海光机所韩申生小组利用脉冲激光入射到毛玻璃形
12、成的脉冲赝热光源实现了室外远距离 1 公里以上的三维（3D）鬼成像，他们称此鬼成像技术为鬼成像雷达，在遥感等领域有潜在的应用前景。2013 年英国格拉斯哥大学 Sun 等人利用数字光投影仪结构化随机调制光作为光源和几个单像素探测器也实现了 3D 鬼成像，这种成像技术在探测器波长受限等领域有应用前景.激光入射到可以漫反射的物体表面（如纸张）或者透明的粗糙物体（如旋转毛玻璃）上时，会形成激光散斑。基于激光散斑的应用很广泛，例如图像信息处理、散斑计量、三维映射和距离测量、生物医学成像等。激光散斑的很多应用是基于激光散斑具有很高的时空涨落随机性和探测器的时间和空间分辨率足以探测每个独立散斑图样的强度涨
13、落。在传统成像中，如果使用的探测器的响应速度较慢，跟不上散斑的涨落，那么探测器探测到是模糊的散斑图即多个独立散斑图的强度平均，这样探测器探测到的是模糊的图像。在基于动态激光散斑的赝热光关联成像中，如果使用响应速度慢的探测器是不是也会得到模糊的像？G. Brida 和 P. Zerom 两个小组研究了平均散斑图对透射式关联成像质量的影响，表明散斑平均效应几乎不影响透射式关联成像的成像质量。天津理工大学届本科毕业设计说明书（毕业论文） 3第二章 热光鬼成像衬噪比公式的推导从关联函数出发，结合热光的强度涨落统计性质，导出了热光鬼成像的衬噪 比公式1.2.1 引言衬噪比是评价热光鬼成像质量的一个重要指
14、标，导出热光鬼成像衬噪比的公 式，对研究讨论影响热光鬼成像质量的因素具有重要意义。2.2 热光鬼成像的衬噪比公式推导图 (2.1): 热光鬼成像装置示意图.CCD物体分束器热光源 桶接收器天津理工大学届本科毕业设计说明书（毕业论文） 4热光鬼成像装置如图(2.1)所示,热光源可以用激光器输出的激光经空间调制器或者毛玻璃被调制成具有负指 数强度统计分布的热光。在物光路，散斑图入射到一个透射型物体上，所有透射光 用个桶探测器桶收；在参考路，照射散斑场的强度直接被一个具有空间分辨的探测 器阵列比如 CCD 相机记录。关联桶探测器和 CCD 记录的信号，利用如下关联函数可以重建物体的鬼像：()()()
15、211NNnnBBGxIxIx=-(2.1)其中 ()()nnBxIIOx=（2.2）是第 n 次桶探测器桶收的信号， N 表示总的测量次数， I(n)(x)是第第 n 次 CCD 记录的 位置 x 处散斑场的强度， O(x)是物体的透过率函数，为了简单，我们这里假设物体 的透过率是二值的。我们利用衬噪比来量化成像质量，其定义式如下： 102GCRs-=+(2.3)其中坐标 x1处， G1 G(x1)对应 O(x1) = 1 以及坐标 x0处， G0 G(x0)对应 O(x0) = 0，同样地， 12和 02表示对应位置处的方差。现在详细推导衬噪比公式，对光源的统计性质做如下简单但合理的假设：
16、(1)不同的照射散斑图样强度互相统计独立；(2)不同像素点的强度统计独立；(3)探测器探测的信号涨落主要来自于照射散斑场的随机强度变化，其他噪声源 如探测器暗噪声可以忽略。利用假设 1，期望成像信号的关联函数的推导如下()()()()()22111,NNNnnnnBBBmmGxIxIxIIx- =-天津理工大学届本科毕业设计说明书（毕业论文） 5()()()()1,12 21 NNnnn BBNn mmB IIxIxIx = - -(2.4)所以 ()11BBBNGxIII-=-(2.5)其中利用了简写 。IX方差 ，其中()()222xxs=-()()22 211NNnnmBBmGIxIx=
17、- - (2.6)利用假设 1，可得()()2 22 24 1BBNxINI-=+-()()2 24131BNI+- +-()221BBNI I+-()1 N-(2.7)()22 21BBGxIII-=+-(2.8)可得方差 ()()2 22223311)BBBBNxIIIIs- +-23 4BNI+()()223 311BBIIN- -(2.9)利用假设二，可得下列式子天津理工大学届本科毕业设计说明书（毕业论文） 6(2.10)1Im=(2.11)BT(2.12)2I(2.13)()21BTm=-+（2.14）2IOx(2.15)()()231BT-(2.16)() )2 33211211B
18、IOx Tmmm=-+-+-(2.17)()(2 2432T其中 r Ir 是照射散斑强度分布的第 r 阶矩。整理可得(2.18)()1/24123/NCNRTgs-=-+其中 I4 (I I )4 以及 I2 2 21 从公式(2.18)可以看出衬噪比主要取决于测量 次数、物体的透光面积与散斑面积比值以及照明散斑场的强度分布的四阶标准矩(峰 度)。(1)若探测器响应很快以致可以记录各独立散斑图，热光强度统计分布为负指数 分布，其概率密度函数为(2.19)()1exp/pII=-结合散斑图样强度的 r 阶矩(2.20)(0rrIId可得(2.21)1/2276NCRT-=+(2)若探测器响应较慢，每次测量记录 M 个独立散斑强度平均。这时(2.22)()(),1nnmBBII=(2.23),Mxx
