[发明专利]一种基于单像素成像的多模光纤模式激发数计算的装置和方法

说明书

本发明公开了一种基于单像素成像的多模光纤模式激发数计算的装置和方法，属于多模光纤单像素成像领域，装置包括激光器、数字微镜器件、光纤耦合器、多模光纤、光纤准直器、用于将光纤输出光分束为参考光和物光的分束器，参考光光路设有记录光纤输出照明图案的相机，物光光路上设有测试透射型物体、用于聚焦物光的透镜、用于接收单像素信号的单像素探测器，相机与单像素探测器均与计算机相连并将数据传送至计算机，使用计算机进行多模光纤模式激发数计算；根据所使用实验参数(光波长、光纤数值孔径、光纤半径)计算多模光纤理论支持模式数以计算所需测量次数，采集相应测量数量的多模光纤照明图案以及携带测试物体信号的单像素信号，使用单像素成像算法计算照明图案内所含正交分量参数以计算多模光纤模式激发数。

技术领域

本发明属单像素成像领域，特别涉及一种基于单像素成像的多模光纤模式激发数计算的装置和方法。

背景技术

将单像素成像技术与多模光纤结合的成像方法在小型化内窥成像器件方面具有应用潜力。在多模光纤单像素成像领域，光纤模式激发模式数是一个重要参数，其决定多模光纤单像素成像所需测量次数及对应成像质量。多模光纤单像素成像是通过有缩束功能的光学器件组合将空间光耦合至光纤端面来激发光模式，由于空间光的角度偏差、光纤纤芯位置偏差、光斑与光纤端面大小偏差等实验误差，导致多模光纤内被激发的模式数量远小于其理论值从而导致成像质量差的问题，需对多模光纤内传输的模式数进行计算。因此，找寻一种能够有效计算多模光纤光模式激发数的方法是有意义的。

发明内容

本发明公开了一种基于单像素成像的多模光纤模式激发数计算装置，具体为：

一种基于单像素成像的多模光纤模式激发数计算装置，包括激光器、数字微镜器件、光纤耦合器、多模光纤、光纤准直器、分束器、相机、测试透射型物体、透镜、单像素探测器、计算机，其中：

激光器发射出的光经数字微镜器件随机调制后经光纤耦合器耦合至多模光纤，调制光在多模光纤内传输，经光纤准直器输出后由分束器分束为参考光与物光，参考光光路设有相机以记录多模光纤出射的照明图案，物光光路设有测试透射型物体、透镜和单像素探测器，物光经测试透射型物体后由透镜聚焦收光于单像素探测器，一次测量完成后，相机采集的照明图案与单像素探测器采集的单像素信号通过数据线传输至计算机，待所有数据采集完成后，模式激发数计算过程在计算机完成；

优选地，所述数字微镜器件、相机和单像素探测器均通过数据线连接至计算机；

优选地，所述数字微镜器件与单像素探测器通过数据线相连用于数据采集的同步控制；

本发明还公开了一种基于单像素成像的多模光纤模式激发数计算方法，具体步骤为：

步骤1、根据所使用的输入光波长、光纤数值孔径、芯径参数来计算多模光纤理论支持模式数n_mode；

步骤2、利用理论模式数n_mode估算所需测量次数N_m的下限选定一个N_m大于k_theory；

步骤3、开启装置，通过数字微镜器件(2)对输入光进行N_m次随机调制，使用相机依次采集得到数量为N_m，像素数为的光纤照明图案矩阵A，使用单像素探测器同时依次采集得数量为N_m的单像素信号Y；

步骤4、将照明图案A进行奇异值分解得A＝USV^T,得正交矩阵U及S，奇异值σ；

步骤5、使用各正交分量及奇异值计算物体

步骤6、计算物体x_k与测试物体x_TO的信噪比(Signal-noise-ratio)，记录使信噪比最大的参数k_real＝argmax(SNR(x_k,x_TO))；