Development and applications of a single-pixel imaging platform for three-dimensional, real-time, ultrahigh-speed, and terahertz imaging.

Kilcullen, Patrick (2023). Development and applications of a single-pixel imaging platform for three-dimensional, real-time, ultrahigh-speed, and terahertz imaging. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 161 p.

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Résumé

L’omniprésence et la maturité des capteurs optiques multi-pixels ont favorisé d’innombrables applications scientifiques dans le domaine de l’imagerie à haute vitesse et en temps réel. Cependant, ces capacités ne sont pas disponibles pour l’imagerie à différentes longueurs d’onde dont la science s’intéresse. Dans ces cas, comme alternative au simple balayage de trame, l’imagerie monopixel (SPI de l’anglais single-pixel imaging) est apparue comme une technique d’imagerie rapide et flexible qui utilise un éclairage codé à large champ combiné à un seul détecteur non imageur. Du point de vue des performances globales, les systèmes d’imagerie mono-pixel SPI sont très dépendants à la fois du matériel dédié à la modulation spatiale de la lumière et des algorithmes de reconstruction de l’image. Malgré ces dépendances, la popularité de l’imagerie mono-pixel SPI doit beaucoup à la maturité de ces deux technologies distinctes. La première est le dispositif numérique à micromiroir (DMD de l’anglais digital micromirror device), qui permet une modulation lumineuse reconfigurable et non mécanique avec des motifs binaires à des vitesses allant jusqu’à 32 kHz. La seconde est la théorie mathématique de la détection par compression (CS pour compressive sensing) qui a permis le développement et l’étude théorique de nombreux algorithmes polyvalents pour la reconstruction d’images mono-pixeliques SPI. Malheureusement, les limites de la technologie du dispositif numérique à micromiroir DMD et celles des algorithmes de reconstruction basés sur la détection par compression CS ont continué à avoir un énorme impact sur la reconstitution de l’image mono-pixelique SPI. Ces limites ont fait subir à de nombreuses techniques SPI de faibles vitesses d’imagerie et/ou de temps de reconstruction coûteux, ce qui exclut les applications exigeant des performances à grande vitesse ou en temps réel. Alors que les approches SPI précédentes ont traditionnellement adopté la modulation basée sur le dispositif numérique à micromiroir DMD et la reconstruction basée sur la détection par compression CS en tant que technologies séparées et génériques, le développement de schémas optimisés conjointement pour une modulation et une reconstruction plus rapide représente une stratégie potentielle et importante pour faire progresser les capacités de SPI. Suivant cette stratégie, cette thèse présente l’imagerie à mono-pixel accélérée par balayage de motifs agrégés (SPI-ASAP), une nouvelle plateforme pour SPI à haute vitesse et en temps réel qui augmente le SPI conventionnel basé sur DMD avec un matériel commercialisé de balayage laser pour obtenir une modulation à de bande passante en MHz. En identifiant les matrices circulantes du type S (cyclic S-matrix) comme une base optimale pour la conception de modèles de codage pour le balayage agrégé, un nouvel algorithme de reconstruction est introduit qui est capable de CS, tout en étant également compatible avec le matériel pour le calcul en parallèle. Cette thèse présente la plateforme de l’imagerie à mono-pixel ultra-rapide par balayage de motifs agrégés SPI-ASAP ainsi que diverses applications de l’imagerie mono-pixel SPI en trois parties. Dans la première partie, une approche de l’imagerie tridimensionnelle à mono-pixel est explorée, qui étend les techniques de profilométrie par projection de franges tout en tirant parti des matrices circulantes du type S pour la conception de modèles de codage. De plus, grâce au principe de réciprocité de Helmholtz, le système s’avère capable d’une photographie bimode et d’un rééclairage de scène. Dans la deuxième partie, la plateforme SPI-ASAP est entièrement introduite, ajoutant les éléments d’agrégation de motifs scannés et de reconstruction compressive rapide aux motifs de codage de la matrice circulante du type S. Le système résultant est utilisé pour démontrer l’imagerie ultra-rapide à des vitesses d’images allant jusqu’à 12 000 images par seconde (ips), des vi taux de modulation allant jusqu’à 14,1 MHz et la visualisation en temps réel d’une vidéo à monopixel 101×103 à des vitesses allant jusqu’à 100 ips. Enfin, dans la troisième partie, une application de la plateforme SPI-ASAP à l’imagerie d’émission térahertz (THz) est proposée, consistant en la conception substantiellement achevée d’un microscope chimique térahertz computationnel (TCM pour terahertz chemical microscope). Bien que la construction du système proposé soit actuellement en cours, un mécanisme minimalement intrusif et vérifié expérimentalement pour la modulation de l’émission THz est rapporté, ce qui prouve la faisabilité de cette conception pour améliorer le fonctionnement des systèmes TCM existants.

The ubiquity and maturity of multi-pixel optical sensors has enabled countless applications within science for high-speed and real-time imaging. However, these capabilities remain unavailable for imaging at many other wavelengths of scientific interest. In these cases, as an alternative to simple raster scanning, single-pixel imaging (SPI) has emerged as a fast and flexible imaging technique that makes use of coded wide-field illumination combined with a single non-imaging detector. When viewed from the perspective of overall performance, SPI systems exhibit a critical reliance on both dedicated hardware for spatial light modulation, as well as algorithms for image reconstruction. In spite these dependencies, the popularity of SPI owes much to the maturity of two separate technologies. The first is the digital micromirror device (DMD), which enables reconfigurable and non-mechanical light modulation with binary patterns at speeds up to 32 kHz. The second is the mathematical theory of compressive sensing (CS), which has enabled the development and theoretical study of many general-purpose algorithms for SPI reconstruction. Unfortunately, the limitations of both DMD technology and CS-based reconstruction algorithms have continued to enormously impact SPI, in particular leading many SPI techniques to suffer from low imaging rates and/or expensive reconstruction times, precluding applications demanding high-speed or real-time performance. Whereas previous SPI approaches have traditionally adopted DMD-based modulation and CSbased reconstruction as separate and generic technologies, the development of jointly optimized schemes for faster modulation and reconstruction represents an important potential strategy to advance the capabilities of SPI. Following this strategy, this thesis introduces single-pixel imaging accelerated via scanning of aggregate patterns (SPI-ASAP), a new platform for high-speed and real-time capable SPI which augments conventional DMD-based SPI with off-the shelf laser scanning hardware to achieve modulation at MHz bandwidths. By identifying cyclic S-matrices as an optimal basis for the design of encoding patterns for aggregate scanning, a new reconstruction algorithm is introduced that is capable of CS, while also compatible with hardware for parallelized computing. This thesis introduces the platform of SPI-ASAP as well as various applications of SPI in three parts. In the first part, an approach to three-dimensional single-pixel imaging is explored which extends the techniques of fringe projection profilometry while leveraging cyclic S-matrices for the design of encoding patterns. Further, through the principal of Helmholtz reciprocity, the system is shown to be capable of dual photography and scene relighting. In the second part, the SPI-ASAP platform is fully introduced, adding the elements of scanned pattern aggregation and fast compressive reconstruction to the cyclic S-matrix encoding patterns. The resulting system is used to demonstrate ultrahigh-speed imaging at framerates up to 12,000 frames-per-second (fps), modulation rates of up to 14.1 MHz, and real-time visualization of 101×103 single-pixel video at speeds up to 100 fps. Finally, in the third part, an application of the SPI-ASAP platform to terahertz (THz) emission imaging is proposed, along with the substantially completed design of a computational terahertz chemical microscope (TCM). Although construction of the proposed system is currently ongoing, a minimally intrusive and experimentally verified mechanism for the modulation of THz emission is reported, substantiating the feasibility of this design to enhance the operation of existing TCM systems.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Ozaki, Tsuneyuki
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Liang, Jinyang
Mots-clés libres:	imagerie mono-pixel (SPI) ; détection comprimée ; imagerie numérique ; dispositif à micromiroir numérique (DMD) ; S-matrices circulantes; imagerie tridimensionnelle ; imagerie à très grande vitesse ; imagerie térahertz ; Microscopie chimique térahertz (TCM)-pixel imaging (SPI) ; compressed sensing ; computational imaging ; digitalmicromirror device (DMD) ; cyclic S-matrices ; three-dimensional imaging ; ultrahigh-speed imaging ; terahertz imaging ; terahertz chemical microscopy (TCM)
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	19 déc. 2023 15:58
Dernière modification:	19 déc. 2023 21:03
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13798

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