Sistemes formadors d’imatges multidimensionals amb detecció integrada

Abstract

L`objectiu general de la tesi és el desenvolupament i anàlisi de sistemes formadors d`imatges multidimensionals amb detecció integrada. Les càmeres multidimensionals no sols enregistren la distribució espacial de la irradiància de la llum, com les càmeres convencionals, sino també d`altres paràmetres físics de la radiació com l`espectre, la polarització o la fase. L`ús d`aquestes càmeres no convencionals s`ha estès a diferents àmbits com la medicina, teledetecció, agricultura, biologia,... ja que aporten informació valuosa que no s`aconsegueix amb una càmera convencional. Mentre les càmeres multidimensionals estàndard utilitzen en general sensors bidimensionals, en aquesta tesi es proposen càmeres multidimensionals amb detecció integrada. Basats en la càmera d`un sol píxel, aquests sistemes utilitzen moduladors espacials de radiació per a aplicar tècniques d`il.luminació estructurada i realitzar el mostreig de l`objecte sense parts mòbils. Les càmeres d`un sol píxel presenten principalment tres avantatges. Poden treballar fàcilment en regions exòtiques de l`espectre, com IR, Raigs X, UV o THz. Són adients per a ambients de baixa il.luminació. I, finalment, són útils per a tècniques on sols es poden mesurar irradiàncies integrades com per exemple microscòpia Raman o confocal de fluorescència. Amés s`ha utilitzat la tècnica de compressive sensing per optimitzar el procés de multiplexat i la tècnica ghost imaging com una forma de multiplexar. Particularment, es presenten una càmera híper-espectral, una polarimètrica, una híper-espectral polarimètrica i dues hologràfiques. En resum, s`han dissenyat càmeres multidimensionals d`un sol píxel amb les prestacions de les càmeres multidimensionals estàndard i els avantatges de la càmera d`un sol píxel.

El objetivo general de la tesis es el desarrollo y análisis de sistemas formadores de imágenes multidimensionales con detección integrada. Les cámaras multidimensionales no sólo registran la distribución espacial de la irradiancia de la luz, como las cámaras convencionales, sino también de otros parámetros físicos de la radiación como el espectro, la polarización o la fase. El uso de estas cámaras no convencionales se ha extendido a diferentes ámbitos como la medicina, teledetección, agricultura, biología,... ya que aportan información valiosa que no se consigue con una cámara convencional. Mientras las cámaras multidimensionales estándar utilizan en general sensores bidimensionales, en esta tesis se proponen cámaras multidimensionales con detección integrada. Basados en la cámara de un sólo píxel, estos sistemas utilizan moduladores espaciales de radiación para aplicar técnicas de iluminación estructurada y realizar el muestreo del objeto sin partes móviles. Las cámaras de un sólo píxel presentan principalmente tres ventajas. Pueden trabajar fácilmente en regiones exóticas del espectro, como IR, Rayos X, UV o THz. Son adecuadas para ambientes de baja iluminación. Y, finalmente, son útiles para técnicas donde sólo se pueden medir irradiancias integradas tales como la microscopia Raman o confocal de fluorescencia. Además se ha utilizado la técnica de compressive sensing para optimizar el proceso de multiplexado y la técnica ghost imaging como una forma de multiplexado. Particularmente, se presentan una cámara híper-espectral, una polarimétrica, una híper-espectral polarimétrica y dos holográficas. En resumen, se han diseñado cámaras multidimensionales de un sólo píxel con las prestaciones de las cámaras multidimensionales estándar y las ventajas de la cámara de un sólo píxel.

The main goal of the thesis is the development and analysis of multidimensional imaging systems with a bucket detector. Multidimensional cameras not only record the spatial distribution of the light irradiance but also of other physical parameters of the light radiation such as the spectrum, polarization or phase. The application of these non-conventional cameras has spread out in different areas such as medicine, remote sensing, agriculture, or biology, due to the valuable information that they provide in contrast with conventional cameras. While, in general, standard multidimensional cameras use sensors arrays, the multidimensional cameras proposed in this thesis use only a bucket detector. They are based in the concept of single-pixel camera, which employ spatial light modulators to apply structured illumination techniques, sampling the object without any moving parts. Single-pixel cameras exhibit principally three advantages. They can work at exotic regions of spectrum such as IR, X ray, UV, or THz. They are suitable for low-level illumination scenarios. And, finally, they can be useful in imaging methods based on scaning techniques, such as Raman or confocal fluorescence microscopy. Moreover, compressive sensing technique is employed to optimize multiplexing process and a ghost imaging technique is applied as a way of multiplexing. Particularly, a hyper-spectral, a polarimetric, a hyper-spectral polarimetric and two holographic cameras are shown in this thesis. In conclusion, multidimensional single-pixel cameras are designed with the benefits of multidimensional standard cameras and the advantages of a single-pixel camera.