CN102004313A - 共孔径激光主动照明成像系统 - Google Patents

Abstract

一种用于微光夜视领域的共孔径激光主动照明成像系统，包括激光器、预准直镜头、分束系统、成像物镜、成像探测器和显示系统。激光器、预准直镜头和成像物镜构成照明单元，成像物镜和成像探测器构成成像单元，分束系统可将成像单元和照明单元的光轴合成为一条光轴，使二者共享同一物镜。通过预准直镜头的设计，使照明单元的发散角覆盖成像单元的视场角。从激光器发出的照明光束经预准直镜头进行预准直达到预定的发散角后经由分束系统入射至成像物镜，然后对成像目标进行照明，被照明的成像目标反射的照明光经由同一成像物镜成像后再次经过分束系统，由成像探测器采集，最终由显示系统显示。

Description

共孔径激光主动照明成像系统

技术领域

本发明涉及一种用于微光夜视领域的主动照明成像设备。

背景技术

微光夜视成像系统可以根据有无照明分为被动微光成像和主动照明成像两种类型。被动微光成像系统的成像探测器采集的光信号完全来自于目标漫反射自然光或自身的辐射；主动照明成像系统，是在被动成像系统的基础上，人工施加照明条件，即搭建与成像系统工作波段相匹配的照明光源，探测器接收目标所反射的照明光源的光信号进行成像。随着激光器的出现和发展，主动照明成像系统逐渐开始采用激光器作光源，照明距离大大提高，功率又降低许多。

激光主动照明成像技术是将激光技术、成像传感器技术、微弱目标成像处理技术相结合发展起来的一种新技术。它的成像距离比被动成像系统长得多；通过对远、小、暗目标或其局部进行照明，可以减小背景辐射的影响，提高成像系统对这些特殊目标的精确跟踪和成像测量能力；除了对微弱辐射的目标可以提供照明成像，还可以使用特殊波段的照明光源，配合以相应波段的探测器，用以获取特殊成像信息。

现在普遍应用的激光主动照明成像系统主要是平行光路式，其照明单元和成像单元分立，应用时按照各自的光轴平行架设。这种光路形式简便易行，但是由于照明单元的光轴和成像单元的光轴不共轴，只有在两个光路交叠的区域里照明才有效，照明成像的有效范围小，而且照明光是从目标相对于成像单元的侧面入射的，由于大气微粒的散射、被探测目标前物体的反射等原因，容易在成像单元采集的图像上形成“彗尾”(图像靠近照明单元侧处出现亮斑)，这种影响使采集的图像无法真实反映目标特征，图像对比度差。当这种影响过强时，甚至会使目标淹没于“彗尾”中。

发明内容

本发明目的是利用分束系统实现共孔径激光主动照明成像，使系统的成像单元的光轴和照明单元的光轴重合，二者共享同一物镜。通过照明单元的预准直镜头设计，使照明单元的发散角覆盖成像单元的视场角。在调节物镜焦距成像时，同时也调节了照明光路的施照范围，从而克服了平行光路结构在调节系统焦距需要各自分别调节并改变光轴夹角的缺点。并且由于光路的对称性，被成像的目标就是被照明的目标，从而也很好的解决了后向散射问题。不仅如此，该系统易于实现，耦合的照明光路后光能利用率高，照明光斑均匀性更好，被探测目标的对比度被大大提高，便于对处于恶劣成像环境的物体进行成像观察，主要应用于微光环境下远、小、暗目标的高光能利用率主动照明成像探测和监视。

根据本发明的共孔径激光主动照明成像系统包括激光器、预准直镜头、分束系统、成像物镜、成像探测器和显示系统；激光器、预准直镜头和成像物镜构成照明单元，成像物镜和成像探测器构成成像单元，分束系统能将成像单元和照明单元的光轴合成为一条光轴，使二者共享同一物镜；从激光器发出的照明光束经预准直镜头预准直达到预定的发散角后经由分束系统入射至成像物镜，然后对成像目标进行照明，被照明的成像目标反射的照明光经由同一成像物镜成像后再次经过分束系统，由成像探测器采集，最终由显示系统显示。

其中，分束系统包括线偏振片、偏振分束棱镜和λ/4波片，从预准直镜头出射的照明光经线偏振片、偏振分束棱镜和λ/4波片后入射至成像物镜，从被照明的成像目标反射的照明光经由同一成像物镜后再次经过分束系统的λ/4波片、偏振分束棱镜后由成像探测器采集。

其中，分束系统中的偏振分束棱镜可由偏振分束镜代替。

其中，分束系统可由半透半反镜单独构成。

其中，分束系统可由半透半反棱镜单独构成。

其中，成像物镜的选择根据探测距离指标决定，对于远距离照明成像采用望远物镜，对于近距离照明成像采用照相物镜，成像物镜的焦距范围为8mm～3000mm。

其中，照明单元的发散角覆盖成像单元的视场角，照明单元的预准直镜头的发散角其中d′为成像探测器的光敏面的对角线长度，f′为成像物镜的焦距，预准直镜头的直径D和透镜背焦l之间满足D＞2ltanθ′。

其中，预准直镜头的焦距

预准直发散角θ′、多模光纤直径d、入射高斯光束束腰ω₀之间满足其中预准直镜头的焦距

的范围为3～500mm。

其中，考虑到透镜背焦l在选择透镜时是不可以作为指标来提供的，而预准直镜头焦距

可以，且有

因为数值孔径NA＝nsinθ≈θ，可以得到

作为设计用式。

其中，激光器与预准直镜头的耦合方式为通过光纤耦合或直接耦合，其波长范围为100nm～12um，优选266nm～1500nm。。

附图说明

图1为根据本发明的第一实施方式的主动照明成像系统的结构示意图；

图2为根据本发明的第二实施方式的主动照明成像系统的结构示意图，作为系统一种具体实施例；

图3为根据本发明的第三实施方式的主动照明成像系统的结构示意图；

图4为根据本发明的第四实施方式的主动照明成像系统的结构示意图；

图5为根据本发明的第五实施方式的主动照明成像系统的结构示意图。

(图1～5均非严格按照比例画出)。

具体实施方式

下面，结合附图详细描述根据本发明的优选实施方式。为了便于描述和突出显示本发明，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并将省略对这些公知部件的描述。

第一实施方式

图1所示为根据本发明的第一实施方式的主动照明成像系统的结构示意图。图1中的结构包括a)激光控制器1-1，b)激光器1-2(带尾纤1-3输出的激光器1-2)，c)预准直镜头1-4，d)分束系统(线偏振片1-5、偏振分束棱镜1-6和λ/4波片1-7)，e)成像物镜1-8，f)成像探测器1-9和g)显示系统1-10。

激光器1-2发出的照明光，先经过预准直镜头1-4预准直，达到预定的激光发散角，再依次经过分束系统的线偏振片1-5、偏振分束棱镜1-6、λ/4波片1-7，最后从成像物镜1-8出射对目标进行照明；被照明目标反射的部分照明光，连同一部分背景光沿照明光路的逆光路返回至成像物镜1-8，再次经过分束系统的λ/4波片1-7、偏振分束棱镜1-6，由成像探测器1-9采集，最终由显示系统1-10显示。在本实施方式中，预准直镜头1-4需使照明单元的发散角覆盖成像单元的视场角，可以根据成像探测器、成像物镜和激光器的参数确定激光预准直发散角的指标，设计合适特定系统的预准直镜头，从而提高该方法的适用性。分束系统由线偏振片1-5、偏振分束棱镜1-6和λ/4波片1-7构成，成像物镜1-8可以根据探测距离指标选择使用各类照相物镜或望远物镜。

可选用非带尾纤输出的激光器1-2，而直接与预准直镜头1-4耦合。

下面将对实施方式1中各组成部分进行详细说明，以阐述本发明思想、发明原理及各组成部分结构。其他实施方式为其变形光路，结构、原理类似。

a)激光控制器1-1

为了使激光器发出的激光光强在成像探测器的动态范围内，需要使用激光控制单元调节激光器的输出光强。可以选用功率可调谐的半导体激光器，连接系统后用成像探测器采集目标图像，根据成像效果选择合适的功率，使成像探测器不饱和且图像有较高的对比度。

b)激光器1-2

激光器可以选择带尾纤输出或不带尾纤输出的激光器。本发明中的实例均采用带尾纤1-3输出的激光器，它性能优越、可靠性好、功能丰富。根据带尾纤输出的激光器的数值孔径NA＝nsinθ，可以得到激光器尾纤输出的光束发散角为θ，即准直前的激光发散角为θ。

激光器可以选择功率可调谐的半导体激光器或其他形式激光器，波长范围为100nm～12um，优选266nm～1500nm。

c)预准直镜头1-4

预准直镜头可以减小激光光束的发散角、增加光束直径，并提高激光照明光斑的均匀度。需根据成像探测器、成像物镜和激光器的参数确定激光预准直发散角的指标，设计与指定成像探测器、成像物镜和激光器匹配的预准直镜头。设计出的镜头需满足照明单元的发散角覆盖成像单元的视场角的要求，即对激光光束进行预准直后，使激光以一定的发散角出射，保证在对分束系统作展开时，照明光路与成像光路完全重合，经过成像物镜进一步准直，最终达到小发散角出射、远距离照明的目的。

成像探测器的光敏面位于成像物镜的像面处，根据光敏面的尺寸和物镜焦距可以得到预准直镜头的发散角指标θ′：

其中d′为成像探测器的光敏面的对角线长度，f′为成像物镜的焦距。

因为对激光器输出激光的准直是一个光束聚焦的过程，根据经验，较好的准直镜头一般是外形为平凸式的正透镜。根据高斯光束传输理论，假设多模光纤直径为d，入射高斯光束束腰为ω₀，预准直镜头焦距

预准直发散角为θ′，则由发散角的大小及光纤芯径的大小计算出所需预准直镜头的焦距，如式(1)所示，

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{2{\mathrm{\ω}}_0}{f_z^{\′}}=\frac{d}{f_z^{\′}}---\left(1\right)$

在已知光纤数值孔径的情况下，光纤出射光在透镜第一表面形成光斑的大小也是确定的，而透镜的直径D则要大于这一光斑的直径，如式(2)所示

                   D＞2ltanθ                 (2)

其中θ为激光器尾纤输出的光束发散角。

由于透镜背焦l在选择透镜时是不可以作为指标来提供的，而透镜焦距

可以，且有

考虑到数值孔径NA＝nsinθ≈θ，则可得到设计用式(3)，

$D>2f_z^{\′}\tan \mathrm{\θ}\≈2\mathrm{NA}{f}_z^{\′}---\left(3\right)$

预准直镜头(透镜)的焦距值和直径范围可以通过上面几式得到，可以根据这两项参数进行透镜的选择。其焦距范围为3～500nm。

d)分束系统

包括线偏振片1-5、偏振分束棱镜1-6和λ/4波片1-7。线偏振片位于预准直镜头和偏振分束棱镜之间，三者的光轴重合；λ/4波片位于偏振分束棱镜和成像物镜之间，三者的光轴重合。偏振分束棱镜的分束面与照明单元的光轴成45°，面向预准直镜头的棱镜端面与线偏振片均垂直于该光轴，并且该分束面与成像探测器的光敏面也成45°，平行于成像探测器的棱镜端面也平行于λ/4波片。分束系统可将成像单元和照明单元的光轴合成为一条光轴，使二者共享同一物镜。

线偏振片将入射非偏振的激光起偏，其振动方向刚好平行于偏振分束棱镜端面的s向，经过偏振分光棱镜几乎全部反射成为照明光束。λ/4波片的快慢轴与s向偏振光的夹角为45°，将s光相位延迟成圆偏振光由物镜发射；被探测目标表面反射而返回的圆偏振光再次经过系统中的λ/4波片时，相位延迟变成与偏振分束棱镜端面的p向相平行的线偏振光，经过偏振分光棱镜几乎全部透射成像。

分束系统的三个光学元件的工作波段需覆盖激光器的工作波长，并且三个元件尺寸受限于成像物镜后截距，应根据光斑大小设计元件尺寸。根据光学元件的位置、尺寸，设计便于加工的机械连接件将分立的元件进行连接，组成一个系统。

e)成像物镜1-8

成像物镜的选择根据探测距离指标决定，对于远距离照明成像可以采用望远物镜，对于近距离照明成像可以采用照相物镜。成像物镜的焦距范围可以达到8mm～3000mm。

因为与成像物镜关系最为密切的就是预准直镜头，一旦成像探测器、激光器和成像物镜的参数被指定，就可以设计特定的预准直镜头配合特定的系统使用。

f)成像探测器1-9

成像探测器的光敏面处于该系统的像面处，即成像物镜的后截距处。成像探测器可以是CCD、ICCD、EMCCD、四相限探测器等，响应波段应与激光器的工作波长相匹配。

g)显示系统1-10

成像探测器将采集的图像信号通过接口电路输出至显示系统，显示系统可以采用LCD、CRT、监视器等。

第二实施方式

图2所示为根据本发明的第二实施方式的主动照明成像系统的结构示意图，作为第一实施方式的具体实施例。与第一实施方式相比，其区别在于采用折返结构或全反射结构物镜作为物镜。该系统包括激光控制器2-1，激光器2-2(带尾纤2-3输出的激光器2-2)，预准直镜头2-4，分束系统(线偏振片2-5、偏振分束棱镜2-6和λ/4波片2-7)，施密特-卡塞格林望远物镜2-8，成像探测器2-9和显示系统2-10。

由于采用大孔径的折返成像物镜，在同等望远条件下大大缩短主动照明成像系统的长度，且成像质量比较好。利用这一系统可以实现远距离主动照明成像。

第三实施方式

图3所示为根据本发明第三实施方式的主动照明成像系统的结构示意图。与第一实施方式相比，其区别在于考虑到偏振分束元件有偏振分束棱镜和偏振分束镜两种，故采用偏振分束镜代替偏振分束棱镜，即偏振分束镜也可作为分束元件。该系统包括激光控制器3-1，激光器3-2(带尾纤3-3输出的激光器3-2)，预准直镜头3-4，分束系统(线偏振片3-5、偏振分束镜3-6和λ/4波片3-7)，成像物镜3-8，成像探测器3-9和显示系统3-10。

第四实施方式

图4所示为根据本发明第四实施方式的主动照明成像系统的结构示意图。与第一实施方式相比，其区别在于采用半反半透镜作为分束系统实现光路耦合，相比于用偏振分束棱镜实现的分束系统，该方式省去了线偏振片和λ/4波片，但光能利用率稍低。该系统包括激光控制器4-1，激光器4-2(带尾纤4-3输出的激光器4-2)，预准直镜头4-4，分束系统(半反半透镜4-5)，成像物镜4-6，成像探测器4-7和显示系统4-8。

该系统整体与第一实施方式的主动照明成像系统基本相同，区别在于，在本实施方式的系统中激光经预准直后直接入射至半反半透镜，一半透过损失、一半反射进入物镜，被发射出照明探测目标。目标反射的照明光和一部分背景光返回至物镜，经过半反半透镜，一半反射损失、一半透过被成像探测器成像。

第五实施方式

图5所示为根据本发明第五实施方式的主动照明成像系统的结构示意图。与第一实施方式相比，其区别在于采用半反半透棱镜作为分束系统实现光路耦合。该系统包括激光控制器5-1，激光器5-2(带尾纤5-3输出的激光器5-2)，预准直镜头5-4，分束系统(半反半透棱镜5-5)，成像物镜5-6，成像探测器5-7和显示系统5-8。

在本实施方式的系统中激光经预准直后直接入射至半反半透棱镜，一半透过损失、一半反射进入物镜，被发射出照明探测目标。目标反射的照明光和一部分背景光返回至物镜，经过半反半透棱镜，一半反射损失、一半透过被成像探测器成像。

典型实施例

下面，以第二实施方式的主动照明成像系统为例，给出具体实施方案数据。应该注意到，下面所列的具体数据仅作为实验中选取的实例，目的是使读者理解发明人所提供的本发明的原理、概念，并不应该作为固定参数。

激光器的工作波长为850nm，可以选择带尾纤输出或不带尾纤的激光器，为便于实验，本实施方式采用带尾纤输出的红外激光半导体激光器，中心波长为808nm，尾纤的光纤芯径为360μm，数值孔径NA为0.22；实验中使用的施密特-卡塞格林望远物镜的焦距为1250mm；光敏面尺寸决定于成像探测器，为便于实验，本实施例采用8.8mm×6.6mm的CCD成像探测器；偏振分束棱镜、λ/4波片和线偏振片需符合激光器的工作波长要求和成像物镜后截距尺寸要求，为便于实验，本实施方式采用p向偏振光的透过率为95％、s向偏振光的反射率为99.8％的偏振分束棱镜、λ/4波片、消光比大于100∶1的线偏振片。

理想情况下，如上参数可使该系统可以达到99.9998945％的光能利用率。

根据设计，实施例预准直镜头的参数如下表1。

                  表1 预准直镜头参数

上述结构中的组件参数只是用于示范的实例，有助于读者理解发明人所提供的本发明的原理、概念和结构，用以促进技术的发展。

此处的任何结构图表示为体现本发明原理的示意线路的草图。光学元件，如成像物镜可以采用任意形式的照相物镜、望远物镜。激光器和成像探测器的形式也可任意选择，但对于一个确定的系统，预准直镜头要根据选择的成像物镜、成像探测器和激光器具体设计，且只适用于该特定系统。

同时，对于该尺寸范围内任何相同和相类似的结构，均应该看作是本发明所要求的权利范围内。

Claims (11)

1.一种共孔径激光主动照明成像系统，该系统包括激光器、预准直镜头、分束系统、成像物镜、成像探测器和显示系统；激光器、预准直镜头和成像物镜构成照明单元，成像物镜和成像探测器构成成像单元，分束系统能将成像单元和照明单元的光轴合成为一条光轴，使二者共享同一物镜；从激光器发出的照明光束经预准直镜头预准直达到预定的发散角后经由分束系统入射至成像物镜，然后对成像目标进行照明，被照明的成像目标反射的照明光经由同一成像物镜成像后再次经过分束系统，由成像探测器采集，最终由显示系统显示。

2.根据权利要求1所述的主动照明成像系统，其特征在于，分束系统包括线偏振片、偏振分束棱镜和λ/4波片，从预准直镜头出射的照明光经线偏振片、偏振分束棱镜和λ/4波片后入射至成像物镜，从被照明的成像目标反射的照明光经由同一成像物镜后再次经过分束系统的λ/4波片、偏振分束棱镜后由成像探测器采集。

3.根据权利要求2所述的主动照明成像系统，其特征在于，分束系统中的偏振分束棱镜由偏振分束镜代替。

4.根据权利要求1所述的主动照明成像系统，其特征在于，分束系统由半透半反镜构成。

5.根据权利要求1所述的主动照明成像系统，其特征在于，分束系统由半透半反棱镜构成。

6.根据权利要求1-5所述的主动照明成像系统，其特征在于，成像物镜的选择根据探测距离指标决定，对于远距离照明成像采用望远物镜，对于近距离照明成像采用照相物镜，成像物镜的焦距范围为8mm～3000mm。

7.根据权利要求1-5所述的主动照明成像系统，其特征在于，照明单元的发散角覆盖成像单元的视场角，照明单元的预准直镜头的发散角

其中d′为成像探测器的光敏面的对角线长度，f′为成像物镜的焦距，预准直镜头的直径D和透镜背焦l之间满足D＞2ltanθ′。

8.根据权利要求7所述的主动照明成像系统，其特征在于，预准直镜头的焦距

预准直发散角θ′、多模光纤直径d、入射高斯光束束腰ω₀之间满足

其中预准直镜头的焦距

的范围为3～500mm。

9.根据权利要求8所述的主动照明成像系统，其特征在于，预准直镜头满足

其中，NA为数值孔径。

10.根据权利要求1所述的主动照明成像系统，其特征在于，激光器与预准直镜头的耦合方式为通过光纤耦合或直接耦合，其波长范围为100nm～12um。

11.根据权利要求10所述的主动照明成像系统，其特征在于，波长范围为266nm～1500nm。

Images