CN109343077A - 一种液晶相控阵鬼成像系统及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种液晶相控阵鬼成像系统及其成像方法，属于光电成像领域。本发明公开的一种液晶相控阵鬼成像系统包括激光器、准直透镜、数字微镜设备DMD、空间光调制器SLM、单像素探测器、FPGA主控电路、第一透镜组、第二透镜组。调制矩阵模块用于控制数字微镜设备与空间光调制器工作；激光触发模块用于控制激光器工作状态；符合计算模块用于计算成像；第一透镜组用于调焦；所述第二透镜组用于会聚光束。本发明还公开一种液晶相控阵鬼成像方法，基于所述一种液晶相控阵鬼成像系统实现，本发明能够在保证获得所需结构的散斑光场条件下，简化液晶相控阵鬼成像系统结构复杂度，具有形式灵活和成像效率高的优点。

Description

一种液晶相控阵鬼成像系统及其成像方法

技术领域

本发明属于光电成像领域，特别是涉及一种相控阵鬼成像系统及其成像方法。

背景技术

鬼成像是近三十年来量子光学领域发展出的一种新型光学成像技术，鬼成像的成像方法与传统的透镜成像方法不同，该方法包括参考臂和探测臂，参考臂为高分辨率阵列式探测器，探测臂为桶探测器，其中桶探测器收集光路经过被探测物体透射或反射作用后的总光强信息，阵列探测器所在光路不包含待测物体，收集的只是光源自由传播一段距离后的光场信息。两者都无法单独对目标成像，但当这两臂信号进行二阶互相关运算后能够反演出被探测物体的信息。鬼成像具有非局域性，可以在不包含物体的光路上成像；成像空间分辨率高，可以突破衍射极限；可消除大气湍流和散射介质对成像的影响。所以鬼成像在遥感、医学、显微成像，以及弹载、星载成像探测等方面有着潜在的应用价值。

光学相控阵技术的概念来源于传统的微波相控阵，光相控阵是以工作在光波段的激光作为信息载体，因而不受传统无线电波的干扰，而且激光的波束窄，不易被侦察，具备良好的保密性；此外光相控阵可以集成在一块芯片上，尺寸小，重量轻，灵活性好，功耗低。这些优势使得光相控阵在自由空间光通信，光检测和测距、图像投影、激光雷达和光学存储等领域有着极大的应用前景。

随着电子技术的快速发展，相控阵技术的应用有利于提高随机散斑生成效率，例如：在《Optics Express》期刊上的题为“High frame-rate computational ghost imagingsystem using an optical fiber phased array and a low-pixel APD array”的文章将光纤相控阵列用于鬼成像，搭建了一套高速的计算鬼成像系统。在该方案中，激光器发出的激光首先传输至光纤放大器进行功率放大后被光纤耦合器分成多束相干光，传输至电光相位调制器进行随机相位调制，最后经过光纤阵列形成特定结构的快速时变散斑光场。相比于传统鬼成像装置，加快了散斑场变化速率，相应提高了成像速率，大幅促进了鬼成像在实际动态场景中的应用。由此，关于相控阵鬼成像的研究逐渐兴起，随着对相控阵鬼成像结构与关键技术的深入研究，已经为其实用化做了良好铺垫。然而现有的一些基于光纤阵列的鬼成像方法系统结构复杂，包含光纤放大器、光纤耦合器、电光相位调制器等众多器件，不利于系统的小型化集成。同时受限于光纤阵列的排列方式，其多为环形、正方形、六角形等，相应形成的散斑光场比较单一。

发明内容

本发明公开的一种液晶相控阵鬼成像系统及其成像方法，要解决的技术问题是：提供一种能够生成所需结构散斑光场的液晶相控阵鬼成像系统及其成像方法，且能够在保证获得所需结构的散斑光场条件下，简化液晶相控阵鬼成像系统结构复杂度，具有形式灵活和成像效率高的优点。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

本发明公开的一种液晶相控阵鬼成像系统，包括激光器、准直透镜、数字微镜设备DMD、空间光调制器SLM、单像素探测器、FPGA主控电路、第一透镜组、第二透镜组，其中，所述FPGA主控电路包含调制矩阵模块、激光触发模块、信号采集模块以及符合计算模块。所述调制矩阵模块用于控制数字微镜设备与空间光调制器工作；所述激光触发模块用于控制激光器工作状态；所述符合计算模块用于计算成像；所述第一透镜组用于调焦；所述第二透镜组用于会聚光束。

本发明还公开一种液晶相控阵鬼成像方法，基于所述一种液晶相控阵鬼成像系统实现，包括以下步骤：

步骤一：根据所需投影散斑结构，确定数字微镜设备的调制矩阵，并计算空间光调制器对应的调制参数，确定空间光调制器的调制矩阵，即相息图；

步骤一具体实现方法为：

步骤1.1：根据所需投影散斑结构，确定数字微镜设备的调制矩阵，所述数字微镜设备的调制矩阵为任意所需的平面结构。经数字微镜设备调制产生振幅分布为P(x,y)、初始相位为零的单色光。

步骤1.2：根据所需投影散斑结构，计算空间光调制器对应的调制参数；

步骤1.1调制产生的单色光均匀垂直照射到空间光调制器靶面，空间光调制器内部液晶单元在x方向和y方向上的调制相差分别为 其中k为波数。

其中，d为光学相控阵单元周期、s为单元有效区域宽度、l为光学相控阵尺寸，下角标为其在空间光调制器像素的所在坐标系，θ_y0为光束在远场y轴上的偏转角度、θ_x0为光束在远场x轴上的偏转角度，x为远场x轴坐标，y为远场y轴坐标，Rect(x)为矩形窗函数，Combt(x)为梳状函数，“*”表示卷积运算。根据光学理论，远场光的复振幅分布正比于光学相控阵出射面上光波复振幅的傅里叶变换。对公式(1)做傅里叶变换，则远场光束的复振幅分布表示为

根据所需预设散斑大小；其散斑半角宽度△θ计算公式：

F[]为傅里叶变换，λ为激光波长，△θ_x、△θ_y分别为夫琅禾费衍射区中x轴与y轴上采样光斑的半角宽度，N_x为列数，N_y为行数，θ_x为光束x方向角度，θ_y为光束y方向角度。

参数θ_x0、θ_y0即为相控阵的偏转角度，同时也为空间光调制器所需的调制参数。其计算方法为：其中 分别为基于光学相控阵原理在相位延时模块，此处为空间光调制器x轴像素和y轴像素上的相位延时通常以2π为模。

步骤二：根据步骤一确定的数字微镜设备的调制矩阵和计算的空间光调制器对应的调制参数，调制矩阵模块生成对应调制矩阵传递至数字微镜设备与空间光调制器；所述数字微镜设备的调制矩阵对光束的空间几何分布进行调制，所述空间光调制器的调制矩阵对光束的空间相位进行调制。

步骤三：激光触发模块给激光器输送工作信号，激光器输出激光；数字微镜设备根据调制矩阵对入射激光进行相应的空间几何分布调制，形成所需结构的空间结构光束；数字微镜设备调制后的空间结构光束照射至空间光调制器靶面，空间光调制器内部的液晶单元根据调制矩阵对光束进行相应空间相位调制，形成散斑光场，散斑光场照射至被测目标，单像素探测器接受信号。多次测量后，利用关联公式(4)计算恢复被测目标形貌，即实现液晶相控阵鬼成像。

G(x,y)＝<I_r(x,y)·B_r>-<I_r(x,y)><B_r> (4)

其中，G(x,y)代表目标函数，<·>为M次测量的均值运算；I_r(x,y)为预设的参考散斑光场，B_r为单像素探测器采集得到的总光强信号，下标r代表第r次测量。

有益效果：

1、本发明公开的一种液晶相控阵鬼成像系统及其成像方法，利用数字微镜设备生成灵活的照明光源结构，能够生成任意所需平面结构的空间结构光源，同时降低系统的硬件要求，从而能够简化液晶相控阵鬼成像系统结构复杂度，并提高液晶相控阵鬼成像系统的灵活性。

2、本发明公开的一种液晶相控阵鬼成像系统及其成像方法，根据所需预设散斑结构反向计算空间光调制器的调制参数，生成特定的调制矩阵，空间光调制器内部液晶单元调制速度快，能够提高散斑光场的生成速度，同时利用计算得到的调制参数能够有效减少符合计算成像时所需的散斑光场数量，从而提高液晶相控阵鬼成像的成像效率。

附图说明

图1为实施例的一种液晶相控阵鬼成像系统结构图；

图2为空间光调制器内部液晶单元示意图；

图3为实施例的一种液晶相控阵鬼成像方法流程图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

传统计算鬼成像方法是利用空间光调制器生成随机调制矩阵对光源进行调制，进而生成散斑光场。该方法形成的散斑光场完全随机没有结构性，计算成像时所需散斑数目太多导致数据冗余，对硬件条件的要求也比较高，从而影响实用性以及成像效率。特定的散斑光场比如正交散斑光场可有效提高鬼成像的成像效率。因此根据预设的结构散斑光场来获得空间光调制器的调制参数，进而对光源调制形成散斑光场，其更具有针对性，同时能够减少采样数目，降低对存储硬件的要求，即在满足成像质量要求的同时在成像的实时性上也有显著提高。

如图1所示，本实施例公开的一种液晶相控阵鬼成像系统包括：激光器，准直透镜，数字微镜阵列DMD，空间光调制器SLM，单像素探测器APD，FPGA主控电路，第一透镜组，第二透镜组。其中，所述FPGA主控电路包含调制矩阵模块、激光触发模块、信号采集模块以及符合计算模块。所述调制矩阵模块用于控制数字微镜设备与空间光调制器工作；所述激光触发模块用于控制激光器工作状态；所述符合计算模块用于计算成像；所述第一透镜组的用于调焦；所述第二透镜组用于会聚光束。

本实施例公开的一种液晶相控阵鬼成像的成像方法工作流程如图3所示，其核心内容可分为两个部分(1)通过预设散斑光场计算数字微镜设备与空间光调制器的调制参数；(2)通过控制数字微镜设备与空间光调制器调制光场分布，通过关联计算实现目标的二维鬼成像。

具体实现方法为：

步骤一：根据所需投影散斑结构，确定数字微镜设备的调制矩阵，并计算空间光调制器对应的调制参数，确定空间光调制器的调制矩阵，即相息图；

步骤一具体实现方法为：

步骤1.1：根据所需投影散斑结构，确定数字微镜设备的调制矩阵，所述数字微镜设备的调制矩阵为任意所需的平面结构。经数字微镜设备调制产生振幅分布为P(x,y)、初始相位为零的单色光。

步骤1.2：根据所需投影散斑结构，计算空间光调制器对应的调制参数；

步骤1.1调制产生的单色光均匀垂直照射到空间光调制器靶面，空间光调制器内部液晶单元在x方向和y方向上的调制相差分别为 其中k为波数，例如想要到达0.01πy轴方向上的角度偏转并已知k＝2π，dy＝4/πnm那么可由公式计算得出，其值约为0.08π。则其出射面上的光波的复振幅为

其中，d为光学相控阵单元周期、s为单元有效区域宽度、l为光学相控阵尺寸，下角标为其在空间光调制器像素的所在坐标系，θ_y0为光束在远场y轴上的偏转角度、θ_x0为光束在远场x轴上的偏转角度，x为远场x轴坐标，y为远场y轴坐标，Rect(x)为矩形窗函数，Combt(x)为梳状函数，“*”表示卷积运算。根据光学理论，远场光的复振幅分布正比于光学相控阵出射面上光波复振幅的傅里叶变换。对公式(1)做傅里叶变换，则远场光束的复振幅分布表示为

根据所需预设散斑大小；其散斑半角宽度△θ计算公式：

F[]为傅里叶变换，λ为激光波长，△θ_x、△θ_y分别为夫琅禾费衍射区中x轴与y轴上采样光斑的半角宽度，N_x为列数，N_y为行数，θ_x为光束x方向角度，θ_y为光束y方向角度。

参数θ_x0、θ_y0即为相控阵的偏转角度，同时也是空间光调制器所需的调制参数，其计算方法为：其中 分别为基于光学相控阵原理在相位延时模块，此处为空间光调制器x轴像素和y轴像素上的相位延时通常以2π为模。

步骤二：根据步骤一确定的数字微镜设备的调制矩阵和计算的空间光调制器对应的调制参数，调制矩阵模块生成对应调制矩阵传递至数字微镜设备与空间光调制器；所述数字微镜设备的调制矩阵对光束的空间几何分布进行调制，所述空间光调制器的调制矩阵对光束的空间相位进行调制。

数字微镜设备的主要驱动方式是依靠加载所生成的调制矩阵，以二值图像构成，通过内部微镜偏转对光束进行强度调制。空间光调制器的主要驱动方式是依靠加载所生成的相息图，以256级灰度值/像素构成。通过改变所在像素光通道上的相位延时，256级灰度值理想情况下对应0-2π的均匀像素延时变化。即通过制作所需相息图，控制相息图上各个像素所加灰度值可改变空间光调制器上各个光通道的相位延时，从而改变远场的偏转角度，即可实现相位调制。

步骤三：激光触发模块给激光器输送工作信号，激光器输出激光；数字微镜设备根据调制矩阵对入射激光进行相应的空间几何分布调制，形成所需结构的空间结构光束；数字微镜设备调制后的空间结构光束照射至空间光调制器靶面，空间光调制器内部的液晶单元根据调制矩阵对光束进行相应空间相位调制，形成散斑光场。经第一透镜组调焦照射至目标表面；经过目标散射或反射的光信号经第二透镜组会聚被单像素探测器记录，并送至信号接收模块。多次测量后，利用关联公式(4)计算恢复被测目标形貌，即实现液晶相控阵鬼成像。

G(x,y)＝<Ir(x,y)·B_r>-<I_r(x,y)><B_r> (8)

其中，G(x,y)代表目标函数，<·>为M次测量的均值运算；I_r(x,y)为预设的参考散斑光场，B_r为单像素探测器采集得到的总光强信号，下标r代表第r次测量。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种液晶相控阵鬼成像系统，其特征在于：包括激光器、准直透镜、数字微镜设备DMD、空间光调制器SLM、单像素探测器、FPGA主控电路、第一透镜组、第二透镜组，其中，所述FPGA主控电路包含调制矩阵模块、激光触发模块、信号采集模块以及符合计算模块；所述调制矩阵模块用于控制数字微镜设备与空间光调制器工作；所述激光触发模块用于控制激光器工作状态；所述符合计算模块用于计算成像；所述第一透镜组用于调焦；所述第二透镜组用于会聚光束。

2.一种液晶相控阵鬼成像方法，基于如权利要求1所述的一种液晶相控阵鬼成像系统实现，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一：根据所需投影散斑结构，确定数字微镜设备的调制矩阵，并计算空间光调制器对应的调制参数，确定空间光调制器的调制矩阵，即相息图；

步骤二：根据步骤一确定的数字微镜设备的调制矩阵和计算的空间光调制器对应的调制参数，调制矩阵模块生成对应调制矩阵传递至数字微镜设备与空间光调制器；所述数字微镜设备的调制矩阵对光束的空间几何分布进行调制，所述空间光调制器的调制矩阵对光束的空间相位进行调制；

步骤三：激光触发模块给激光器输送工作信号，激光器输出激光；数字微镜设备根据调制矩阵对入射激光进行相应的空间几何分布调制，形成所需结构的空间结构光束；数字微镜设备调制后的空间结构光束照射至空间光调制器靶面，空间光调制器内部的液晶单元根据调制矩阵对光束进行相应空间相位调制，形成散斑光场，散斑光场照射至被测目标，单像素探测器接受信号；多次测量后，利用关联公式计算恢复被测目标形貌，即实现液晶相控阵鬼成像；

G(x,y)＝<I_r(x,y)·B_r>-<I_r(x,y)><B_r>

其中，G(x,y)代表目标函数，<·>为M次测量的均值运算；I_r(x,y)为预设的参考散斑光场，B_r为单像素探测器采集得到的总光强信号，下标r代表第r次测量。

3.如权利要求1或2所述的一种液晶相控阵鬼成像方法，其特征在于：步骤一具体实现方法为，

步骤1.1：根据所需投影散斑结构，确定数字微镜设备的调制矩阵，所述数字微镜设备的调制矩阵为任意所需的平面结构；经数字微镜设备调制产生振幅分布为P(x,y)、初始相位为零的单色光；

步骤1.2：根据所需投影散斑结构，计算空间光调制器对应的调制参数；

步骤1.1调制产生的单色光均匀垂直照射到空间光调制器靶面，空间光调制器内部液晶单元在x方向和y方向上的调制相差分别为 其中k为波数；

其中，d为光学相控阵单元周期、s为单元有效区域宽度、l为光学相控阵尺寸，下角标为其在空间光调制器像素的所在坐标系，θ_y0为光束在远场y轴上的偏转角度、θ_x0为光束在远场x轴上的偏转角度，x为远场x轴坐标，y为远场y轴坐标，Rect(x)为矩形窗函数，Combt(x)为梳状函数，“*”表示卷积运算；根据光学理论，远场光的复振幅分布正比于光学相控阵出射面上光波复振幅的傅里叶变换；对公式(1)做傅里叶变换，则远场光束的复振幅分布表示为

根据所需预设散斑大小；其散斑半角宽度△θ计算公式：

F[]为傅里叶变换，λ为激光波长，△θ_x、△θ_y分别为夫琅禾费衍射区中x轴与y轴上采样光斑的半角宽度，N_x为列数，N_y为行数，θ_x为光束x方向角度，θ_y为光束y方向角度；

参数θ_x0、θ_y0即为相控阵的偏转角度，同时也为空间光调制器所需的调制参数；其计算方法为：其中 分别为基于光学相控阵原理在相位延时模块，此处为空间光调制器x轴像素和y轴像素上的相位延时通常以2π为模。