CN109640006A - 一种基于空间光调制的红外单像素成像装置和成像方法 - Google Patents

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李明飞
阎璐
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Abstract

本发明公开了一种基于空间光调制的红外单像素成像装置和成像方法。该成像装置包括：集成光学镜头、空间光调制器、汇聚透镜、单点光强探测器、同步控制与数据采集模块和处理器；空间光调制器设置于集成光学镜头的后截距处；汇聚透镜设置于空间光调制器的输出光的光路上；单点光强探测器设置于汇聚透镜的输出光路上；数据采集模块用于对单点光强探测器输出的电信号进行采集；处理器用于获取同步控制与数据采集模块采集的电信号，并根据电信号进行反演，得到目标图案。本发明采用单点光强探测器即可实现红外波段的面阵测量，装置结构简单、紧凑，大大降低了系统成本。

Description

一种基于空间光调制的红外单像素成像装置和成像方法
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，尤其涉及一种基于空间光调制的红外单像素成像装置和成像方法。
背景技术
随着高像素高帧频光敏传感器的发展，光学成像的空间分辨率越来越高，图像质量越来越好。但图像传感器的像素数继续提高，使得单个像素尺寸减小，感光面减小，噪声增加，同时加工制作成本大大提高。尤其是在非可见光波段，红外、毫米波和X光波段，大面积的图像传感器阵列制造非常困难，但这些波段的成像对于国防、工业和安全等行业有着重要作用。因此在没有大面阵成像器件的情况下，寻求上述波段高分辨率、低成本的成像方法及设备显得尤为迫切。
2006年美国RICE大学首先成功实现了单像素成像，从实验上证明了人们可以利用更加简单廉价的单点传感器实现高分辨率图像信号采集，单像素相机的相关探索引起了国内外研究者的注意。我国空间中心在2014年利用单像素可见光探测器和红外波段探测器同时实现了目标可见光波段和红外波段成像,但采用的成像装置体积庞大，结构复杂。
发明内容
本发明解决的技术问题是：本发明实施例提供了一种基于空间光调制的红外单像素成像装置和成像方法，采用单点光强探测器即可实现红外波段的面阵测量，装置结构简单、紧凑，大大降低了系统成本。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于空间光调制的红外单像素成像装置，包括：集成光学镜头、空间光调制器、汇聚透镜、单点光强探测器、同步控制与数据采集模块和处理器；
空间光调制器设置于集成光学镜头的后截距处；其中，目标物体通过集成光学镜头成像在空间光调制器上；
汇聚透镜设置于空间光调制器的输出光的光路上，空间光调制器输出的光线经汇聚透镜汇聚成一点；
单点光强探测器设置于汇聚透镜的输出光路上，单点光强探测器对汇聚透镜输出的光线进行探测，得到探测信号，并对探测信号进行光电转换，得到电信号并输出；
数据采集模块，用于对单点光强探测器输出的电信号进行采集，并输出至处理器；
处理器，用于获取数据采集模块采集的电信号，并根据电信号进行反演，得到目标图案。
优选的，空间光调制器，包括：数字微镜阵列；其中，数字微镜阵列中的每一片微镜均可沿对角线呈设定角度翻转，光线通过微镜翻转反射至汇聚透镜处并汇聚成一点输出。
优选的，设定角度，包括：±12°。
优选的，汇聚透镜的直径小于或等于1英寸。
优选的，单点光强探测器的工作波段为近红外波段。
优选的，数据采集模块与处理器采用数据线连接；或，数据采集模块与处理器采用无线方式连接。
本发明还公开了一种基于空间光调制的红外单像素成像方法，包括：
将目标物体放置在集成光学镜头前，并调整集成光学镜头与目标物体之间的距离，使目标物体通过集成光学镜头在空间光调制器上清晰成像；
使用空间光调制器对物像进行调制，输出调制后的物像光线；
使用汇聚透镜将调制后的物像光线汇聚至一点输出；
使用单点光强探测器对经汇聚透镜汇聚输出的汇聚光线进行探测，得到探测信号，并对探测信号进行光电转换，得到电信号并输出；
使用数据采集模块对电信号进行采集，并输出至处理器；
在处理器上，根据接收到的电信号进行反演，得到目标图案。
优选的，空间光调制器，包括：数字微镜阵列；其中，数字微镜阵列中的每一片微镜均可沿对角线呈设定角度翻转；
通过空间光调制器对物像进行调制，输出调制后的物像光线，包括：
控制空间光调制器，加载多个数字微镜阵列，使数字微镜阵列下的微镜翻转，实现对物像的调制，输出调制后的物像光线。
本发明具有以下优点：
(1)相机成本低，探测灵敏度高
本发明利用空间光调制器对接收的光信号进行空间光调制，并利用红外波段的单点光强探测器对调制后的光信号进行探测，仅用单点探测器实现了红外波段的面阵测量，大大降低了系统成本。同时由于采用单点探测器探测，相机可探测单光子信号，探测灵敏度高。
(2)结构紧凑，携带方便
本发明采用相机类镜头(集成光学镜头)作为成像镜头，该镜头后截距短，在后截距处放置空间光调制器，又在出光方向通过放置汇聚镜片汇聚光线，再由单点光强探测器探测，整体结构紧凑，相机体积可以做得很小，携带方便，适用于野外等工作环境。
(3)安全性高
本发明通过在光通信传输的光路中放置可控的空间光调制器,实现对所传输光信号的独立控制，从而提高光单向通信系统的安全性。
附图说明
图1是本发明实施例所述的一种基于空间光调制的红外单像素成像装置的结构示意图；
图2是本发明实施例所述的一种基于空间光调制的红外单像素成像方法的步骤流程图；
其中：
1-目标物体，2-集成光学镜头，3-空间光调制器，4-汇聚透镜，5-单点光强探测器，6-数据采集模块，7-处理器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
实施例一
如图1，在实施例中，所述基于空间光调制的红外单像素成像装置具体可以包括：集成光学镜头2、空间光调制器3、汇聚透镜4，单点光强探测器5、数据采集模块6和处理器7。空间光调制器3设置于集成光学镜头2的后截距处；其中，目标物体1通过集成光学镜头2成像在空间光调制器3上。汇聚透镜4设置于空间光调制器3的输出光的光路上，空间光调制器3输出的光线经汇聚透镜4汇聚成一点。单点光强探测器5设置于汇聚透镜4的输出光路上，单点光强探测器5对汇聚透镜4输出的光线进行探测，得到探测信号，并对探测信号进行光电转换，得到电信号并输出。数据采集模块6，用于对单点光强探测器5输出的电信号进行采集，并输出至处理器7。处理器7，用于获取数据采集模块6采集的电信号，并根据电信号进行反演，得到目标图案。
在本实施例中，空间光调制器3具体可以包括：数字微镜阵列。其中，数字微镜阵列中的每一片微镜均可沿对角线呈设定角度翻转，光线通过微镜翻转反射至汇聚透镜处并汇聚成一点输出。其中，设定角度包括但不仅限于：±12°。
在本实施例中，集成光学镜头2结构紧凑，转接处为标准转接口，可直接替换其它商用光学镜头。且集成光学镜头后截距比照标准商用相机镜头后截距短(约4厘米)。
在本实施例中，汇聚透镜4可根据实际需求合理进行选择，一般优选直径小于或等于1英寸的小体积汇聚透镜，实现对空间光调制器输出的调制光信号的汇聚。
在本实施例中，单点光强探测器5的工作波段可为近红外波段，进而可实现对目标物体的近红外波段高灵敏成像，红外波段可提供可见光所不能提供的信息，抗湍流，穿雾霾、烟尘的能力强，可以在烟雾环境对目标成像。
在本实施例中，数据采集模块6与处理器7可采用数据线连接；也可采用无线方式(如红外、蓝牙、WiFi等无线连接方式)连接，本实施例对此不作限定。
实施例二
本发明实施例还公开了一种基于空间光调制的红外单像素成像方法，如图2，该成像方法具体可以包括：
步骤S101，将目标物体放置在集成光学镜头前，并调整集成光学镜头与目标物体之间的距离，使目标物体通过集成光学镜头在空间光调制器上清晰成像。
步骤S102，使用空间光调制器对物像进行调制，输出调制后的物像光线。
步骤S103，使用汇聚透镜将调制后的物像光线汇聚至一点输出。
步骤S104，使用单点光强探测器对经汇聚透镜汇聚输出的汇聚光线进行探测，得到探测信号，并对探测信号进行光电转换，得到电信号并输出。
步骤S105，使用数据采集模块对电信号进行采集，并输出至处理器。
步骤S106，在处理器上，根据接收到的电信号进行反演，得到目标图案。
在本实施例中，如前所述，空间光调制器具体可以包括：数字微镜阵列。其中，数字微镜阵列中的每一片微镜均可沿对角线呈设定角度翻转。
优选的，通过空间光调制器对物像进行调制，输出调制后的物像光线的步骤具体可以包括：控制空间光调制器，加载多个数字微镜阵列，使数字微镜阵列下的微镜翻转，实现对物像的调制，输出调制后的物像光线。
综上所述，本发明利用空间光调制器对接收的光信号进行空间光调制，并利用红外波段的单点光强探测器对调制后的光信号进行探测，仅用单点探测器实现了红外波段的面阵测量，大大降低了系统成本。同时由于采用单点探测器探测，相机可探测单光子信号，探测灵敏度高。其次，本发明采用相机类镜头(集成光学镜头)作为成像镜头，该镜头后截距短，在后截距处放置空间光调制器，又在出光方向通过放置汇聚镜片汇聚光线，再由单点光强探测器探测，整体结构紧凑，相机体积可以做得很小，携带方便，适用于野外等工作环境。此外，本发明通过在光通信传输的光路中放置可控的空间光调制器,实现对所传输光信号的独立控制，从而提高光单向通信系统的安全性。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于空间光调制的红外单像素成像装置，其特征在于，包括：集成光学镜头(2)、空间光调制器(3)、汇聚透镜(4)、单点光强探测器(5)、数据采集模块(6)和处理器(7)；
空间光调制器(3)设置于集成光学镜头(2)的后截距处；其中，目标物体(1)通过集成光学镜头(2)成像在空间光调制器(3)上；
汇聚透镜(4)设置于空间光调制器(3)的输出光的光路上，空间光调制器(3)输出的光线经汇聚透镜(4)汇聚成一点；
单点光强探测器(5)设置于汇聚透镜(4)的输出光路上，单点光强探测器(5)对汇聚透镜(4)输出的光线进行探测，得到探测信号，并对探测信号进行光电转换，得到电信号并输出；
数据采集模块(6)，用于对单点光强探测器(5)输出的电信号进行采集，并输出至处理器(7)；
处理器(7)，用于获取数据采集模块(6)采集的电信号，并根据电信号进行反演，得到目标图案。
2.如权利要求1所述的基于空间光调制的红外单像素成像装置，其特征在于，所述空间光调制器(3)，包括：数字微镜阵列；其中，数字微镜阵列中的每一片微镜均可沿对角线呈设定角度翻转，光线通过微镜翻转反射至汇聚透镜(4)处并汇聚成一点输出。
3.如权利要求2所述的基于空间光调制的红外单像素成像装置，其特征在于，所述设定角度，包括：±12°。
4.如权利要求1所述的基于空间光调制的红外单像素成像装置，其特征在于，所述汇聚透镜(4)的直径小于或等于1英寸。
5.如权利要求1所述的基于空间光调制的红外单像素成像装置，其特征在于，所述单点光强探测器(5)的工作波段为近红外波段。
6.如权利要求1所述的基于空间光调制的红外单像素成像装置，其特征在于，所述数据采集模块(6)与处理器(7)采用数据线连接；或，所述数据采集模块(6)与处理器(7)采用无线方式连接。
7.一种基于空间光调制的红外单像素成像方法，其特征在于，包括：
将目标物体放置在集成光学镜头前，并调整集成光学镜头与目标物体之间的距离，使目标物体通过集成光学镜头在空间光调制器上清晰成像；
使用空间光调制器对物像进行调制，输出调制后的物像光线；
使用汇聚透镜将调制后的物像光线汇聚至一点输出；
使用单点光强探测器对经汇聚透镜汇聚输出的汇聚光线进行探测，得到探测信号，并对探测信号进行光电转换，得到电信号并输出；
使用数据采集模块对电信号进行采集，并输出至处理器；
在处理器上，根据接收到的电信号进行反演，得到目标图案。
8.如权利要求7所述的基于空间光调制的红外单像素成像方法，其特征在于，所述空间光调制器，包括：数字微镜阵列；其中，数字微镜阵列中的每一片微镜均可沿对角线呈设定角度翻转；
通过空间光调制器对物像进行调制，输出调制后的物像光线，包括：
控制空间光调制器，加载多个数字微镜阵列，使数字微镜阵列下的微镜翻转，实现对物像的调制，输出调制后的物像光线。
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