CN110794381A - 一种激光彩色单臂自动关联成像系统 - Google Patents

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郑忠厚
华灵
邵恩善
张政
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    • G02B27/1006—Beam splitting or combining systems for splitting or combining different wavelengths

Abstract

本发明公开了一种激光彩色单臂自动关联成像系统的方案。三种波长的激光器分别发出红、绿、蓝三色激光，经BS分束镜偏折实现合束，经扩束系统实现扩束，共同投射在数字微镜器件DMD上，通过计算机对DMD进行调制，实现反射光为赝热光，反射光经投影光学系统投射在待拍摄物体表面，再次反射经光栅将三色波长偏折到不同方向，通过对应滤色片滤波后由CCD收集对应光强，在计算机中对散斑场数据和收集的光强数据进行关联计算，可获得物体的彩色图像信息。本发明专利实现了基于激光的彩色关联成像，在水下等复杂介质环境中可以较好的重构出待测物体的图像信息。

Description

一种激光彩色单臂自动关联成像系统
技术领域
本发明属于激光技术领域，涉及一种激光彩色单臂自动关联成像系统。
背景技术
关联成像也称为“鬼成像”，是近二十几年发展起来的新方向。关联成像具有非定域的特性，适用于军事、海洋探测、和矿物地质勘探领域，应用前景十分广阔。关联成像系统核心在于两点，一要获取照射在物体表面的赝热光场分布；二要探测物体反射光强，再通过对两点信息的关联计算，重构出物体的图像信息。目前关联成像系统大致有两种实现方案：一是通过旋转的毛玻璃制备出赝热光源，通过对光路的设计同时利用光电探测器件探测两路信息，再进行关联计算；二是利用数字微镜器件(DMD)对光场的调制作用，制备出赝热光源，如此仅需利用光电探测器件测量物体反射路的总光强即可。目前大多数成像系统均为单波长灰度成像，仅能获取目标物体的形状信息，无法获取色彩信息，使得信息不够丰富，少数系统采用了投影仪进行实验设计，虽能获取彩色信息，但投影仪出射光在光强、准直性方面差于激光，这限制了其实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光彩色单臂自动关联成像系统，解决了激光光斑较小无法全面覆盖数字微镜的问题。本发明的有益效果是可获得能量高、准直性好的光源，以应对远距离、强衰减介质等复杂的环境。
本发明所采用的技术方案的特征是光源部分包含三个激光器：第一激光器、第二激光器和第三激光器，第三激光器出射连续激光通过第一BS分束镜和第二BS分束镜，第二激光器出射激光经过第一BS分束镜偏折后再透过第二BS分束镜，第一激光器经过第二BS分束镜偏折，三束激光合为一束；合束后的激光光斑较小，且三种光斑重合范围更小，故使用扩束系统扩大光斑使其全面覆盖数字微镜器件的镜面；数字微镜器件由计算机控制，对入射的光波进行调制，使其为赝热光源；设定好焦距的投影光学系统将数字微镜器件镜面上的赝热光投影到物体表面，物体对赝热光进行反射；反射光为复色光，含有三个波长，经过光栅在自由空间传播一段距离后实现分束；反射光经滤色片进一步滤波后，由CCD收集对应的光强，再将收集到的光强信息传递给计算机。
所述第一激光器波长为650nm、第二激光器波长为532nm、第三激光器波长为450nm，输出激光功率均为1W。
所述扩束系统为成熟的消色差伽利略扩束器，扩束倍数为10。
所述激光器为连续激光器，始终处于工作状态。
所述数字微镜器件在接收到调制时序上升沿信号时即按照计算机的指令对光波进行调制，形成散斑场，在下一个调制时序上升沿到来之前，物体表面处的光场分布即为该散斑场，计算机会记录此时的调制信息，也就等同于记录了物体表面的散斑场。
所述投影光学系统，焦距可调。
所述CCD接收到探测时序上升沿信号时即对此时的光强进行记录，并传递给计算机。
所述系统按照以下时序周期往复工作，DMD接收到上升沿信号后对光场调制，二分之高电平时间后，CCD接收到上升沿，开始记录光强信息，直至采集够数据。
所述计算机，用算法对散斑场信息和收集到的光强信息进行关联计算，再叠加，就可以获得目标物体的彩色图像信息。
本发明优点在于：使用投影光学系统，可将数字微镜器件调制好的赝热光场投射到更大范围内，使探测的深度和广度大大提高，提升了系统的灵活性以及实际应用性；使用光栅，可将反射的复色光分束，分束角度可由理论计算或由实验测得，从而便于利用探测器一一收集；使用滤色片，在收集光强前利用滤色片滤波，排除杂散光，大大提高了测量的准确性，且有利于色彩的高度还原；使用的可触发式CCD具有面阵探测的特点，可以增大通光量，增强涨落，提高成像质量，且可触发的特点便于与数字微镜器件协同控制；使用三路激光器和三个CCD可对目标物体的R、G、B三个通道的信息进行探测，可实现物体的彩色图像重构；巧妙选择三个激光器的波长，并匹配两个合适BS分束镜，实现了光束的三合一，只需一束复色光在中间传输，使得实验系统更为简洁，紧凑，便于搭建与使用。
附图说明
图1为激光彩色单臂自动关联成像系统示意图；
图2为系统工作的时序图。
图中，101.第一激光器，102.第二激光器，103.第三激光器，201.第一BS分束镜，202.第二BS分束镜，3.扩束系统，4.数字微镜器件，5.投影光学系统，6.光栅，7.滤色片，8.CCD，9.计算机，10.物体。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明如图1所示，第一激光器101波长为650nm、第二激光器102波长为532nm、第三激光器103波长为450nm，输出激光功率均为1W。第三激光器103出射连续激光通过第一BS分束镜201和第二BS分束镜202；第二激光器102出射激光经过第一BS分束镜201偏折后再透过第二BS分束镜202；第一激光器101经过第二BS分束镜202偏折，三束激光合为一束，扩束系统3为Thorlabs公司的GBE10-A系列产品，对三束激光的合束进行扩束，扩束倍数为10，以扩大光斑以及重合面积，使之可以全面覆盖数字微镜器件4的数字微镜镜面。光斑投射到数字微镜器件4上之后，计算机9控制数字微镜器件4，对入射的光波进行调制，使其为赝热光源，即光强分布为随机的散斑场。设定好焦距的投影光学系统5可将数字微镜器件4镜面上的赝热光投影到物体10表面。物体10对赝热光进行反射，反射光为复色光，含有三个波长。由光栅方程：asinθ＝kλ知，当取一级衍射(k＝1)时，不同波长有不同的偏折角度(θ)，故反射光经过光栅6在自由空间传播一段距离后实现分束，再经过匹配对应波长的滤色片7进一步滤波，由CCD 8收集对应波长的光强，最后将收集到的光强信息传递给计算机9。
如图2所示，系统工作的时序为：激光器为连续激光器，始终处于工作状态，当数字微镜器件4接收到上升沿信号时，按照计算机9的指令对光波进行调制，且计算机9记录下此时的调制信息，即散斑场，在下一个上升沿到来之前，物体10表面处的光场分布即为该散斑场，在此期间，CCD8接收到上升沿信号，对此时的光强进行记录，并传递给计算机9。此处CCD曝光时间处于两次散斑场之间即可。系统以此周期往复工作，直至采集够数据。在计算机9中，经算法对散斑场信息和收集到的光强信息进行关联计算，再叠加，即可获得目标物体的彩色图像信息。
本发明利用了数字微镜器件4快速、高精度的对光场的调节性能，实现赝热光源的制备。为应对更加灵活可变的目标物体，本发明加入了焦距可调的投影光学系统5，可将调制好的散斑场投射到一定范围，便于系统灵活应对各种目标物的拍摄，增强了系统的灵活性。巧妙选取光栅6对复色光进行分光，从而可以逐一收集探测，使得分光系统即简便又能精准的达到目的。选取中心波长与激光器对应的滤色片7进行滤波，排除杂散光，使得测量更加精准。本发明采取连续激光器，利用信号同时控制CCD与DMD协同工作，使每次的散斑场与探测的光强匹配，增强探测的准确度。使用本发明可进行与色彩相关的关联成像实验，通过设置不同的参数、调整各组件结构，可用于较复杂环境下的关联成像实验。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种激光彩色单臂自动关联成像系统，其特征在于：光源包括第一激光器、第二激光器和第三激光器，第三激光器出射激光连续通过第一BS分束镜和第二BS分束镜，第二激光器出射激光经过第一BS分束镜偏折后再透过第二BS分束镜，第一激光器经过第二BS分束镜偏折，三束激光合为一束；合束后的激光光斑较小，且三种光斑重合范围更小，扩束系统扩大光斑全面覆盖数字微镜镜面，光斑投射在数字微镜器件上，数字微镜器件由计算机控制，对入射的光波进行调制，使其为赝热光源，设定好焦距的投影光学系统将数字微镜器件镜面上的赝热光投影到物体表面，物体对赝热光进行反射，反射光为复色光，含有三个波长，经过光栅在自由空间传播一段距离后实现分束，滤色片进一步滤波后，由CCD收集对应的光强，再将收集到的光强信息传递给计算机。
2.按照权利要求1所述一种激光彩色单臂自动关联成像系统，其特征在于：所述第一激光器波长为650nm、第二激光器波长为532nm、第三激光器波长为450nm，输出激光功率均为1W。
3.按照权利要求1所述一种激光彩色单臂自动关联成像系统，其特征在于：所述扩束系统为消色差伽利略扩束器，扩束倍数为10。
4.按照权利要求1所述一种激光彩色单臂自动关联成像系统，其特征在于：所述激光器为连续激光器，始终处于工作状态，当数字微镜器件接收到上升沿信号时，按照计算机的指令对光波进行调制，且计算机记录下此时的调制信息，即散斑场，在下一个上升沿到来之前，物体表面处的光场分布即为该散斑场，在此期间，CCD接收到上升沿信号，对此时的光强进行记录，并传递给计算机，系统以此周期往复工作，直至采集够数据，在计算机中，经算法对散斑场信息和收集到的光强信息进行关联计算，再叠加，获得目标物体的彩色图像信息。
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