CN110989074B

CN110989074B - 基于光纤阵列的成像装置

Info

Publication number: CN110989074B
Application number: CN201911385134.9A
Authority: CN
Inventors: 赵磊
Original assignee: Hangzhou Keluoma Photoelectric Technology Co ltd
Current assignee: Hangzhou Keluoma Photoelectric Technology Co ltd
Priority date: 2019-12-28
Filing date: 2019-12-28
Publication date: 2021-06-04
Anticipated expiration: 2039-12-28
Also published as: CN110989074A

Abstract

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于光纤阵列的成像装置，利用无序捆绑的光纤束组成光纤阵列，降低了光纤模块构造的难度与成本，一定程度提高了光纤束的性能，利用激光器、扫描振镜、扫描透镜与扫描物镜，实现原始图像定标，基于定标结果，将无序捆绑的光纤束造成的无序像素的原始图像，转换为有序像素图像。

Description

基于光纤阵列的成像装置

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种基于光纤阵列的成像装置。

背景技术

光学图像是人们获得自然界信息的主要途径之一。然而，由于介质的光学特性的局限，还有很多有意义的观察对象尚无法清晰便捷的获取光学图像。光纤内窥镜是拓展光学成像的应用范围的一种重要工具，通过使用直径较小的光纤，可在复杂、狭小的空间内进行光学成像的工作，在生物医疗与工业生产中有广泛的应用。

然而，现在的光纤内窥镜主要依靠成像光纤束来进行图像的传导，成像光纤束内部，由多根规则排布的光纤组成。成像光纤束的价格昂贵，制作过程相对复杂，是阻碍光纤内窥镜发展的原因之一。另一个方面，普通的单模光纤，在通信领域广泛应用，其制作技术与性能非常优异，成本也相对低廉。在本发明中，我们提出使用普通的单模光纤阵列，在简单的无序组装后，组成光纤阵列，在通过使用激光扫描系统进行定标后，该光纤阵列可实现图像传输的能力。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于光纤阵列的成像装置，该装置通过对光纤阵列进行激光扫描定标，可实现图像传输。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明包括光纤阵列、成像物镜、成像管透镜、成像相机、激光器、扫描振镜、扫描透镜、扫描管透镜与扫描物镜，其中光纤阵列、成像物镜、成像管透镜与成像相机组成光纤阵列成像系统，激光器、扫描振镜、扫描透镜、扫描管透镜与扫描物镜组成光纤阵列定标系统，光纤阵列端面的N根光纤被定义为N个像素，N是大于1的整数，在光纤阵列的输出端后，依次安装成像物镜、成像管透镜与成像相机，从光纤阵列的输入端获取的光学信息，经过光纤阵列传输后，由光纤阵列的输出端输出，并依次通过成像物镜、成像管透镜并聚焦在成像相机的感光面处，得到无序像素的原始图像，使用光纤阵列定标系统对开展原始图像定标，激光器发射的光线通过扫描振镜后光线传输方向随着扫描振镜的镜片角度发生改变，光线进一步通过扫描透镜以及扫描管透镜实现扩束，并高效率的从扫描物镜的入瞳进入扫描物镜，通过扫描物镜后，聚焦光线依次扫描光纤阵列的输入端的N个像素，在单个像素被聚焦光线照亮的时候，记录聚焦激光的空间位置（x,y），x和y是有理数，同时成像相机拍摄一副图像，记录图像上亮点中心的相机像素位置（px,py），px和py是大于等于0的整数，将空间位置（x,y）处以像面单像素尺寸，得到校正后的相机像素位置（pxc,pyc）, pxc和pyc是大于等于0的整数，对所有的扫描空间位置进行像素校正后，可将无序像素的原始图像转换为有序像素图像。

所述光纤阵列，是一种光纤束元件，由N根光纤无序捆绑组合而成，光纤阵列的两端分别定义为光纤阵列的输入端和输出端，在输入端和输出端，均有N个圆形的光纤端面，每个光纤定义为像素，从输入端的一个像素进入的光信号，将通过同一根光纤传输，并由输出端的相应像素输出，由于光纤阵列是无序捆绑组合而成，输入端和输入端的像素位置不是一一对应的。

所述光纤阵列成像系统，由光纤阵列、成像物镜、成像管透镜与成像相机组成，光纤阵列的输出端与成像物镜的成像焦面重合，光纤阵列的输出端输出的光线，通过成像物镜后，准直输出，并通过成像管透镜后，聚焦在成像相机的感光面，成像管透镜的后焦面与成像相机的感光面重合。

所述光纤阵列定标系统，由激光器、扫描振镜、扫描透镜、扫描管透镜与扫描物镜组成，激光器发出的准直光线，通过扫描振镜后反射，扫描振镜由模拟电压信号控制，不同幅值的电压信号下，扫描振镜的镜面角度发生相应的转动，实现反射光线的角度扫描，反射光线经过扫描透镜以及扫描管透镜后，扩束准直输出，其中扫描透镜的前焦面与扫描振镜的镜面位置重合，扫描透镜的后焦面与扫描管透镜的前焦面重合，组成4f系统，通过扫描管透镜后，扩束准直光线入射到扫描物镜的入瞳处，扫描物镜的入瞳与扫描管透镜的后焦面重合，根据光学共轭关系，扫描物镜的入瞳与扫描振镜的镜面共轭，扫描振镜反射的不同角度光线，都可以通过扫描物镜的入瞳，聚焦到扫描物镜的扫描焦面，扫描物镜的扫描焦面与光纤阵列的输入端重合，聚焦光线的光束直径小于光纤阵列中单个像素的直径，聚焦光线以行扫描的方式，依次扫描光纤阵列的输入端，在聚焦到其中一个像素附近时，记录其空间位置（x,y），光线通过该像素对应的光纤传输到光纤阵列的输出端，并由相应的像素输出，该光线被光纤阵列成像系统采集，并最终成像于成像相机处，记录图像上亮点中心的相机像素位置（px,py）。

所述原始图像定标，以光纤阵列的输入端的左上角为坐标原点，x轴水平向右，y轴竖直向下，扫描振镜使得扫描物镜后的聚焦光线在光纤阵列的输入端扫描移动，当其空间位置为（x,y）时，将空间位置转换为输入端像素位置（px0,py0），其中px0= [x/ d]，算术符号[x/ d]指取不超过x/ d的最大整数，py0=[y/d]，d为光纤的三个像素的直径，当聚焦光线的位置为（x,y）时，聚焦光线通过光纤传输，由光纤阵列的输出端输出，并被光纤阵列成像系统采集，并最终成像于成像相机处，记录图像上亮点中心的相机像素位置（px,py）。

所述有序像素图像，是指在振镜扫描下，记录N个聚焦光线的空间位置，定义为（x_i,y_i），其中i是取值范围在1到N的整数，同时将上述N个空间位置转换为N个输入端像素位置（px0_i,py0_i），其中px0_i=[x_i /d], py0_i=[y_i /d],同时记录相应的成像相机记录的相机像素位置（pxi,pyi），在真实成像过程中，将光纤阵列、成像物镜、成像管透镜与成像相机单独组合，并在光纤阵列的输入端前安装成像镜头，成像镜头的成像焦面与光纤阵列的输入端重合，并使用相机拍摄一副图像，图像矩阵定义为Img，接下来，生成一个相同维度，但矩阵元素全为0的矩阵Img0，将Img[pxi,pyi] 中的元素赋值给Img0中的元素Img0 [px0_i,py0_i]，当N个元素全部赋值结束，即可得到有序像素图像的矩阵Img0。

本发明的有益效果：

通过本发明的结构设置，可以实现一种基于光纤阵列的成像装置，利用无序捆绑的光纤束组成光纤阵列，降低了光纤模块构造的难度与成本，一定程度提高了光纤束的性能，利用激光器、扫描振镜、扫描透镜与扫描物镜，实现原始图像定标，基于定标结果，将无序捆绑的光纤束造成的无序像素的原始图像，转换为有序像素图像。

附图说明

图1为一种基于光纤阵列的成像装置的定标示意图。

图2为一种基于光纤阵列的成像装置的成像示意图。

具体实施方式

为了使公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。

实施例1

下面结合附图1、附图2和实施例1对本发明作进一步说明。

如附图1所示，本发明包括光纤阵列1、成像物镜2、成像管透镜3、成像相机4、激光器5、扫描振镜6、扫描透镜7、扫描管透镜8与扫描物镜9，其中光纤阵列1、成像物镜2、成像管透镜3与成像相机4组成光纤阵列成像系统，激光器5、扫描振镜6、扫描透镜7、扫描管透镜8与扫描物镜9组成光纤阵列定标系统，光纤阵列1端面的N根光纤被定义为N个像素，N是大于1的整数，在光纤阵列1的输出端1-1后，依次安装成像物镜2、成像管透镜3与成像相机4，从光纤阵列1的输入端1-1获取的光学信息，经过光纤阵列1传输后，由光纤阵列1的输出端1-2输出，并依次通过成像物镜2、成像管透镜3并聚焦在成像相机4的感光面处，得到无序像素的原始图像，使用光纤阵列定标系统对开展原始图像定标，激光器5发射的光线通过扫描振镜6后光线传输方向随着扫描振镜6的镜片角度发生改变，光线进一步通过扫描透镜7以及扫描管透镜8实现扩束，并高效率的从扫描物镜9的入瞳进入扫描物镜9，通过扫描物镜9后，聚焦光线依次扫描光纤阵列1的输入端1-1的N个像素，在单个像素被聚焦光线照亮的时候，记录聚焦激光的空间位置（x,y），x和y是有理数，同时成像相机拍摄一副图像，记录图像上亮点中心的相机像素位置（px,py），px和py是大于等于0的整数，将空间位置（x,y）处以像面单像素尺寸，得到校正后的相机像素位置（pxc,pyc）, pxc和pyc是大于等于0的整数，对所有的扫描空间位置进行像素校正后，可将无序像素的原始图像转换为有序像素图像。

所述光纤阵列1，是一种光纤束元件，由N根光纤无序捆绑组合而成，光纤阵列的两端分别定义为光纤阵列的输入端1-1和输出端1-2，在两个端口，均有N个圆形的光纤端面，每个光纤定义为像素，从输入端1-1的一个像素进入的光信号，将通过同一根光纤传输，并由输出端1-2的相应像素输出，由于光纤阵列1是无序捆绑组合而成，输入端1-1和输入端1-2的像素位置不是一一对应的。

所述光纤阵列成像系统，由光纤阵列1、成像物镜2、成像管透镜3与成像相机4组成，光纤阵列1的输出端1-2与成像物镜2的成像焦面重合，光纤阵列1的输出端1-2输出的光线，通过成像物镜2后，准直输出，并通过成像管透镜3后，聚焦在成像相机4的感光面，成像管透镜3的后焦面与成像相机4的感光面重合。

所述光纤阵列定标系统，由激光器5、扫描振镜6、扫描透镜7、扫描管透镜8与扫描物镜9组成，激光器5发出的准直光线，通过扫描振镜6后反射，扫描振镜6由模拟电压信号控制，不同幅值的电压信号下，扫描振镜6的镜面角度发生相应的转动，实现反射光线的角度扫描，反射光线经过扫描透镜7以及扫描管透镜8后，扩束准直输出，其中扫描透镜7的前焦面与扫描振镜6的镜面位置重合，扫描透镜7的后焦面与扫描管透镜8的前焦面重合，组成4f系统，通过扫描管透镜8后，扩束准直光线入射到扫描物镜9的入瞳处，扫描物镜9的入瞳与扫描管透镜8的后焦面重合，根据光学共轭关系，扫描物镜9的入瞳与扫描振镜6的镜面共轭，扫描振镜6反射的不同角度光线，都可以通过扫描物镜9的入瞳，聚焦到扫描物镜9的扫描焦面，扫描物镜9的扫描焦面与光纤阵列1的输入端1-1重合，聚焦光线的光束直径小于光纤阵列中单个像素的直径，聚焦光线以行扫描的方式，依次扫描光纤阵列1的输入端1-1，在聚焦到其中一个像素附近时，记录其空间位置（x,y），光线通过该像素对应的光纤传输到光纤阵列1的输出端1-2，并由相应的像素输出，该光线被光纤阵列成像系统采集，并最终成像于成像相机4处，记录图像上亮点中心的相机像素位置（px,py）。

所述原始图像定标，以光纤阵列1的输入端1-1的左上角为坐标原点，x轴水平向右，y轴竖直向下，扫描振镜6使得扫描物镜9后的聚焦光线在光纤阵列1的输入端1-1扫描移动，当其空间位置为（x,y）时，将空间位置转换为输入端像素位置（px0,py0），其中px0= [x/d]，算术符号[x/ d]指取不超过x/ d的最大整数，py0=[y/d]，d为光纤的三个像素的直径，当聚焦光线的位置为（x,y）时，聚焦光线通过光纤传输，由光纤阵列1的输出端1-2输出，并被光纤阵列成像系统采集，并最终成像于成像相机4处，记录图像上亮点中心的相机像素位置（px,py）。

所述有序像素图像，是指在振镜扫描下，记录N个聚焦光线的空间位置，定义为（x_i,y_i），其中i是取值范围在1到N的整数，同时将上述N个空间位置转换为N个输入端像素位置（px0_i,py0_i），其中px0_i=[x_i /d], py0_i=[y_i /d],同时记录相应的成像相机4记录的相机像素位置（pxi,pyi），在真实成像过程中，如附图2所示，将光纤阵列1、成像物镜2、成像管透镜3与成像相机4单独组合，并在光纤阵列的输入端前安装成像镜头5，成像镜头5的成像焦面与光纤阵列1的输入端重合，并使用相机拍摄一副图像，图像矩阵定义为Img，接下来，生成一个相同维度，但矩阵元素全为0的矩阵Img0，将Img[pxi,pyi] 中的元素赋值给Img0中的元素Img0 [px0_i,py0_i]，当N个元素全部赋值结束，即可得到有序像素图像的矩阵Img0。

Claims

1.一种基于光纤阵列的成像装置，其特征在于包括光纤阵列、成像物镜、成像管透镜、成像相机、激光器、扫描振镜、扫描透镜、扫描管透镜与扫描物镜，其中光纤阵列、成像物镜、成像管透镜与成像相机组成光纤阵列成像系统，激光器、扫描振镜、扫描透镜、扫描管透镜与扫描物镜组成光纤阵列定标系统，光纤阵列端面的N根光纤被定义为N个像素，N是大于1的整数，在光纤阵列的输出端后，依次安装成像物镜、成像管透镜与成像相机，从光纤阵列的输入端获取的光学信息，经过光纤阵列传输后，由光纤阵列的输出端输出，并依次通过成像物镜、成像管透镜并聚焦在成像相机的感光面处，得到无序像素的原始图像，使用光纤阵列定标系统对开展原始图像定标，激光器发射的光线通过扫描振镜后光线传输方向随着扫描振镜的镜片角度发生改变，光线进一步通过扫描透镜以及扫描管透镜实现扩束，并高效率的从扫描物镜的入瞳进入扫描物镜，通过扫描物镜后，聚焦光线依次扫描光纤阵列的输入端的N个像素，在单个像素被聚焦光线照亮的时候，记录聚焦激光的空间位置(x,y)，x和y是有理数，同时成像相机拍摄一副图像，记录图像上亮点中心的相机像素位置(px,py)，px和py是大于等于0的整数，将空间位置(x,y)处以像面单像素尺寸，得到校正后的相机像素位置(pxc,pyc),pxc和pyc是大于等于0的整数，对所有的扫描空间位置进行像素校正后，可将无序像素的原始图像转换为有序像素图像；

所述的光纤阵列，是一种光纤束元件，由N根光纤无序捆绑组合而成，光纤阵列的两端分别定义为光纤阵列的输入端和输出端，在输入端和输出端，均有N个圆形的光纤端面，每个光纤定义为像素，从输入端的一个像素进入的光信号，将通过同一根光纤传输，并由输出端的相应像素输出，由于光纤阵列是无序捆绑组合而成，输入端和输入端的像素位置不是一一对应的；

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤阵列的成像装置，其特征在于所述的光纤阵列定标系统，由激光器、扫描振镜、扫描透镜、扫描管透镜与扫描物镜组成，激光器发出的准直光线，通过扫描振镜后反射，扫描振镜由模拟电压信号控制，不同幅值的电压信号下，扫描振镜的镜面角度发生相应的转动，实现反射光线的角度扫描，反射光线经过扫描透镜以及扫描管透镜后，扩束准直输出，其中扫描透镜的前焦面与扫描振镜的镜面位置重合，扫描透镜的后焦面与扫描管透镜的前焦面重合，组成4f系统，通过扫描管透镜后，扩束准直光线入射到扫描物镜的入瞳处，扫描物镜的入瞳与扫描管透镜的后焦面重合，根据光学共轭关系，扫描物镜的入瞳与扫描振镜的镜面共轭，扫描振镜反射的不同角度光线，都可以通过扫描物镜的入瞳，聚焦到扫描物镜的扫描焦面，扫描物镜的扫描焦面与光纤阵列的输入端重合，聚焦光线的光束直径小于光纤阵列中单个像素的直径，聚焦光线以行扫描的方式，依次扫描光纤阵列的输入端，在聚焦到其中一个像素附近时，记录其空间位置(x,y)，光线通过该像素对应的光纤传输到光纤阵列的输出端，并由相应的像素输出，该光线被光纤阵列成像系统采集，并最终成像于成像相机处，记录图像上亮点中心的相机像素位置(px,py)。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤阵列的成像装置，其特征在于所述的原始图像定标，以光纤阵列的输入端的左上角为坐标原点，x轴水平向右，y轴竖直向下，扫描振镜使得扫描物镜后的聚焦光线在光纤阵列的输入端扫描移动，当其空间位置为(x,y)时，将空间位置转换为输入端像素位置(px0,py0)，其中px0＝[x/d]，算术符号[x/d]指取不超过x/d的最大整数，py0＝[y/d]，d为光纤的三个像素的直径，当聚焦光线的位置为(x,y)时，聚焦光线通过光纤传输，由光纤阵列的输出端输出，并被光纤阵列成像系统采集，并最终成像于成像相机处，记录图像上亮点中心的相机像素位置(px,py)。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤阵列的成像装置，其特征在于所述的有序像素图像，是指在振镜扫描下，记录N个聚焦光线的空间位置，定义为(x_i,y_i)，其中i是取值范围在1到N的整数，同时将上述N个空间位置转换为N个输入端像素位置(px0_i,py0_i)，其中px0_i＝[x_i/d],py0_i＝[y_i/d],同时记录相应的成像相机记录的相机像素位置(pxi,pyi)，在真实成像过程中，将光纤阵列、成像物镜、成像管透镜与成像相机单独组合，并在光纤阵列的输入端前安装成像镜头，成像镜头的成像焦面与光纤阵列的输入端重合，并使用相机拍摄一副图像，图像矩阵定义为Img，接下来，生成一个相同维度，但矩阵元素全为0的矩阵Img0，将Img[pxi,pyi]中的元素赋值给Img0中的元素Img0[px0_i,py0_i]，当N个元素全部赋值结束，即可得到有序像素图像的矩阵Img0。