CN111610535A - 主动照明关联成像系统和主动照明关联成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主动照明关联成像系统，包括光源模块、分束模块、检测模块、空间光调制模块及接收模块；光源模块发射激光光束；分束模块将激光光束进行分束，形成第一光束及第二光束；检测模块设置于从分束模块出射的第一光束的光路上，检测模块根据第一光束检测激光光束的发射功率；空间光调制模块设置于从分束模块出射的第二光束的光路上，接收第二光束，并对第二光束进行空间强度调制，形成调制光束；调制光束照射至目标物体，并经目标物体反射形成反射光束；接收模块接收反射光束并探测反射光束的强度，得到待测信号；接收模块与检测模块电连接，还根据发射功率对待测信号进行校正，得到校正信号，接收模块还基于校正信号获得目标物体的图像。

Description

主动照明关联成像系统和主动照明关联成像方法

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，特别涉及一种主动照明关联成像系统和主动照明关联成像方法。

背景技术

鬼成像是一种新型成像技术，通过关联算法或压缩感知等方法复原出物体的像。相比与传统成像方式，鬼成像具有强抗干扰特性、高灵敏探测特性、广视角成像特性等，已经在天文观测、遥感成像、军事侦查、医疗成像等领域展现出极大地应用潜能。

现有的鬼成像方式中，物体空间信息的解算是通过测量探测器的信号涨落来实现。若光源自身出射功率不稳定，光源的抖动会影响物体空间信息计算的准确性，从而影响物体的成像像质。

发明内容

基于此，有必要针对光源自身出射功率不稳定，光源的抖动会影响物体空间信息计算的准确性的问题，提供一种主动照明关联成像系统和主动照明关联成像方法。

一种主动照明关联成像系统，包括：

光源模块，用于发射激光光束；

分束模块，用于将所述激光光束进行分束，形成第一光束及第二光束；

检测模块，设置于从所述分束模块出射的第一光束的光路上，所述检测模块用于根据所述第一光束检测所述激光光束的发射功率；

空间光调制模块，设置于从所述分束模块出射的第二光束的光路上，用于接收所述第二光束，并对所述第二光束进行空间强度调制，形成调制光束；

所述调制光束照射至目标物体，并经所述目标物体反射形成反射光束；

接收模块，用于接收所述反射光束并探测所述反射光束的强度，得到待测信号；

所述接收模块与所述检测模块电连接，还用于根据所述发射功率对所述待测信号进行校正，得到校正信号，所述接收模块还用于基于所述校正信号获得所述目标物体的图像。

上述的主动照明关联成像系统，通过实时检测激光光束的发射功率，根据发射功率对待测信号进行校正，得到校正信号，再基于校正信号获得目标物体的图像，从而能够降低激光光束的功率不稳定对目标物体成像计算产生的影响，提高目标物体成像计算的准确性，从而改善目标物体的成像像质。

在其中一个实施例中，所述接收模块包括探测器单元、信号处理单元以及控制单元；

所述探测器单元用于接收所述反射光束并探测所述反射光束的强度，得到待测信号；

所述信号处理单元分别与所述探测器单元、所述控制单元及所述检测模块电连接，用于控制所述控制单元发出调制信号；

所述控制单元与所述空间光调制模块电连接，用于根据所述调制信号对所述空间光调制模块进行控制；

所述信号处理单元还用于接收所述发射功率及所述待测信号，并根据所述发射功率对所述待测信号进行校正，得到校正信号；

所述信号处理单元还用于基于所述校正信号及所述调制信号获得所述目标物体的图像。

在其中一个实施例中，所述光源模块包括：

激光器，用于发射激光光束；及

透镜单元，设置于所述激光光束的光路上，用于对所述激光光束进行整形和准直处理。

在其中一个实施例中，所述分束模块包括分束棱镜或分束平片。

在其中一个实施例中，所述主动照明关联成像系统还包括：

发射镜头，设置于从所述空间光调制模块出射光线的光路上，所述发射镜头用于接收所述调制光束并将所述调制光束投射至所述目标物体。

在其中一个实施例中，所述发射镜头包括第一单透镜，所述第一单透镜设置于从所述空间光调制模块出射光线的光路上，用于接收所述调制光束并将所述调制光束投射至所述目标物体；或者

所述发射镜头包括第一胶合透镜，所述第一胶合透镜设置于从所述空间光调制模块出射光线的光路上，用于接收所述调制光束并将所述调制光束投射至所述目标物体；或者

所述发射镜头包括第一镜头组，所述第一镜头组包括多个镜头，多个所述镜头按照预设顺序依次设置于从所述空间光调制模块出射光线的光路上，用于接收所述调制光束并将所述调制光束投射至所述目标物体。

在其中一个实施例中，所述主动照明关联成像系统还包括：

接收镜头，用于接收所述反射光束，所述接收镜头还用于将所述反射光束投射至所述探测器单元。

在其中一个实施例中，所述接收镜头包括第二单透镜，所述第二单透镜用于接收所述反射光束，所述第二单透镜还用于将所述反射光束投射至所述探测器单元；或者

所述接收镜头包括第二胶合透镜，所述第二胶合透镜用于接收所述反射光束，所述第二胶合透镜还用于将所述反射光束投射至所述探测器单元；或者

所述接收镜头包括第二镜头组，所述第二镜头组包括多个镜头，所述第二镜头组用于接收所述反射光束，所述第二镜头组还用于将所述反射光束投射至所述探测器单元。

在其中一个实施例中，所述空间光调制模块包括数字微镜阵列，所述数字微镜阵列设置于从所述分束模块出射的第二光束的光路上，用于接收所述第二光束，并对所述第二光束进行空间强度调制，形成调制光束；或者

所述空间光调制模块包括吸收型调制器，所述吸收型调制器设置于从所述分束模块出射的第二光束的光路上，用于接收所述第二光束，并对所述第二光束进行空间强度调制，形成调制光束，其中所述吸收型调制器包括超导材料模块。

一种主动照明关联成像方法，包括：

发射激光光束；

将所述激光光束进行分束，形成第一光束及第二光束；

根据所述第一光束检测所述激光光束的发射功率；

接收所述第二光束，并对所述第二光束进行空间强度调制，形成调制光束；

将所述调制光束照射至目标物体，并经所述目标物体反射形成反射光束；

接收所述反射光束并探测所述反射光束的强度，得到待测信号；

根据所述发射功率对所述待测信号进行校正，得到校正信号，还基于所述校正信号获得所述目标物体的图像。

附图说明

图1为本申请提供的一个实施例中主动照明关联成像系统的结构示意图；

图2为本申请提供的一个实施例中主动照明关联成像系统的结构示意图；

图3为本申请提供的一个实施例中主动照明关联成像系统的结构示意图；

图4为本申请提供的一个实施例中主动照明关联成像系统的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。

在主动照明鬼成像中，物体空间信息的解算通过测量探测器的信号涨落来实现。在物体空间信息的解算中，空间光调制器的设定矩阵为I_i(x，y)，探测器每次测量得到的强度值为S_i，其中，i代表采样次数，N为测量总数。其中一种解算物体空间信息的二阶关联算法可由以下式子给出：

因此，当光源自身出射功率不稳定，则会影响照射在物体上的光强，进而影响探测器探测得到的强度值，从而影响物体空间信息的解算，即影响物体的成像像质。

请参阅图1，本申请实施例提供一种主动照明关联成像系统，主动照明关联成像系统包括光源模块10、分束模块20、检测模块30、空间光调制模块40及接收模块50。光源模块10用于发射激光光束。分束模块20用于将激光光束进行分束，形成第一光束及第二光束。检测模块30设置于从分束模块20出射的第一光束的光路上，检测模块30用于根据第一光束检测激光光束的发射功率。空间光调制模块40设置于从分束模块20出射的第二光束的光路上，用于接收第二光束，并对第二光束进行空间强度调制，形成调制光束。调制光束照射至目标物体100，并经目标物体100反射形成反射光束。接收模块50用于接收反射光束并探测反射光束的强度，得到待测信号。接收模块50与检测模块30电连接，还用于根据发射功率对待测信号进行校正，得到校正信号，接收模块50还用于基于校正信号获得目标物体100的图像。

请参阅图2，在其中一个实施例中，光源模块10包括激光器11及透镜单元12。激光器11用于发射激光光束。透镜单元12设置于激光光束的光路上，用于对激光光束进行整形和准直处理。透镜单元12可以为镜头组件、单一孔径的单透镜、透镜组、多个柱面镜组成或者多个球面镜组成等。由于激光器11发射的激光光束可能比较发散，所以通过所述透镜单元12进行空间整形，能够实现高效准直整形的作用。从而，透镜单元12将整形和准直处理后的所述激光光束投射至分束模块20。

在其中一个实施例中，分束模块20包括分束棱镜或分束平片或彼此之间的任意组合形成的分束器件等，用于将激光光束进行分束，形成第一光束及第二光束。

在其中一个实施例中，检测模块30为光电探测器，光电探测器可以为单像素探测器、雪崩光电二极管、电荷耦合元件、互补金属氧化物半导体和多像素光子计数器中的一种。

请参阅图3，在其中一个实施例中，主动照明关联成像系统还包括发射镜头60。发射镜头60设置于从空间光调制模块40出射光线的光路上，发射镜头60用于接收调制光束并将调制光束投射至目标物体100。

在其中一个实施例中，发射镜头60包括第一单透镜，第一单透镜设置于从空间光调制模块40出射光线的光路上，用于接收调制光束并将调制光束投射至目标物体100。或者，发射镜头60包括第一胶合透镜，第一胶合透镜设置于从空间光调制模块40出射光线的光路上，用于接收调制光束并将调制光束投射至目标物体100。或者，发射镜头60包括第一镜头组，第一镜头组包括多个镜头，多个镜头按照预设顺序依次设置于从空间光调制模块40出射光线的光路上，用于接收调制光束并将调制光束投射至目标物体100。

空间光调制模块40可以在主动控制下，通过空间光调制单元调制光场的某个参量。在其中一个实施例中，空间光调制模块40调制第二光束的空间强度，从而将预设信息写入光波，达到光波调制的目的。空间光调制模块40可以用于接收第二光束，并对第二光束进行空间强度调制，形成调制光束。可以理解，本申请对空间光调制模块40中空间光调制设备不作具体限定，只要其可以出射鬼成像所需的调制光束即可。具体地，空间光调制模块40可以为数字微镜阵列、声光偏转器或者超材料(可以是光操纵超材料)等，空间光调制模块40还可以包括反射式空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)或吸收型调制器。

在其中一个实施例中，空间光调制模块40包括数字微镜阵列，数字微镜阵列设置于从分束模块20出射的第二光束的光路上，用于接收第二光束，并对第二光束进行空间强度调制，形成调制光束。数字微镜阵列为一种由多个微米尺寸的铝镜阵列组成的光调制器件，每一个微镜都只具有两个状态——开态和关态(即绕其对角线旋转+12°和-12°)，可以对光进行特定的振幅调制。在本实施例中，从分束模块20出射的第二光束，通过数字微镜阵列对第二光束进行空间强度调制，形成调制光束。在其中一个实施例中，每次测量时可以将数字微镜阵列上预先设定的微镜翻转+12°，从而将调制后的光旋转24°后反射至接收模块50。可以理解，数字微镜阵列具有全数字化和高像质的优点，可以实现对第二光束的精确空间强度调制，从而保证鬼成像的成像质量。

在其中一个实施例中，空间光调制模块40包括吸收型调制器，吸收型调制器设置于从分束模块20出射的第二光束的光路上，用于接收第二光束，并对第二光束进行空间强度调制，形成调制光束，其中吸收型调制器包括超导材料模块。在其中一个实施例中，空间光调制模块40还可以包括低温型LCOS空间光调制器、透射式空间光调制器等任意空间光调制器的一种，并可以根据空间光调制器的类型对光路结构进行适应性调整。需要说明的是，本申请对空间光调制模块40中包括的空间光调制器的类型不作具体限定，只要其可以实现对从分束模块20出射的第二光束进行空间强度调制，形成调制光束，则均在本申请的保护范围之内。

请参阅图4，其中一个实施例中，接收模块50包括探测器单元51、信号处理单元52以及控制单元53。探测器单元51用于接收反射光束并探测反射光束的强度，得到待测信号。信号处理单元52分别与探测器单元51、控制单元53及检测模块30电连接，用于控制控制单元53发出调制信号。控制单元53与空间光调制模块40电连接，用于根据调制信号对空间光调制模块40进行控制。信号处理单元52还用于接收发射功率及待测信号，并根据发射功率对待测信号进行校正，得到校正信号。信号处理单元52还用于基于校正信号及调制信号获得目标物体100的图像。具体的，信号处理单元52对校正信号及调制信号进行计算(关联运算或压缩感知算法等)，获得目标物体100的图像。信号处理单元52可以为微控制单元53或计算机等。可以理解，相比与传统几何成像方式，鬼成像具有高灵敏度以及低成本等优势，可以应用于遥感、侦查以及勘探等领域。

根据激光光束的发射功率可以对待测信号进行校正，能够改善物体的成像质量，避免光源模块10发射的激光光束的功率不稳定，导致探测器单元51的探测误差。

若检测模块30检测到的发射功率以Ri表示，探测器单元51探测得到的待测信号以Si表示，则校正信号为：Si’＝Si/Ri，成像计算时以校正后的校正信号Si’进行计算。

在其中一个实施例中，探测器单元51可以是单像素探测器、雪崩光电二极管、电荷耦合元件、互补金属氧化物半导体和多像素光子计数器中的一种。单像素探测器可以适用于无需阵列式探测器的间接成像方式，其结合空间光调制模块40可以代替传统成像方案中的探测器阵列。本实施例中，雪崩光电二极管还可以对待测信号进行放大，以提高检测的灵敏度。电荷耦合器件、雪崩光电二极管和互补金属氧化物半导体传感器均具有将光信号转换为电信号的功能，因此可利用电荷耦合器件、雪崩光电二极管和互补金属氧化物半导体作为探测器，将反射光束转换成待测信号。此外，还可以利用其他具有将光信号转换为电信号的功能的器件作为探测器单元51使用，本发明并不对探测器单元51的实现方式做具体限定。

在其中一个实施例中，探测器单元51可以包括滤波器，滤波器用于对待测信号进行滤波处理，并将滤波后的待测信号传输至信号处理单元52。可以理解，由探测器单元51输出的待测信号中包含共模的直流成分以及噪声信号，因此需要通过滤波器对待测信号进行滤波处理，消除待测信号中的共模的直流成分以及高频信号，以提高所述待测信号的信噪比。

在其中一个实施例中，所述滤波器为无源滤波器。可以理解，无源滤波器又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，且具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，因此本实施例中采用无源滤波器，有利于简化激光雷达系统的结构设计，降低生产成本。可以理解，滤波器还可以为有源滤波器，本实施例并不所述滤波器的类型进行限定。

在其中一个实施例中，主动照明关联成像系统还包括接收镜头70。接收镜头70用于接收反射光束，接收镜头70还用于将反射光束投射至探测器单元51。

在其中一个实施例中，接收镜头70包括第二单透镜，第二单透镜用于接收反射光束，第二单透镜还用于将反射光束投射至探测器单元51。或者，接收镜头70包括第二胶合透镜，第二胶合透镜用于接收反射光束，第二胶合透镜还用于将反射光束投射至探测器单元51。或者，接收镜头70包括第二镜头组，第二镜头组包括多个镜头，第二镜头组用于接收反射光束，第二镜头组还用于将反射光束投射至探测器单元51。

第一单透镜、第一胶合透镜和/或第一镜头组采用超材料制成，第二单透镜、第二胶合透镜和/或第二镜头组采用超材料制成。发射镜头60中的第一单透镜、第一胶合透镜、第一镜头组及接收镜头70中的第二单透镜、第二胶合透镜、第二镜头组之间可以进行任意组合，本申请的附图对此不进行限定。

上述实施例提供的主动照明关联成像系统，通过实时检测激光光束的发射功率，根据发射功率对待测信号进行校正，得到校正信号，再基于校正信号获得目标物体100的图像，从而能够降低激光光束的功率不稳定对目标物体100成像计算产生的影响，提高目标物体100成像计算的准确性，从而改善目标物体100的成像像质。

在一个实施例中，本申请提供一种主动照明关联成像方法，包括：

发射激光光束；

将激光光束进行分束，形成第一光束及第二光束；

根据第一光束检测激光光束的发射功率；

接收第二光束，并对第二光束进行空间强度调制，形成调制光束；

将调制光束照射至目标物体100，并经目标物体100反射形成反射光束；

接收反射光束并探测反射光束的强度，得到待测信号；

根据发射功率对待测信号进行校正，得到校正信号，还基于校正信号获得目标物体100的图像。

上述实施例提供的主动照明关联成像方法，通过实时检测激光光束的发射功率，根据发射功率对待测信号进行校正，得到校正信号，再基于校正信号获得目标物体100的图像，从而能够降低激光光束的功率不稳定对目标物体100成像计算产生的影响，提高目标物体100成像计算的准确性，从而改善目标物体100的成像像质。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种主动照明关联成像系统，其特征在于，包括：

光源模块，用于发射激光光束；

分束模块，用于将所述激光光束进行分束，形成第一光束及第二光束；

检测模块，设置于从所述分束模块出射的第一光束的光路上，所述检测模块用于根据所述第一光束检测所述激光光束的发射功率；

空间光调制模块，设置于从所述分束模块出射的第二光束的光路上，用于接收所述第二光束，并对所述第二光束进行空间强度调制，形成调制光束；

所述调制光束照射至目标物体，并经所述目标物体反射形成反射光束；

接收模块，用于接收所述反射光束并探测所述反射光束的强度，得到待测信号；

所述接收模块与所述检测模块电连接，还用于根据所述发射功率对所述待测信号进行校正，得到校正信号，所述接收模块还用于基于所述校正信号获得所述目标物体的图像。

2.根据权利要求1所述的主动照明关联成像系统，其特征在于，所述接收模块包括探测器单元、信号处理单元以及控制单元；

所述探测器单元用于接收所述反射光束并探测所述反射光束的强度，得到待测信号；

所述信号处理单元分别与所述探测器单元、所述控制单元及所述检测模块电连接，用于控制所述控制单元发出调制信号；

所述控制单元与所述空间光调制模块电连接，用于根据所述调制信号对所述空间光调制模块进行控制；

所述信号处理单元还用于接收所述发射功率及所述待测信号，并根据所述发射功率对所述待测信号进行校正，得到校正信号；

所述信号处理单元还用于基于所述校正信号及所述调制信号获得所述目标物体的图像。

3.根据权利要求1所述的主动照明关联成像系统，其特征在于，所述光源模块包括：

激光器，用于发射激光光束；及

透镜单元，设置于所述激光光束的光路上，用于对所述激光光束进行整形和准直处理。

4.根据权利要求1所述的主动照明关联成像系统，其特征在于，所述分束模块包括分束棱镜或分束平片。

5.根据权利要求1所述的主动照明关联成像系统，其特征在于，所述主动照明关联成像系统还包括：

发射镜头，设置于从所述空间光调制模块出射光线的光路上，所述发射镜头用于接收所述调制光束并将所述调制光束投射至所述目标物体。

6.根据权利要求5所述的主动照明关联成像系统，其特征在于，所述发射镜头包括第一单透镜，所述第一单透镜设置于从所述空间光调制模块出射光线的光路上，用于接收所述调制光束并将所述调制光束投射至所述目标物体；或者

所述发射镜头包括第一胶合透镜，所述第一胶合透镜设置于从所述空间光调制模块出射光线的光路上，用于接收所述调制光束并将所述调制光束投射至所述目标物体；或者

所述发射镜头包括第一镜头组，所述第一镜头组包括多个镜头，多个所述镜头按照预设顺序依次设置于从所述空间光调制模块出射光线的光路上，用于接收所述调制光束并将所述调制光束投射至所述目标物体。

7.根据权利要求2所述的主动照明关联成像系统，其特征在于，所述主动照明关联成像系统还包括：

接收镜头，用于接收所述反射光束，所述接收镜头还用于将所述反射光束投射至所述探测器单元。

8.根据权利要求7所述的主动照明关联成像系统，其特征在于，所述接收镜头包括第二单透镜，所述第二单透镜用于接收所述反射光束，所述第二单透镜还用于将所述反射光束投射至所述探测器单元；或者

所述接收镜头包括第二胶合透镜，所述第二胶合透镜用于接收所述反射光束，所述第二胶合透镜还用于将所述反射光束投射至所述探测器单元；或者

所述接收镜头包括第二镜头组，所述第二镜头组包括多个镜头，所述第二镜头组用于接收所述反射光束，所述第二镜头组还用于将所述反射光束投射至所述探测器单元。

9.根据权利要求1所述的主动照明关联成像系统，其特征在于，所述空间光调制模块包括数字微镜阵列，所述数字微镜阵列设置于从所述分束模块出射的第二光束的光路上，用于接收所述第二光束，并对所述第二光束进行空间强度调制，形成调制光束；或者

所述空间光调制模块包括吸收型调制器，所述吸收型调制器设置于从所述分束模块出射的第二光束的光路上，用于接收所述第二光束，并对所述第二光束进行空间强度调制，形成调制光束，其中所述吸收型调制器包括超导材料模块。

10.一种主动照明关联成像方法，其特征在于，包括：

发射激光光束；

将所述激光光束进行分束，形成第一光束及第二光束；

根据所述第一光束检测所述激光光束的发射功率；

接收所述第二光束，并对所述第二光束进行空间强度调制，形成调制光束；

将所述调制光束照射至目标物体，并经所述目标物体反射形成反射光束；

接收所述反射光束并探测所述反射光束的强度，得到待测信号；

根据所述发射功率对所述待测信号进行校正，得到校正信号，还基于所述校正信号获得所述目标物体的图像。

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