CN111856502A - 成像装置和成像系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种成像装置和成像系统，其中，成像装置中：接收镜头用于接收目标物体反射的光，并成像至空间光调制器上；空间光调制器用于根据接收的调制信号对接收镜头接收的目标信号进行光场调制；偏振分光器件用于接收经空间光调制器调制后的光束，并将光束分为传播方向不同且偏振相互垂直的两束光，并将这两束光分别投射至第一探测器和第二探测器；并得到第一电信号和第二电信号；控制器分别与空间光调制器、第一探测器和第二探测器电连接，输出调制信号，并根据第一电信号、第二电信号和调制信号获得目标物体的像。利用偏振分光器件和这种偏振差异，将物体的反射光根据偏振进行分离，兼顾漫反射物体和镜面反射物体的探测和成像，且成像效果好。

Description

成像装置和成像系统

技术领域

本发明涉及关联成像技术领域，特别是涉及一种成像装置和成像系统。

背景技术

这里的陈述仅提供与本申请有关的背景信息，而不必然地构成现有技术。

单像素相机是一种无需阵列式探测器的间接成像方式。物体的反射光由接收镜头对待测光进行接收并成像到空间光调制器上；空间光调制器对待测量信号进行调制；调制后的光信号由探测器进行探测转换为电信号，并由计算系统将收集到的信号与控制系统发出的调制信号进行计算，得到目标物体的像。相比与传统成像方式，鬼成像具有高灵敏度、低成本等优势，应用于遥感、激光雷达、视频监控等领域。

进行成像时，目标物体有可能是漫反射类物体，回光信号弱；还有可能是镜面反射类物体，回光信号强。若采用灵敏度高的探测器，当目标物体为镜面反射物体时，探测器上接收到的光强，探测器会饱和甚至损坏；若采用灵敏度低的探测器，当目标物体为漫反射类物体时，探测器上接收到的光弱，无法获得足够的信噪比来恢复清晰的像；若采用探测范围能够同时兼顾大信号和小信号的探测器，成本高。

发明内容

基于此，有必要针对漫反射物体和镜面反射物体的反射光强不同的问题，提供一种成像装置和成像系统，以解决探测器难以同时兼顾大信号和小信号的测量问题，保证成像效果。

本发明实施例提供了一种成像装置，包括：接收镜头、第一探测器、第二探测器，偏振分光器件、空间光调制器和控制器；

所述接收镜头用于接收目标物体反射的光，并成像至空间光调制器上；

所述空间光调制器用于根据接收的调制信号对所述接收镜头接收的所述目标信号进行光场调制；

所述偏振分光器件用于接收经所述空间光调制器调制后的光束，并将所述光束分为传播方向不同且偏振相互垂直的两束光，并将这两束光分别投射至所述第一探测器和所述第二探测器；

所述第一探测器和所述第二探测器一一对应接收所述偏振分光器件的两束光，并进行光电转换后得到第一电信号和第二电信号；

所述控制器分别与所述空间光调制器、所述第一探测器和所述第二探测器电连接，用于输出所述调制信号，并用于根据所述第一电信号、所述第二电信号和所述调制信号获得所述目标物体的像。

在其中一个实施例中，所述目标物体包括：镜面反射物体和/或漫反射物体。

在其中一个实施例中，所述偏振分光器件为偏振分光棱镜。

在其中一个实施例中，所述偏振分光器件为格兰泰勒棱镜。

在其中一个实施例中，所述第一探测器为单像素探测器；和/或

所述第二探测器为单像素探测器。

在其中一个实施例中，所述空间光调制器为数字微镜器件。

在其中一个实施例中，所述控制器包括：

调制模块，所述调制模块与所述空间光调制器电连接，用于输出所述调制信号；

计算模块，所述计算模块分别与所述调制模块和所述探测器电连接，用于根据所述第一电信号、所述第二电信号和所述调制信号获得所述目标物体的像。

在其中一个实施例中，所述数字微镜器件包括：驱动模组和多个微镜；

所述驱动模组与所述控制器电连接，且所述驱动模组用于根据所述调制信号驱动各所述微镜的开关状态。

一种成像系统，包括：

光源，提供照明光；

发射镜头，发射所述照明光至所述目标物体；以及

上述成像装置。在其中一个实施例中，所述光源发射的照明光为p光、s光或完全非偏振光。

无论入射光是完全非偏振光还是线偏光，具有低反射率的漫反射物体和具有高反射率的镜面反射物体偏振特性均存在差异，漫反射物体的反射光具有完全非偏振光的偏振特性，而镜面反射光依然为线偏振光或部分偏振光，根据这种差异，本申请实施例提供的成像装置，利用偏振分光器件和这种偏振差异，将物体的反射光根据偏振进行分离，例如，采用偏振分光棱镜进行分光，空间光调制器调制后的全部光信号经过偏振分光棱镜，透射光和反射光强度具有差异，分别由不同灵敏度的第一探测器和第二探测器进行探测，并对应生成第一电信号和第二电信号，控制器根据接收到的第一电信号和第二电信号以及发送至空间光调制器的调制信号进行计算，可以得到目标物体的完整图像。本申请实例提供的成像装置可以兼顾漫反射物体和镜面反射物体的探测和成像，且成像效果好。

附图说明

图1为一个实施例中成像装置的结构示意图；

图2为另一个实施例中成像装置的结构示意图；

图3为一个实施例中成像系统的结构示意图；

图4为又一个实施例中成像系统的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明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例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。

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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明实施例提供了一种成像装置，如图1所示，包括：接收镜头10、第一探测器20、第二探测器30、偏振分光器件50、空间光调制器40和控制器60；接收镜头10用于接收目标物体反射的光，并成像至空间光调制器40上；所述空间光调制器40用于根据接收的调制信号对所述接收镜头10接收的所述目标信号进行光场调制；所述偏振分光器件50用于接收经所述空间光调制器40调制后的光束，并将所述光束分为传播方向不同且偏振相互垂直的两束光，并将这两束光分别投射至所述第一探测器20和所述第二探测器30；所述第一探测器20和所述第二探测器30一一对应接收所述偏振分光器件50的两束光，并进行光电转换后得到第一电信号和第二电信号；所述控制器60分别与所述空间光调制器40、所述第一探测器20和所述第二探测器30电连接，用于输出所述调制信号，并用于根据所述第一电信号、所述第二电信号和所述调制信号获得所述目标物体的像。

其中，接收镜头10可以是单个透镜、胶合透镜或包括多个镜头的镜头组。镜面反射物体是指反射光集中在特定方向上的物体，探测器接收到的光较强。空间光调制器40由多个空间光调制单元组成，每个空间光调制单元可以独立调制光场的某个参量，例如通过调制光场的振幅，通过折射率调制相位，通过偏振面的旋转调制偏振态，或是实现非相干——相干光的转换，从而将一定的信息写入光波中，达到光波调制目的。其中，空间光调制器40由多个空间光调制单元组成，根据调制信号，每个空间光调制单元可以独立调制光场的某个参量，例如通过调制光场的振幅，通过折射率调制相位，通过偏振面的旋转调制偏振态，或是实现非相干——相干光的转换，从而将一定的信息写入光波中，达到光场调制目的。其中，空间光调制器21可以是数字微镜器件、声光偏转晶体(AOD，Acousto OpticalDeflectors)、液晶空间光调制器40或超材料等器件。当空间光调制器40为数字微镜器件时，空间光调制器40可以通过驱动其上的微镜开启或关闭来实现光调制。当空间光调制器40为声光偏转晶体时，可以通过改变所加信号，使折射率随外界所加信号而改变，实现光调制。当空间光调制器40为超材料(可以是光操纵超材料)时，超材料的纳米结构能够以特定的方式对光线进行散射，可以通过调整超材料表面的吸收特性，实现光调制。所述调制信号是用于控制所述空间光调制器40在空间折射率的变化，调制信号可以是伪随机信号等，控制器60根据第一电信号、第二电信号和调制信号成像的实现可以根据现有的关联成像算法或压缩感知算法等实现。偏振分光器件是指能够对接收光中不同偏振特性的光进行分离的器件，可以是偏振分光棱镜或格兰泰勒棱镜等器件。第一、第二探测器(20、30)是指能够将探测光信号并转换成电信号的光电探测器，可以根据入射的光强度而输出相应强度的电流、电压或数字信号。根据待处理光信号的波长，探测器可以以硅、锗、铟镓砷、硒化镉等为探测材料。具体的，探测器可以选用但不限定于单像素探测器，也可以为CCD(ChargeCoupled Device，电荷耦合器件)、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)或者MPPC(multi-pixel photon counter，硅光电倍增管)等，需要说明的是，此处举例不对本申请方案实际保护范围造成限定。

具体的，成像装置(偏振分束单像素相机)如图1所示。外界自然光照亮目标物体，目标物体的反射光经过接收镜头10后投射在空间光调制器40上，并在空间光调制器40上成像，空间光调制器40接收控制器60发送的调制信号，并对接收到的光进行光调制并形成待测光投射至偏振分光器件50，偏振分光器件50利用不同物体之间的偏振特性差异将待测光分成两束强度不同的第一光束和第二光束，，然后分别投射至第一探测器20和第二探测器30，第一探测器20和第二探测器30对应生成第一电信号和第二电信号，采用这种方式，可以解决由于漫反射物体和镜面反射物体的反射光强不同，导致探测器难以同时兼顾大信号和小信号的测量问题，从而保证对不同反射率物体的探测效果，保证成像效果，且降低对探测器的要求，降低成本。其中，目标物体包括：镜面反射物体和/或漫反射物体。

本申请实施例提供的成像装置，根据物体不同类型反射光的偏振差异，并利用偏振分光棱镜等器件能够根据偏振差异分成两束强度不同的光的特性，同步配置第一探测器和第二探测器分别探测强信号与弱信号，能够同时探测漫反射物体及镜面反射物体，且探测效果好，成像质量高。

在其中一个实施例中，成像装置还可以包括：汇聚镜头，用于将空间光调制器40调制后的光信号汇聚到偏振分光器件50。

在其中一个实施例中，所述目标物体包括镜面反射物体和漫反射物体。

其中，漫反射物体是指物体后在光源照射下反射的光向各个方向反射的物体。镜面反射物体是指水面、玻璃等表面光滑的物体，当平行入射的光线射到这个反射面时，仍会平行地向一个方向反射出来的物体。在照明光源为完全非偏振光的情况下，漫反射物体的反射光同样为完全非偏振光，而镜面反射物体的反射光为部分偏振光(s分量居多，p分量居少)。在照明光源为s偏振光的情况下，漫反射物体的反射光同样具有完全非偏振光的偏振特性，而镜面反射物体的反射光为线偏振光(s偏光)或部分偏振光(s分量居多，p分量居少)。在照明光源为p偏振光的情况下，漫反射物体的反射光同样具有完全非偏振光的偏振特性，而镜面反射物体的反射光为线偏振光(p偏光)或部分偏振光(p分量居多，s分量居少)。根据这种偏振差异则可以在进行探测前，通过加入偏振分光器件，将光束的p偏振光与s偏振光进行分离，从而将光分为强光部分和弱光部分，由两个不同灵敏度的探测器分别进行探测，降低对探测器的要求，且能保证成像的质量。

其中，偏振分光器件50设置在所述空间光调制器40与所述探测器之间，以便将空间光调制器40调制后的光进行分离，并采用不同灵敏度的探测器进行探测，保证目标物体的成像效果和成像质量，即可以实现反射率差异较大的两类或多类物体的成像。

在其中一个实施例中，所述偏振分光器件50为格兰泰勒棱镜或偏振分光棱镜。格兰泰勒棱镜是一种由天然方解石晶体制成的双折射偏振分光器件50，主要成分为CaCO₃的斜方六面体结晶。与其他偏振分光器件50(如偏光板)相比，其透过率和偏光纯度更高。偏振分光棱镜是指能把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏振光的器件。其中P偏光完全通过，而S偏光以45度角被反射，出射方向与P光成90度角。偏振分光棱镜可以由一对高精度直角棱镜胶合而成，其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜。当偏振分光器件50为偏振分光棱镜时，采用完全非偏振光照明时，漫反射物体反射光仍然为完全非偏振光，镜面反射物体的反射光为部分偏振光；采用s线偏振光或p线偏振光照明时，漫反射物体反射光仍然为完全非偏振光，镜面反射物体的反射光为线偏振光或部分偏振光。空间光调制器40调制形成的待测光经过偏振分光棱镜，其反射光(s偏光)形成第一光束，透射光(p偏光)形成第二光束，根据漫反射物体反射光和镜面反射物体反射光的偏振特性差异，偏振分光棱镜的反射光和透射光偏振方向不同，光强不同，可以用两个灵敏度不同的第一、第二探测器进行探测，降低对探测器的要求。除此处列举的方式，还可以采用其他类型的用于检偏的器件，本领域技术人员根据此处记载的实施方式，能够想到的其他替代方式均属于本申请的保护范围。

在其中一个实施例中，所述第一探测器20为单像素探测器；和/或，第二探测器30为单像素探测器。在其中一个实施例中，所述空间光调制器40为数字微镜器件。

单像素探测器是以硅为探测材料的粒子径迹探测器，具有单像素的半导体探测器，用以在粒子通过该单像素时输出数据，例如，将接收到的经数字微镜器件调制的光转换为电信号。单像素探测器为只能探测光强、不能分辨空间信息的探测器的统称。常用的有光电二极管、光电倍增管、雪崩光电二极管等。

数字微镜器件(DMD，digital micro-mirror device)是一种由多个微米尺寸的铝镜阵列组成的空间光调制器40，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。在进行光调制过程中，常通过输出随机编码矩阵(调制信号)至DMD，以行驱动的形式DMD中的微镜翻转。

采用单像素探测器时，与数字微镜器件配合，当物体的图像经过接收镜头10打在DMD上，而经过DMD反射的图像又经过聚焦在只有一个像素的单像素探测器上，由单像素探测器进行光电转换生成电信号。在拍摄过程中，DMD上每个镜片反射的明暗矩阵以伪随机码的形式快速变换，每变化一次探测器20采集一次光信号并转换成电信号。最后，经过将每次的电信号和伪随机码综合进行计算，就得到了物体的像，此时，本申请实施例提供的成像装置为单像素相机。

为了更好的说明本申请实施例提供的成像装置的工作原理，以成像装置为单像素相机、目标物体包括漫反射物体和镜面反射物体为例进行说明，利用反射光偏振差异同时探测漫反射物体和镜面反射物体的单像素相机如图1所示。外界自然光照亮漫反射物体和镜面反射物体，两种物体的反射光(目标信号)经过接收镜头10投射在空间光调制器40上成像，经空间光调制器40调制形成的待测光经过偏振分光棱镜，其透射光和反射光分别由第一探测器20和第二探测器30进行探测并对应转换为第一电信号和第二电信号，并由控制器60将收集到的第一电信号和第二电信号与控制器60发出的调制信号进行计算(关联运算或压缩感知算法等)，得到完整的物体的像。

在其中一个实施例中，所述控制器60包括：调制模块61，所述调制模块61与所述空间光调制器40电连接，用于输出所述调制信号；计算模块62，所述计算模块62分别与所述调制模块61和所述探测器电连接，用于根据所述第一电信号、所述第二电信号和所述调制信号获得所述目标物体的像。

其中，调制模块61主是指能够生成调制信号的装置，例如可以是脉冲发生器，伪随机信号发生器等。计算模块62是指能够根据调制信号和电信号计算得到物体的像的装置，可以是一些芯片器件组成的装置。具体的，调制模块61输出调制信号至驱动模组，驱动模组驱动微镜的机械翻转。驱动模组可以进行逐行驱动进行光调制，调制后形成的待测光经偏振分光器件50分光，形成第二光束和第二光束，然后由第一探测器20和第二探测器30接收第一光束和第二光束并对应转换为第一电信号和第二电信号输出至计算模块62，最后，由计算模块62根据压缩感知算法或关联算法等对调制信号、第一电信号和第二电信号进行分析处理，最终获得目标物体的像。

在其中一个实施例中，所述数字微镜器件包括：驱动模组和多个微镜；所述驱动模组与所述控制器60电连接，且所述驱动模组用于根据所述调制信号驱动各所述微镜的开关状态。其中，其中驱动模组逐行驱动各微镜翻转的驱动实现过程，可以参照德州仪器公司的DMD的产品和使用手册中的工作原理描述。

本申请实施例提供的成像装置，利用物体不同类型反射光的偏振差异，根据漫反射物体和镜面反射物体之间的偏振差异特性，实现不同类型物体反射光的分离，例如，需要同时测量漫反射物体和镜面反射物体时，可以利用偏振分光器件50将反射光根据偏振分为强度不同的透射光和反射光，分别由第一探测器20和第二探测器30进行光电探测并对应转换为第一电信号和第二电信号，并由控制器60将收集到的第一电信号和第二电信号与控制器60发出的调制信号进行计算(关联运算或压缩感知算法等)，得到目标物体完整的像。。

一种成像系统，如图2所示，包括：光源1，提供完全非偏振光、p偏振光或s偏振光等照明光；发射镜头2，发射所述光源1的照明光至所述目标物体；以及上述成像装置3。

光源1是指能自行发光且正在发光的物体。本申请实施例提供的成像系统，可以实现成像装置3的有益效果，其工作实现过程可以参照上述成像装置3实施例中的描述，在此不做赘述。

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本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)

1.一种成像装置，其特征在于，包括：接收镜头、第一探测器、第二探测器、偏振分光器件、空间光调制器和控制器；

所述接收镜头用于接收目标物体反射的光，并成像至空间光调制器上；

所述空间光调制器用于根据接收的调制信号对所述接收镜头接收的所述目标信号进行光场调制；

所述偏振分光器件用于接收经所述空间光调制器调制后的光束，并将所述光束分为传播方向不同且偏振相互垂直的两束光，并将这两束光分别投射至所述第一探测器和所述第二探测器；

所述第一探测器和所述第二探测器一一对应接收所述偏振分光器件的两束光，并进行光电转换后得到第一电信号和第二电信号；

所述控制器分别与所述空间光调制器、所述第一探测器和所述第二探测器电连接，用于输出所述调制信号，并用于根据所述第一电信号、所述第二电信号和所述调制信号获得所述目标物体的像。

2.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述目标物体包括：镜面反射物体和/或漫反射物体。

3.根据权利要求1或2所述的成像装置，其特征在于，所述偏振分光器件为偏振分光棱镜。

4.根据权利要求1或2所述的成像装置，其特征在于，所述偏振分光器件为格兰泰勒棱镜。

5.根据权利要求1或2所述的成像装置，其特征在于，所述第一探测器为单像素探测器；和/或

所述第二探测器为单像素探测器。

6.根据权利要求1或2所述的成像装置，其特征在于，所述空间光调制器为数字微镜器件。

7.根据权利要求1或2所述的成像装置，其特征在于，所述控制器包括：

调制模块，所述调制模块与所述空间光调制器电连接，用于输出所述调制信号；

计算模块，所述计算模块分别与所述调制模块和所述探测器电连接，用于根据所述第一电信号、所述第二电信号和所述调制信号获得所述目标物体的像。

8.根据权利要求6所述的成像装置，其特征在于，所述数字微镜器件包括：驱动模组和多个微镜；

所述驱动模组与所述控制器电连接，且所述驱动模组用于根据所述调制信号驱动各所述微镜的开关状态。

9.一种成像系统，其特征在于，包括：

光源，提供照明光；

发射镜头，发射所述照明光至所述目标物体；以及

权利要求1-8中任一项所述的成像装置。

10.根据权利要求9所述的成像系统，其特征在于，所述光源发射的照明光为p光、s光或完全非偏振光。

Images