CN111928960B - 波前探测装置及基于波前探测的成像系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种波前探测装置及基于波前探测的成像系统。其中波前探测装置中：接收镜头接收待处理光信号；波前校正器根据接收的校正信号对接收镜头接收的待处理光信号进行波前校正，并将校正后的光信号投射至分光器件；分光器件从波前校正器投射的光信号中提取与在视场内选定的信标光波长一致的第一光束，并投射第一光束至波前探测器；波前探测器根据第一光束探测待处理光信号的波前像差；波前控制器根据波前探测器探测的波前像差生成校正信号。通过在常应用的场景中选定一已知物体作为信标，利用待测物体所处环境中的已知的物体发出的信标光进行波前探测，不管白天还是夜晚，均能够保持稳定的探测效果，且能够适应多种场景。

Description

波前探测装置及基于波前探测的成像系统

技术领域

本发明涉及关联成像技术领域，特别是涉及一种波前探测装置及基于波前探测的成像系统。

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。

相比与传统成像方式，单像素相机具有高灵敏度、低成本等优势，可以应用于遥感、激光雷达、视频监控等领域，具体的，可以应用在医疗、军事、汽车驾驶等技术领域。

但由于在大气中利用单像素相机进行成像时往往会受到大气的影响。这种影响主要包括大气吸收、大气散射和大气折射。其中大气吸收来源于大气分子对光的吸收，造成目标信号的衰减；大气散射来源于水汽凝结物和悬浮颗粒对光的散射，造成目标信号的模糊及衰减；大气折射来源于大气温度不均匀性引起折射率波动，从而产生湍流，造成目标信号的模糊及畸变。

为了解决大气造成的光束波前畸变，通常可以使用自适应光学的方法进行校正。在自适应光学中，进行波前探测时，需要利用已知的物体发出的光来探测波前误差信息，这种已知的物体被称为信标。在自适应光学天文望远镜系统中，信标常常由星体或利用激光产生的人造导星充当。然而在白天，相比于太阳光，星光往往比较微弱；且能够作为信标的星体很少，在成像视场内难以找到合适的信标，波前探测效果差，从而导致成像效果差。利用人造导星进行波前探测校正时，由于人造导星覆盖范围有限，对于汽车应用领域这类场景持续变化的，需要在其应用场景中设置大量的人造导星，但人造导星装置体积一般都比较大，不便于广泛安装，就会导致以人造导星为信标时，探测效果不稳定。综上，利用传统技术中提供的信标进行波前探测时，整体探测效果不稳定。

发明内容

基于此，有必要针利用传统技术中提供的信标进行波前探测时，整体探测效果不稳定的问题，提供一种波前探测装置及基于波前探测的成像系统。

一方面，本发明实施例提供了一种波前探测装置，包括：接收镜头、波前校正器、分光器件、波前探测器和波前控制器；

所述接收镜头用于接收待处理光信号；

所述波前校正器用于根据接收的校正信号对所述接收镜头接收的待处理光信号进行波前校正，并将校正后的光信号投射至所述分光器件；

所述分光器件用于从所述波前校正器投射的所述光信号中提取与在视场内选定的信标光波长一致的第一光束，并投射所述第一光束至所述波前探测器；

所述波前探测器用于根据所述第一光束探测所述待处理光信号的波前像差；

所述波前控制器分别与所述波前探测器和所述波前校正器电连接，且用于根据所述波前探测器探测的波前像差生成所述校正信号。

本申请实施例提供的波前探测装置，通过在常出现的场景中选定一已知物体作为信标，接收镜头接收的待处理光信号中即包括该信标光和待测物体的反射光或发射光，利于待测物体所处环境中的已知的物体发出的信标光进行波前探测，不管白天还是夜晚，均能够保持稳定的探测效果。另外，由于选择的信标为应用场景中出现频率高的物体，在场景切换时也无需换信标和光学系统，普适性强。

在其中一个实施例中，所述选定的信标为交通信号灯，所述信标光为交通信号灯光。

本申请实施例提供的波前探测装置，采用交通信号灯作为信标，分光器件将待处理光信号分光，得到与信标光波长一致的第一光束，第一光束能够在较大程度上反映信标光的特性，波前探测器对第一光束(交通信号灯-红/绿/灯)的波前像差进行探测，并发送探测结果至波前控制器，波前控制器根据该波前探测结果计算得到波前校正器所需的校正信号，波前校正器根据波前控制器发送的校正信号对接收到的待处理光信号的波前进行校正，以获得理想的平面波前，探测效果稳定，最终经过波前校正器校正后的光信号可以经过分光器件投射至成像装置，成像装置得到清晰的像。本申请实施例采用了社会环境中常见的交通信号灯作为信标，可以提高该对大气干扰进行波前探测方法的普适性，从而提高在环境中的探测可靠性和稳定性。本申请实时例提供的波前探测装置，无需搭设人造导星，成本低，覆盖面广，探测可靠性高。

在其中一个实施例中，所述分光器件包括：

滤光片，用于从所述波前校正器投射的所述光信号中提取与选定的信标光波长一致的第一光束；

分束器，用于将所述第一光束投射至所述波前探测器。

在其中一个实施例中，所述分束器还用于将接收到的经所述波前校正器对所述待处理光信号进行校正后的光信号作为第二光束投射至成像装置。

在其中一个实施例中，所述波前探测器为光栅剪切干涉仪、夏克-哈特曼波前探测器、曲率波前探测器或四棱锥传感器。

一种基于波前探测的成像系统，包括：成像装置和上述波前探测装置；

所述分光器件将接收到的经所述波前校正器对所述待处理光信号进行校正后的光信号作为第二光束投射至所述成像装置；

所述成像装置用于根据所述第二光束成像。

在其中一个实施例中，所述成像装置包括：

空间光调制器，用于根据接收到的调制信号对所述第二光束进行光场调制；

探测器，用于探测所述空间光调制器调制后的光信号，并进行光电转换生成电信号；

控制器，所述控制器输出所述调制信号至所述空间光调制器，并用于根据所述电信号和所述调制信号成像。

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至所述空间光调制器；

计算模块，所述计算模块分别与所述探测器和所述调制模块电连接，且用于根据所述电信号和所述调制信号成像。

在其中一个实施例中，基于波前探测的成像系统还包括：

光源；

发射镜头，所述发射镜头用于将所述光源发出的光投射在所述波前探测装置的视场内。

在其中一个实施例中，所述探测器为单像素探测器。

附图说明

图1为一个实施例中波前探测装置的结构示意图；

图2为一个实施例中基于波前探测的成像系统的结构示意图；

图3为另一个实施例中基于波前探测的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如图1所示的一种波前探测装置，包括：接收镜头10、波前校正器20、分光器件30、波前探测器40和波前控制器50；

所述接收镜头10用于接收待处理光信号；

所述波前校正器20用于根据接收的校正信号对所述接收镜头10接收的待处理光信号进行波前校正，并将校正后的光信号投射至所述分光器件30；

所述分光器件30用于从所述波前校正器20投射的所述光信号中提取与选定的信标光波长一致的第一光束，并投射所述第一光束至所述波前探测器40；

所述波前探测器40用于根据所述第一光束探测所述待处理光信号的波前像差；

所述波前控制器50分别与所述波前探测器40和所述波前校正器20电连接，且用于根据所述波前探测器40探测的波前像差生成所述校正信号。

其中，接收镜头10可以为单透镜、胶合透镜或者包括多个镜头的镜头组。波前校正器20通过改变光波波前传输的光程或改变传输媒介的折射率来改变入射光波波前的相位结构，从而达到对光波波面相位进行校正的目的。由很多单元组合而成，每个单元都有自己独立的控制器23，在外加电压控制下，可以改造波面的面形，作为波前校正器20件校正波前误差。分光器件30可以从波前校正器20校正后的光信号中提取与信标光波长一致的第一光束以便用于探测波前像差用。波前探测器40实时测量成像系统瞳面波前误差，然后波前控制器50将这些测量数据转换成自适光学系统的控制信号，使波前校正器20能够根据该控制信号对入射光束波前进行校正，得到平稳的波前，从而补偿由大气湍流引起的波前畸变，使成像装置2得到接近衍射极限的目标像。

具体的，待处理光信号作为入射光经过接收镜头10投射至波前校正器20，由于当前波前校正器20未接收到波前控制器50发送的校正信号，所以此时波前校正器20直接将该待处理光信号投射至分光器件30，分光器件30根据选定的信标光的特性，从待处理光信号中提取与信标光波长一致的光作为第一光束分离出来，并投射在波前探测器40上，波前探测器40对该第一光束进行探测，由于该第一光束能够表征信标光的特性，所以波前探测器40能够根据已知信标的特性探测信标光波前像差，波前控制器50根据该波前探测器40探测到的像差，可以将该数据转换为用于控制波前校正器20工作状态的校正信号，此时，波前校正器20根据接收到的校正信号，对接收镜头10投射的待处理光信号进行波前校正，得到平稳的波前，此时分光器件30接收到的光信号已经是校正后的光信号，将该信号经过分光器件30至成像装置2上，成像装置2可以得到清晰的像。

本申请实施例提供的波前探测装置，通过在常出现的场景中选定一已知物体作为信标，接收镜头10接收的待处理光信号中即包括该信标光和待测物体的反射光或发射光，利于待测物体所处环境中的已知的物体发出的信标光进行波前探测，不管白天还是夜晚，均能够保持稳定的探测效果。另外，由于选择的信标为应用场景中出现频率高的物体，在场景切换时也无需换信标和光学系统，普适性强。

在其中一个实施例中，所述选定的信标为交通信号灯，所述信标光为交通信号灯光。

其中，交通信号灯，可以是用于指挥车辆的红绿灯，也可以是用于指挥行人横过马路的红绿灯和人行指示灯，还可以包括高速上设置的闪烁警告信号灯等信号灯等。波前探测装置可以设置在车辆等移动的物体上或者安装在路边的大厦等固定的物体上等。若波前探测装置设置在车辆上，在车辆移动过程中，本申请实施例提供的波前探测装置，能够就近选择路口的交通信号灯作为信标，利用该交通信号灯发出的光(例如，红绿灯发出的光)作为信标进行波前探测，波前控制器50根据波前畸变的程度，发送校正信号至波前校正器20以驱动波前校正器20对待处理光信号进行校正，以使得校正后的光信号有平稳的波前，此时，分光器件30将该具有平稳波前的光信号投射至成像装置2，以便成像装置2根据校正后的待处理光信号成清晰的像。需要说明的是，此处的举例并不对本申请中波前探测装置的具体应用环境造成限定。

本申请实施例采用了社会环境中常见的交通信号灯作为信标，可以提高该对大气干扰进行波前探测方法的普适性，从而提高在环境中的探测可靠性和稳定性。本申请实时例提供的波前探测装置，无需搭设人造导星，成本低，覆盖面广，探测可靠性高。信标还可以为路灯。

在其中一个实施例中，所述分光器件30包括：滤光片，用于从所述波前校正器20投射的所述光信号中提取与选定的信标光波长一致的第一光束；分束器，用于将所述第一光束投射至所述波前探测器40。

其中，滤光片可以为窄带干涉滤光片等带通滤波器，利用电介质和金属多层膜的干涉作用，从入射光中选取特定的波长，实现特定波长的光提取。分束器为可将一束光分成两束光或多束光的光学装置。分束器可以将待处理光信号分为两束，其中一束经过分光器上设置的滤光片，只投射与信标光波长一致的光作为第一光束，该第一光束投射至波前探测器40，以便波前探测器40进行信标光的波前探测；当波前校正器对待处理光信号畸变的波前进行校正后，分束器待处理光信号将校正后的光分出另一束光作为第二光束投射至成像装置2，由于波前探测装置实现波前探测、校正所花的时间很短，能够快速对大气造成的光束波前畸变进行补偿，能够保证成像装置2得到的第二光束是波前校正器20校正后的、具有平稳波前的待处理光信号，保证成像装置2的成像效果。当信标光为交通信号灯时，若当前为红灯，滤光片选择红色波长的光通过，得到与红光波长一致的光束作为第一光束投射至波前探测器40。

在其中一个实施例中，所述分束器还用于将接收到的所述波前校正器20对待处理光信号进行校正后的光信号作为第二光束投射至成像装置2。分束器将波前校正器20校正后的光信号分束，其中一束光的性质保持与波前校正器20校正后的光信号性质相同，投射至成像装置2，成像装置2根据该具有平稳波前的待处理光信号可以得到清晰的像。

在其中一个实施例中，所述波前探测器40为光栅剪切干涉仪、夏克-哈特曼波前探测器40、曲率波前探测器40或四棱锥传感器。波前探测器40的具体选型不局限于此处列举的几种方式，其他能够实现本申请中波前探测器40所实现功能的探测器22均属于本申请的保护范围。

一种基于波前探测的成像系统，如图2、图3所示，包括：成像装置2和上述波前探测装置；

所述分光器件30将接收到的所述波前校正器20对待处理光信号进行校正后的光信号作为第二光束投射至所述成像装置2；

所述成像装置2用于根据所述第二光束成像。

其中，波前探测器40等名词释义与上述波前探测装置中的释义相同，在此不做赘述。波前探测器40中的分光器件30分出一束与经波前校正器20校正后的待处理光信号性质相同的光束作为第二光束，并投射至成像装置2，使成像装置2根据波前畸变校正后的待处理光信号得到清晰的像。本申请实施例提供的基于波前探测的成像系统，通过采用上述实施例中的波前探测装置，能够在多种应用场景保证成像质量，成像效果好，成像可靠性高。

在其中一个实施例中，所述成像装置2包括：空间光调制器21，用于根据接收到的调制信号对所述第二光束进行光场调制；探测器22，用于探测所述空间光调制器21调制后的光信号，并进行光电转换生成电信号；控制器23，所述控制器23输出所述调制信号至所述空间光调制器21，并用于根据所述电信号和所述调制信号成像。

其中，空间光调制器21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 Optical Deflectors)或超材料等器件。当空间光调制器21为数字微镜器件时，空间光调制器21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21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21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21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23根据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。探测器22是指能够将探测光信号并转换成电信号的光电探测器22，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22可以以硅、锗、铟镓砷、硒化镉等为探测材料。具体的，探测器22可以选用但不限定于单像素探测器22，也可以为CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)、CMOS(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)或者MPPC(multi-pixel photoncounter，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，波前探测器40中的分光器件30分出一束与波前校正器20校正后的待处理光信号性质相同的光束作为第二光束，并投射至空间光调制器21，空间光调制器21根据调制信号驱动每个空间光调制单元，对接收的第二光束进行光场调制，调制后的光投射至探测器22表面，探测器22将探测到的光进行光电转换，输出电信号至控制器23，控制器23根据已知的调制信号和输出的电信号，利用现有的关联成像算法或压缩感知算法等成清晰的像。

本申请实施例提供的成像装置2还可以包括：汇聚镜头，用于将空间光调制器21调制后的光信号汇聚到探测器22感光面，实现更好的探测效果。

在其中一个实施例中，所述控制器23包括：

调制模块231，所述调制模块231与所述空间光调制器21电连接，用于输出所述调制信号至所述空间光调制器21；

计算模块232，所述计算模块232分别与所述探测器22和所述调制模块231电连接，且用于根据所述电信号和所述调制信号成像。

其中，调制模块231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232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231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，然后探测器22接收经数字微镜器件调制的光，并将该光转换为电信号输出至计算模块232，最后，由计算模块232根据压缩感知算法或关联算法等对调制信号和电信号进行分析处理，最终获得清晰的像。

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23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。

在其中一个实施例中，基于波前探测的成像系统还包括：光源3；发射镜头4组，所述发射镜头4组用于将所述光源3发出的光投射在所述波前探测装置的视场内。

光源3是指能自行发光且正在发光的物体。本申请实施例提供的基于波前探测的成像系统，可以实现波前探测装置所实现的有益效果，光源3经发射镜头4照明物体。物体的反射光由接收镜头10进行接收，首先经过波前校正器20对大气畸变进行校正，而后由空间光调制器21对校正后的光信号进行调制，再由探测器22对调制后的所有光强进行探测，将光信号转换为电信号输出至计算模块232。计算模块232将收集到的电信号与调制模块231发出的调制信号进行计算(关联运算或压缩感知算法等)，得到物体经过校正后的像。例如，可以得到视场内目标物体的像。

在其中一个实施例中，所述探测器22为单像素探测器22。在其中一个实施例中，所述空间光调制器21为数字微镜器件。

单像素探测器22是以硅为探测材料的粒子径迹探测器22，具有单像素的半导体探测器22，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21，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22时，与数字微镜器件配合，当待处理光信号经过接收镜头10打在波前校正器20上，经过波前校正器20对大气畸变进行校正，而后由DMD对校正后的光信号进行调制，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22上，由单像素探测器22进行光电转换生成电信号。计算模块232将收集到的该电信号与调制模块231发出的调制信号进行计算(关联运算或压缩感知算法等)，得到物体经过校正后的像。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22采集一次光信号并转换为电信号。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(目标物体)的像，此时，本申请实施例提供的成像装置2为单像素相机。

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)

1.一种波前探测装置，其特征在于，应用于场景持续变化的可移动物体，包括：接收镜头、波前校正器、分光器件、波前探测器和波前控制器；

所述接收镜头用于接收待处理光信号；

所述波前校正器用于根据接收的校正信号对所述接收镜头接收的待处理光信号进行波前校正，并将校正后的光信号投射至所述分光器件；

所述分光器件用于从所述波前校正器投射的所述光信号中提取与在当前视场内选定的信标光波长一致的第一光束，并投射所述第一光束至所述波前探测器；所述信标光对应的信标为所述当前视场内选定的物体；

所述波前探测器用于根据所述第一光束探测所述待处理光信号的波前像差；

所述波前控制器分别与所述波前探测器和所述波前校正器电连接，且用于根据所述波前探测器探测的波前像差生成所述校正信号。

2.根据权利要求1所述的波前探测装置，其特征在于，选定的所述信标为交通信号灯，所述信标光为交通信号灯光。

3.根据权利要求1或2所述的波前探测装置，其特征在于，所述分光器件包括：

滤光片，用于从所述波前校正器投射的所述光信号中提取与选定的信标光波长一致的第一光束；

分束器，用于将所述第一光束投射至所述波前探测器。

4.根据权利要求3所述的波前探测装置，其特征在于，所述分束器还用于将接收到的所述波前校正器对所述待处理光信号进行校正后的光信号作为第二光束投射至成像装置。

5.根据权利要求4所述的波前探测装置，其特征在于，所述波前探测器为光栅剪切干涉仪、夏克-哈特曼波前探测器、曲率波前探测器或四棱锥传感器。

6.一种基于波前探测的成像系统，其特征在于，包括：成像装置和权利要求1-5中任一项所述的波前探测装置；

所述分光器件将接收到的所述波前校正器对所述待处理光信号进行校正后的光信号作为第二光束投射至所述成像装置；

所述成像装置用于根据所述第二光束成像。

7.根据权利要求6所述的基于波前探测的成像系统，其特征在于，所述成像装置包括：

空间光调制器，用于根据接收到的调制信号对所述第二光束进行光场调制；

探测器，用于探测所述空间光调制器调制后的光信号，并进行光电转换生成电信号；

控制器，所述控制器输出所述调制信号至所述空间光调制器，并用于根据所述电信号和所述调制信号成像。

8.根据权利要求7所述的基于波前探测的成像系统，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至所述空间光调制器；

计算模块，所述计算模块分别与所述探测器和所述调制模块电连接，且用于根据所述电信号和所述调制信号成像。

9.根据权利要求7所述的基于波前探测的成像系统，其特征在于，还包括：

光源；

发射镜头，所述发射镜头用于将所述光源发出的光投射在所述波前探测装置的视场内。

10.根据权利要求6-9中任一项所述的基于波前探测的成像系统，其特征在于，所述探测器为单像素探测器。

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