CN113489924A - 成像方法 - Google Patents

Abstract

一种成像方法，S1、成像单元将接收到的入射光束的光强度信号转换为图像灰度值数据，并传递至控制单元；S2、控制单元将接收到的图像各像元灰度值数据与预先设置的灰度阈值相比较，控制单元记录比较结果，并根据比较结果改变或维持控制信号，对应的控制信号发送至可变光衰减器阵列的驱动，可变光衰减器阵列的驱动根据控制信号改变或维持输出的电压，调整或维持可变光衰减器阵列的光衰减值；S3、重复步骤S1、S2，直至成像单元每个像元接收的光强度均处于非饱和状态，使不同强度的光信号在成像单元同时成像，且均不发生饱和。本发明提出的成像方法能够提高图像传感器的动态范围，可以实现逐个像元高精度调节。

Description

成像方法

技术领域

本发明属于光电成像技术领域，具体涉及一种成像方法。

背景技术

图像传感器的质量由多种因素决定，其中最直观的因素包括图像的亮度、噪声和动态范围等。动态范围是图像传感器的核心参数，用于表征图像传感器对强光和弱光同时分辨的能力，是衡量其成像能力的关键指标。图像传感器的动态范围越高，就可以同时探测更大光强范围内的场景信息，图像的细节也更丰富。图像传感器的动态范围与像元尺寸直接相关，受到加工工艺的限制。在像元尺寸固定的条件下提高动态范围是科学和工业界的研究热点，目前已发明出双光电二极管、高低电压增益切换、同一目标多次曝光、后期多帧图像合成等方式，但普遍存在操作复杂、后期处理繁琐等问题，尤其是上述方法均无法实现以像元为单位调节动态范围。

液晶空间光调制器又称为液晶光阀(Liquid Crystal Light Valve,LCLV)，是一种利用液晶的电光效应实现光场调制、可编程的器件，分为透射式和反射式两种。其在空间上是由若干液晶像素单元组成二维阵列，每个像素均可独立地接受外部信号的控制，并根据控制信号改变自身的光学性质，包括振幅、相位、频率等参数。液晶空间光调制器具有驱动电压低、分辨率高、结构简单、功耗小等优点，是目前使用最多的一种空间光调制器，主要的应用场景是高功率激光装置中和自适应光学领域。

目前，提高图像传感器动态范围的方式主要是从像元结构本身和控制处理策略两个方面入手，针对像元结构本身的方法普遍受限于加工工艺，难度大、成本高；高低电压增益切换、同一目标多次曝光、后期多帧图像合成等从控制处理策略入手的方法则普遍存在操作复杂、后期处理繁琐以及只能逐帧调整、无法逐个像元调节等问题。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，本发明提供一种成像方法。

一种成像方法，包括以下步骤：

S1、所述成像单元将接收到的入射光束的光强度信号转换为图像灰度值数据，并传递至所述控制单元。

S2、所述控制单元将接收到的图像灰度值数据与预先设置的灰度阈值相比较，所述控制单元记录比较结果并根据比较结果选择改变或维持控制信号，对应的控制信号发送至所述可变光衰减器阵列的驱动，所述可变光衰减器阵列的驱动根据所述控制信号改变或维持输出的电压，调整所述可变光衰减器阵列的光衰减值。

S3、重复步骤S1、S2，直至所述成像单元每个像元接收的光强度均处于非饱和状态，使不同强度的光信号在所述成像单元同时成像。

进一步地，S2包括以下步骤：

S201、所述成像单元将接收到的光强度的图像灰度值数据与预先设定的灰度阈值进行比较并记录比较结果。

S202、当图像灰度值数据>预先设定的灰度阈值时，增大并记录此像元所对应的光衰减值；当图像灰度值数据≤预先设定的灰度阈值时，记录此像元所对应的光衰减值。

S203、记录步骤S202中需要调整每个像元的所对应的位置。

S204、所述控制单元根据步骤S202、S203中所得衰减率、像元位置信息控制所述可变光衰减器阵列中每个像素的电压，控制所述可变光衰减器阵列中每个像素所透射到每个像元的光强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提出成像方法不需要改变图像传感器内部像元结构且不需要多次曝光、多帧合成、高低增益切换等复杂控制，简单易实现。

2、本发明提出成像方法能够提高图像传感器的动态范围，可以逐个像元高精度调节。

3、本发明提出成像方法适用于各种型号、尺寸和响应波段的图像传感器。

附图说明

图1是本发明实施例中与成像方法配合使用的成像系统的结构图；

图2是本发明实施例中成像方法的第一流程示意图；

图3是本发明实施例中成像方法的第二流程示意图。

其中的附图标记如下：

成像单元1、调节单元2、控制单元3、入射光束4、衰减光束5。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

与本发明成像方法配合使用的成像系统，如图1所示，包括成像单元1、调节单元2、控制单元3，成像单元1用于接收入射光束4光强度的信号，控制单元3根据成像单元1接收的信号调整调节单元2的光衰减值；调节单元2的光衰减值发生改变后，入射至成像单元1的入射光束4的光强度发生变化，成像单元1再将调节光衰减值后的衰减光束5的光强度的信号传递至控制单元3，根据该信号再次调整调节单元2的光衰减值，控制单元3、成像单元1和调节单元2构成光衰减控制的闭环控制系统。成像单元1形成成像平面。

调节单元2包括可变光衰减器阵列和可变光衰减器阵列的驱动，通过控制可变光衰减器阵列的驱动调整可变光衰减器阵列的电压，对调节单元2的光衰减值进行控制，进而实现对入射光束4光强度的调节，并将调整后光强度的信号传递至成像单元1；可变光衰减器阵列形成调节平面。

控制单元3分别与成像单元1、调节单元2相连接，用于成像单元1和调节单元2之间的信号控制和传输。成像单元1接收到入射光束4的光强度的信号传送至控制单元3，控制单元3根据信号调整调节单元2的驱动来调整可变光衰减器阵列的电压，实现调节单元2的光衰减值的控制，实现再次入射至成像单元1的是衰减光束5。

本发明提供一种优选实施例，可变光衰减器阵列为透射式液晶空间光调制器，调制类型为振幅型，像素尺寸为25μm，像素数为640×512，像面尺寸为16mm×12.8mm，振幅控制阶数为0-255共256阶。

本发明提供一种优选实施例，成像单元1为像元阵列，像元阵列中每个像元的位置与液晶空间光调制器中每个像素的位置一一对应。本实施例中成像单元1为采用InGaAs面阵短波红外焦平面的探测器，像元尺寸为25μm，像元的像素数为640×512，满阱容量118Ke-。利用液晶空间光调制器的幅度调制能力，通过控制驱动输出信号来对应调节液晶空间光调制器上每个像素的电压，就可以动态地对入射至液晶空间光调制器的每个像素之后出射至成像单元1的光束的光强度进行控制，实现再次入射至成像单元1的是衰减光束5。对于入射光束4的光强度较强处的像素则增大其衰减比例，对于入射光束4的光强度较弱处的像素则减小其衰减比例，通过这种动态的连续调整，保证每个像素下对应的图像传感器像元均处于非饱和状态，即再次入射至成像单元1的是衰减光束5，实现图像传感器对强光和弱光的同时探测。

本发明提供一种优选实施例，控制单元3为FPGA芯片或微控制器芯片。控制单元3的具体芯片类型及型号，此处不做具体限定，可以视其具体应用环境而定。成像单元1接收光强度信号后，将所接收的光强度信号经光电转换，转换为各个像元的灰度值，传送至FPGA芯片；FPGA芯片将接收的灰度值与预先设定的灰度值，具体应用时可以设定图像传感器像元的满阱容量为预先设定的灰度阈值，FPGA芯片记录比较结果，并根据比较结果发送信号至可变光衰减器阵列的驱动，改变或维持对应像素的幅度值，从而记录成像单元1所接收光强度的情况并对液晶空间光调制器的光衰减值进行维持或调整。将图像传感器满阱容量饱和的像元处对应液晶空间光调制器的像素光衰减值增大，即该像素衰减率增大，因此该像素处输出灰度值将对应减小，通过这种动态的连续调整，保证每个像素下对应的图像传感器像元均处于非饱和状态，进而本发明提供的成像系统可以测量更强的入射光而不发生饱和。

本发明提供一种优选实施例，成像单元1可以是InGaAs、Pbs、CCD、CMOS等各种类型的探测器或光电倍增管等，入射波段也可以对应扩展为UV、可见及近红外等多个波段。此处不做具体限定，可以视其具体应用环境而定。

与上述成像系统相对应，本发明还提供一种利用该成像系统的成像方法。

如图2和图3所示，本发明实施例提供的成像方法包括以下步骤：

S1、InGaAs面阵短波红外焦平面探测器将接收到的入射光束4的光强度信号转换为图像数据灰度值，并将图像数据灰度值传送至FPGA芯片。

S2、FPGA芯片将接收到的图像灰度值数据与预先设置的灰度阈值相比较，FPGA芯片记录比较结果并根据比较结果选择改变或维持控制信号，对应的控制信号发送至可变光衰减器阵列的驱动，可变光衰减器阵列的驱动根据控制信号改变或维持输出的电压，对液晶空间光调制器的振幅的进行调整，进而改变或维持可变光衰减器阵列的光衰减值。记录所有像元的衰减值，能够在准确测量每个像元对应的光强，即能够准确的还原成像场景。

S3、重复步骤S1、S2，通过这种动态的连续调整，保证液晶空间光调制器的每个像素下对应的InGaAs面阵短波红外焦平面探测器中每个像元均处于非饱和状态，完成InGaAs面阵短波红外焦平面探测器对不同强度光信号的同时成像。

本发明提供一种优选实施例，S2包括以下步骤：

S201、FPGA芯片将接收到InGaAs面阵短波红外焦平面探测器的每个像元的图像灰度值与预先设定的灰度阈值做比较并记录比较结果。具体应用时可以设定InGaAs面阵短波红外焦平面探测器的像元满阱容量为预先设定的灰度阈值。

S202、当图像灰度值数据>预先设定的灰度阈值时，增大并记录此像元所对应的光衰减值，即增大此像元所对应可变光衰减器阵列中像素的衰减率；当图像灰度值数据≤预先设定的灰度阈值时，记录此像元所对应的光衰减值。

S203、记录步骤S202中需要调整像元的对应的位置和需要调整的衰减率的数值。

根据所记录的需要调整的像元的位置和数值，能够在准确测量每个像元对应的光强，即能够准确还的原成像场景。通过逐个动态的连续调整入射至每个像元的光强度，实现图像传感器的高精度逐像元提高动态范围。

S204、所述控制单元3根据步骤S202、S203中所得衰减率、像元位置信息控制液晶空间光调制器中每个像素的电压，控制所述液晶空间光调制器中每个像素所透射到每个像元的光强度。

对于入射光束4光强度较强处的像素则增大其衰减比例，通过这种动态的连续调整，保证每个像素下对应的图像传感器像元均处于非饱和状态，实现图像传感器对强光和弱光的同时探测。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、成像单元将接收到的入射光束的光强度信号转换为图像灰度值数据，并传递至控制单元；

S2、控制单元将接收到的图像各像元灰度值数据与预先设置的灰度阈值相比较，所述控制单元记录比较结果，并根据比较结果改变或维持控制信号，对应的控制信号发送至可变光衰减器阵列的驱动，所述可变光衰减器阵列的驱动根据所述控制信号改变或维持输出的电压，调整或维持所述可变光衰减器阵列的光衰减值；

S3、重复步骤S1、S2，直至所述成像单元的每个像元接收的光强度均处于非饱和状态，使不同强度的光信号在所述成像单元同时成像。

2.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：

S201、所述成像单元每个像元将接收到的光强度的图像灰度值数据与预先设定的灰度阈值进行比较并记录比较结果；

S202、当图像灰度值数据>预先设定的灰度阈值时，增大并记录此像元所对应的光衰减值；当图像灰度值数据≤预先设定的灰度阈值时，记录此像元所对应的光衰减值；

S203、记录步骤S202中需要调整像元的所对应的位置；

S204、所述控制单元根据步骤S202、S203中所得的衰减率、像元位置信息控制所述可变光衰减器阵列中每个像素的电压，衰减所述可变光衰减器阵列中每个像素所透射到每个像元的光强度。

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