CN114089487A - 一种基于dmd的激光三维成像模拟器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于DMD的激光三维成像模拟器，属于三维成像模拟器领域，用于解决现有技术不能灵活调节模拟距离的缺陷。本发明包括：N个延迟单元；下一级延迟单元通过光纤与上一级延迟单元连接；其中：第一微镜阵列用于将激光器发射的光信号反射给第一固定长度光纤阵列装置或第一递增长度光纤阵列装置；第i二合一光纤阵列装置用于将上一级的两个光纤信号进行合成，并通过第i微镜阵列反射给第i固定长度光纤阵列装置或第i递增长度光纤阵列装置；第N固定长度光纤阵列装置和第N递增长度光纤阵列装置将信号输入至第N微镜阵列，经过反射后由被试装置接收。本发明的一个应用是三维成像模拟仿真。

Description

一种基于DMD的激光三维成像模拟器
技术领域
本发明涉及三维成像模拟器领域，具体涉及一种基于DMD的激光三维成像模拟器。
背景技术
现有技术如CN1085357388公开了一种三维近景成像模拟器，利用不同长度的光纤盘模拟不同距离下的光信号延迟。然而前述文献不能灵活调节模拟距离，而是设置了固定长度的41m、55m、69m、83m、89m光纤，如果想要改变模拟距离，则需要对装置进行重新改造，重新调节光纤长度，使得装置不能适用于广泛的应用场景。
发明内容
本发明的一个目的是解决现有技术不能灵活调节模拟距离的缺陷。
根据本发明的第一方面，提供了一种基于DMD的激光三维成像模拟器，包括：N个延迟单元；下一级延迟单元通过光纤与上一级延迟单元连接；其中：第一级延迟单元包括激光器、第一微镜阵列、第一固定长度光纤阵列装置以及第一递增长度光纤阵列装置；第一微镜阵列用于将激光器发射的光信号反射给第一固定长度光纤阵列装置或第一递增长度光纤阵列装置；第i级延迟单元包括第i二合一光纤阵列装置、第i微镜阵列、第i固定长度光纤阵列装置以及第i递增长度光纤阵列装置；i为大于1且小于N的整数；第i二合一光纤阵列装置用于将第i-1固定长度光纤阵列装置和第i-1递增长度光纤阵列装置的光纤信号进行合成，并通过第i微镜阵列反射给第i固定长度光纤阵列装置或第i递增长度光纤阵列装置；第N级延迟单元包括第N微镜阵列、第N固定长度光纤阵列装置、第N递增长度光纤阵列装置以及被试装置；第N固定长度光纤阵列装置和第N递增长度光纤阵列装置分别用于将第N-1固定长度光纤阵列装置和第N-1递增长度光纤阵列装置的信号输入给第N微镜阵列，经过反射后由被试装置接收；第一固定长度光纤阵列装置至第N固定长度光纤阵列装置的光纤长度相等；第i-1递增长度光纤装置比第i-1固定长度光纤阵列装置的光纤长度多2i-2×x；其中x为第一递增长度光纤装置相对于第一固定长度光纤装置的初始递增长度；j＝1，2，...N-1；N为大于3的整数。
优选地，当延迟单元的个数为N，且初始递增长度为x时，用于模拟2N-1×x的距离范围。
优选地，第一级延迟单元还包括设置在激光器前的激光扩束镜组。
优选地，第i级延迟单元还包括设置在第i二合一光纤阵列装置前的级间光纤阵列耦合光学系统。
优选地，被试装置前还设置有成像耦合光学系统。
优选地，第一微镜阵列至第N微镜阵列均为P×P阵列，其中的每个阵列单元由Q×Q个微镜组成；P的取值视分辨率需要而定，Q的取值视灰度级需要而定。
本发明的技术效果是：采用多个延迟单元，通过DMD进行光纤选通，使得系统能够在一定范围内精准模拟出图像中各像素点在对应距离下的光信号延迟。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明一个实施例的结构示意图；
图2为本发明一个实施例中第一延迟单元的结构示意图；
图3为本发明一个实施例中第i延迟单元的结构示意图；“L L…”表示接下来的延迟单元中的光纤长度均为L；“L+1 L+2 L+4…”表示接下来的延迟单元中的光纤长度分别为L+1、L+2、L+4…以此类推；
图4为本发明一个实施例中第N延迟单元的结构示意图；
附图标记说明：11-激光器，12-第一微镜阵列，13A-第一固定长度光纤阵列装置，13B-第一递增长度光纤阵列装置，14A-第一固定长度光纤阵列耦合镜头，14B-第一递增长度光线阵列耦合镜头，15-扩束镜组；21-第2二合一光纤阵列装置，22-第二微镜阵列，23A-第2固定长度光纤阵列装置，23B-第2递增长度光纤阵列装置，24A-第2固定长度光纤阵列耦合镜头，24B-第2递增长度光线阵列耦合镜头；26-第2级间光纤阵列耦合光学系统；i1-第i二合一光纤阵列装置，i2-第二微镜阵列，i3A-第i固定长度光纤阵列装置，i3B-第i递增长度光纤阵列装置，i4A-第i固定长度光纤阵列耦合镜头，i4B-第i递增长度光线阵列耦合镜头，i6-第i级间光纤阵列耦合光学系统，N1-被试装置，N2-第N微镜阵列，N3A-第N固定长度光纤阵列耦合镜头，N3B-第N递增长度光线阵列耦合镜头，N6-成像耦合光学系统。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明提供一种基于DMD的激光三维成像模拟器，用于在成像模拟时同时模拟出激光照射到不同距离的目标时所产生的光程延迟，一个实施例的结构如图1所示，包括：
N个延迟单元；下一级延迟单元通过光纤与上一级延迟单元连接；其中：
第一级延迟单元包括激光器11、第一微镜阵列12、第一固定长度光纤阵列装置13A以及第一递增长度光纤阵列装置13B；第一微镜阵列12用于将激光器11发射的光信号反射给第一固定长度光纤阵列装置13A或第一递增长度光纤阵列装置13B。
第i级延迟单元包括第i二合一光纤阵列装置i1、第i微镜阵列i2、第i固定长度光纤阵列装置i3A以及第i递增长度光纤阵列装置i3B；i为大于1且小于N的整数；第i二合一光纤阵列装置i1用于将第i-1固定长度光纤阵列装置和第i-1递增长度光纤阵列装置的光纤信号进行合成，并通过第i微镜阵列反射i2给第i固定长度光纤阵列装置i3A或第i递增长度光纤阵列装置i3B。
第N级延迟单元包括第N微镜阵列N2、第N固定长度光纤阵列装置N3A、第N递增长度光纤阵列装置N3B以及被试装置N1；第N固定长度光纤阵列装置N3A和第N递增长度光纤阵列装置N3B分别用于将第N-1固定长度光纤阵列装置和第N-1递增长度光纤阵列装置的信号输入给第N微镜阵列N2，经过反射后由被试装置N1接收。
第一固定长度光纤阵列装置至第N固定长度光纤阵列装置的光纤长度相等；第j递增长度光纤装置比第j固定长度光纤阵列装置的光纤长度多2j-1×x；其中x为第一递增长度光纤装置相对于第一固定长度光纤装置的初始递增长度；j＝1，2，...N-1。
本发明的原理是，第一延迟单元的激光器发出的光经过扩束后到达微镜阵列(即DMD)，DMD起到光电开关的作用，当其为开态时，将激光反射至第一固定长度光纤阵列装置中，当其为关态时，将激光反射至第一递增长度光纤阵列装置中(反之亦可)。第一固定长度光纤阵列引出的光纤为固定长度L，第一递增长度光纤阵列引出的光纤为L加上初始递增长度x，即L+x。然后固定长度和递增长度的光纤进入下一级(即i＝2)的二合一光纤阵列进行合成，合成后经过级间光纤阵列耦合光学系统到达第2级DMD，由第2级DMD中各子单元的开\关状态确定该子单元的光被反射到第2固定长度光纤阵列或者第2递增长度光纤阵列中，第2级的递增光纤长度为L+2x。以此类推，第N-1级的递增和固定长度光纤连接第N级的递增长度光纤阵列和固定长度光纤阵列，出射光经过第N级DMD的反射后通过耦合镜头进入被试系统。从第一至第N-1延迟单元中的DMD只充当光电开关作用，第N延迟单元中的DMD实现灰度显示功能。
由此可见，本发明的系统在实际使用过程中可以通过控制N个DMD中各个阵列子单元的开\关状态来实现“选通”作用。例如，当初始递增长度为x＝1米时，第2、3、4......级延迟单元的递增光纤长度的地增量为2、4、8......。由此可得如果待显示图像中(i，j)像素对应的距离为9米，则应当使第一延迟单元和第四延迟单元中的DMD中相应像素位置的子单元设置为关态(将激光反射至递增长度光纤阵列)，其他延迟单元的DMD相应位置子单元设置为开态(将激光反射至固定长度光纤阵列)，这样就模拟出了20+23＝9米的距离。需要说明的是，上述过程所涉及的距离范围是排除掉光纤长度L的，因为模拟距离具体反映在光信号的抵达时间延迟上，无延迟状态被定义为光信号只经过固定长度光纤阵列装置的状态，前述的模拟距离是相对于此状态多出的距离，反映在时间上即为相对此状态多出的延迟时间。
实际使用过程中可以将N个DMD均与控制器连接，控制器先接收待模拟的图像，并根据接收到的参数确定图像中每个像素对应的距离，再计算若要达到该距离需要将DMD中的哪些阵列子单元设置为开态、哪些设置为关态，并执行DMD控制，直至完成该帧图像的显示。然后获取下一帧图像，重复上述过程，以完成动态的三维成像模拟。
本发明能够模拟的距离范围为拟2N-1×x，精度为x，即本发明能够模拟的最大距离为递增长度光纤的增量长度之和。
本发明的第一级延迟单元还可以包括设置在激光器前的激光扩束镜组。如果激光器内置了扩束镜组则不需要额外设置。
第i级延迟单元还可以包括设置在第i二合一光纤阵列装置前的级间光纤阵列耦合光学系统，其作用相当于望远境组，由于第i二合一光纤阵列与DMD的口径可能不一致，这种情况可以通过望远境组进行调整。
被试装置前还可以设置成像耦合光学系统，用于使平行光能够汇聚到被试系统以实现成像。如果被试系统本身具有成像镜组也可以不作此设置。
进一步地，第一微镜阵列至第N微镜阵列均为P×P阵列，其中的每个阵列单元由Q×Q个微镜组成；P的取值视分辨率需要而定，Q的取值视灰度级需要而定。具体而言，P×P相当于像素个数，如果Q＝1，则意味着每个像素对应一片微镜，微镜只有开/关两种状态，因此像素相当于只有0和1两种灰度，而如果Q＞1，则每个像素可以拥有更多的灰度级，即根据Q×Q个微镜中处于开态的微镜数量的不同代表了不同的灰度值。
<实施例>
激光红外探测器是用激光器照射目标再接收激光回波信号进行成像。而现有技术中一般未考虑到目标本身不同部位与探测器的距离不同，例如一个目标的多个表面中，距离探测器较远的那一个表面应当有更长的回波延迟，如果不予以考虑将使得识别检测的精度受到影响。
首先控制器接收到一帧待模拟的图像数据，图像数据包括每个像素点的灰度值以及每个像素点所具有的距离信息，距离信息用于模拟红外场景中该像素位置距离被试装置的远近。然后控制器根据距离信息计算出每个延迟单元的DMD需要满足何种开关状态能够使各像素点抵达被试系统时的延迟时间与距离信息相吻合。完成控制后，接收下一帧图像数据，重复上述过程。
在图1所示出的实施例中，激光器发出的脉冲激光经扩束光学系统投射至微镜阵列1，微镜阵列将光束分解为64×64阵列，其中每个阵列单元由12×12个像素组成。像素单元工作在二值模式下，通过2套光纤阵列耦合光学镜头可将微镜阵列与2组光纤阵列耦合，对应开态为固定长度光纤束，对应关态为递增长度光纤束。固定长度光纤束与递增长度光纤束通过2合1光纤束进行合成，作为下一级延迟单元的输入端。激光脉冲延迟单元接收到上一级传递的阵列激光脉冲，通过级间光纤阵列耦合光学系统投射至微镜阵列2，微镜阵列2再次进行距离选通，如此往复，通过多个延迟单元可将目标上各点对应的激光脉冲按照距离信息进行时间延迟，延迟单元之间递增长度光纤束长度依次递增为L+0.5m、L+1m、L+2m、L+4m...L+512m...，通过不同延迟单元微镜阵列开关状态实现距离信息模拟。
在本实施例中，距离模拟精度为0.5m，延迟单元的数量为11，则待模拟的距离与dmd单元开关状态间的关系如表1所示：
表1
Figure BDA0003289574620000071
光纤长度递增量、距离精度和延迟单元数以及距离模拟范围的对应关系如图表2所示。
表2
Figure BDA0003289574620000081
即能够模拟的距离范围为2N-1×x，其中x为精度，N为延迟单元数。
光学结构方面，第一延迟单元的结构如图2所示，延迟单元采用正入射光学结构，出射光分为2路，分别与入射光成24°夹角，这样设置的优点为对称式结构，2路出射光学耦合镜头完全一致，采用模块化设计，有利于节约成本。单元中激光扩束镜头将激光器出射光纤发出的光进行准直扩束，覆盖微镜阵列。本实施例选用1024×768分辨率微镜阵列，光纤阵列耦合镜头采用离轴投影光学结构，可将微镜阵列上12×12像素组合反射的光束耦合到光纤阵列的一根光纤中，即将微镜阵列上分为64×64子阵列，分别对应光纤阵列中的一根光纤。当微镜子单元为开态时，其反射的光束进入到固定长度光纤束中，当微镜子单元为开态时，其反射的光束进入到递增长度光纤束中，实现时间延迟一级编码。
对于中间的第i级延迟单元，图3示出了i＝2的情形，微镜子单元反射的激光脉冲经第一级延迟单元后，出射激光脉冲可能由2路出射光纤中的任意一根出射，为满足距离编码要求，须将出射光纤进行合束。
对于最后的第N级延迟单元，出射单元采用两侧入射，共轴输出光路结构，结构如图4所示。其中耦合镜头可将出射光束与被试系统视场及孔径匹配，实现与被试系统的光学完善耦合。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种基于DMD的激光三维成像模拟器，其特征在于，包括：
N个延迟单元；下一级延迟单元通过光纤与上一级延迟单元连接；其中：
第一级延迟单元包括激光器、第一微镜阵列、第一固定长度光纤阵列装置以及第一递增长度光纤阵列装置；第一微镜阵列用于将激光器发射的光信号反射给第一固定长度光纤阵列装置或第一递增长度光纤阵列装置；
第i级延迟单元包括第i二合一光纤阵列装置、第i微镜阵列、第i固定长度光纤阵列装置以及第i递增长度光纤阵列装置；i为大于1且小于N的整数；第i二合一光纤阵列装置用于将第i-1固定长度光纤阵列装置和第i-1递增长度光纤阵列装置的光纤信号进行合成，并通过第i微镜阵列反射给第i固定长度光纤阵列装置或第i递增长度光纤阵列装置；
第N级延迟单元包括第N微镜阵列、第N固定长度光纤阵列装置、第N递增长度光纤阵列装置以及被试装置；第N固定长度光纤阵列装置和第N递增长度光纤阵列装置分别用于将第N-1固定长度光纤阵列装置和第N-1递增长度光纤阵列装置的信号输入给第N微镜阵列，经过反射后由被试装置接收；
第一固定长度光纤阵列装置至第N固定长度光纤阵列装置的光纤长度相等；第j递增长度光纤装置比第j固定长度光纤阵列装置的光纤长度多2j-1×x；其中x为第一递增长度光纤装置相对于第一固定长度光纤装置的初始递增长度；j＝1，2，...N-1；N为大于3的整数。
2.根据权利要求1所述的基于DMD的激光三维成像模拟器，其特征在于，
所述基于DMD的激光三维成像模拟器用于模拟2N-1×x的距离范围。
3.根据权利要求1所述的基于DMD的激光三维成像模拟器，其特征在于，第一级延迟单元还包括设置在激光器前的激光扩束镜组。
4.根据权利要求1所述的基于DMD的激光三维成像模拟器，其特征在于，第i级延迟单元还包括设置在第i二合一光纤阵列装置前的级间光纤阵列耦合光学系统。
5.根据权利要求1所述的基于DMD的激光三维成像模拟器，其特征在于，被试装置前还设置有成像耦合光学系统。
6.根据权利要求1所述的基于DMD的激光三维成像模拟器，其特征在于，第一微镜阵列至第N微镜阵列均为P×P阵列，其中的每个阵列单元由Q×Q个微镜组成；P的取值视分辨率需要而定，Q的取值视灰度级需要而定。
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