CN114967129A - 一种新型扩展目标自适应光学成像系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型扩展目标自适应光学成像系统及其方法，包括物镜、可变形透镜、微透镜阵列、相机、微透镜阵列控制单元、图像优化单元；其中相机，用作探测波前和采集波前被校准过的图像；微透镜阵列控制单元，分别与可变形透镜、相机电性连接；微透镜阵列控制单元根据相机采集到的图像计算出畸变的波前斜率，并且根据波前斜率计算出相对应的可变形透镜的驱动电压；再由驱动电压信号控制可变形透镜来校准波前，校准后的波前成像后再次被相机采集，最后被图像优化单元优化。本发明不需要分光结构去分光分别探测波前斜率以及成像，不需要额外的相机来采集图像，提高了成像的速度，降低了系统的复杂度。
Description
技术领域
本发明属于自适应光学拓展目标成像技术领域，特别涉及一种新型扩展目标自适应光学成像系统及其方法。
背景技术
图像是反应被观测物体特征的最直观的介质。高质量的光学成像技术在太空探测、缺陷检测以及消费电子等领域中具有极其重要的意义。在天文学、水下光学等领域中，由于大气、水的湍流的扰动会引起光传播介质的折射率不均匀，相机直接采集到的图像存在着严重的畸变。尽管牛顿提出了可以将成像系统放置在地势高的地方来克服大气湍流引起的畸变，但是即使在目前全球最先进的天文台，大气湍流引起的图像畸变仍然不能缓解。直到自适应光学的思想被提出来之后，这种现象才被缓解。
在最开始的时候，自适应光学成像系统由镜头、相机、分光镜及波前传感器组成。这种系统的工作原理是将目标反射光被一分为二，波前传感器来实时测量畸变的波前斜率，再根据得到的畸变的波前的斜率去控制可变形透镜。由于施加的电压，可变形透镜的和某些部位的厚度发生了变化，进而影响到光程差，最终使得畸变的波前被校准。
但是，一束光用于测量波前，另一束光用于成像，这使得光学系统变得更为复杂，间接的引起较大的象差等问题。为了解决这个问题，无波前传感器的自适应光学系统被提了出来。这种系统主要由可变形透镜和相机组成，无需波前传感器以及分光结构。相比较对于基于波前传感器的自适应光学系统，这种新系统的光学结构更简单，体积更小。但是由于这个系统没有波前传感器，相机在捕获到畸变的图像以后无法得到波前斜率，所以在获取畸变图像之后，后续的优化算法需要通过不断的优化来寻找最优的可变形透镜电压值。这使得无波前传感器的自适应光学系统成像速度很慢。
发明内容
为解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供一种新型扩展目标自适应光学成像系统及其方法，本发明不需要分光结构去分光分别探测波前斜率以及成像，不需要额外的相机来采集图像，并且不需要复杂的优化算法去优化得到可变形透镜的控制信号，提高了成像的速度，降低了系统的复杂度。
本发明采用的技术方案是：
一种新型扩展目标自适应光学成像系统，其特征在于，包括物镜、可变形透镜、微透镜阵列、相机、微透镜阵列控制单元、图像优化单元；其中，
物镜，设置在目标反射光之后的光路中；
可变形透镜，设置在物镜之后的光路中；
微透镜阵列，设置在可变形透镜之后的光路中，用于采集到畸变的波前信息和大量的目标图像；
相机，用作探测波前和采集波前被校准过的图像；相机采集到的图像是图像阵列，子图像的个数由微透镜阵列的子孔径数量决定；
微透镜阵列控制单元，分别与可变形透镜、相机电性连接；微透镜阵列控制单元根据相机采集到的图像计算出畸变的波前斜率，并且根据波前斜率计算出相对应的可变形透镜的驱动电压；再由驱动电压信号控制可变形透镜来校准波前，校准后的波前成像后再次被相机采集，最后被图像优化单元优化；
图像优化单元，用于将再次被相机采集的子图像阵列优化到高分辨率图像。
进一步的，所述微透镜阵列和所述相机之间的距离可调。
进一步的，所述微透镜阵列以采集大量的数据重建图像。
如上述所述的一种新型扩展目标自适应光学成像系统，其特征在于，方法包括如下步骤：
S1:添加扰动：
设置在物镜与可变形透镜之间的光路中，用于对目标反射光进行干扰并得到畸变图像，让系统在大气湍流或水湍流的影响下工作；
S2:相机采集图像阵列：
通过相机探测波前和采集波前被校准过的图像，通过调节相机与可变形透镜之间的距离调整相机拍摄到清晰的图像阵列；
S3:计算波前斜率以及控制可变形透镜：
在相机捕获到畸变的目标物图像阵列后，通过微透镜阵列控制单元计算出图像阵列中每一个图像质心的偏移量，再根据所得到的偏移量通过求解线性方程组的方法来得到可变形透镜的驱动电压；
S4:图像优化：
根据驱动电压驱动可变形透镜后，波前被校准，相机再次采集到的是校准波前后的图像阵列，将这些图像阵列输入到图像优化单元得到高分辨率的高分辨率图像。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明通过微透镜阵列加相机的组合测量出畸变的波前的波前斜率来控制可变形透镜，又作为采集图像的工具，不仅无需分光结构分光单独成像从而降低了光学系统的复杂度，又无需大量的优化计算来得到可变形透镜的驱动电压。最终的实验数据表明，与之前的扩展目标自适应光学系统相比成像速度能够提高10倍，并且系统体积能够减小50%。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图。
图2是本发明图像工作流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
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组合。
下面将参考附图并结合示例性实施例来详细说明本发明。
参考图1和图2，本发明的一种新型扩展目标自适应光学成像系统，包括物镜1、可变形透镜2、微透镜阵列3、相机4、微透镜阵列控制单元5、图像优化单元6；其中，
物镜1，设置在目标反射光之后的光路中；
可变形透镜2，设置在物镜1之后的光路中；
微透镜阵列3，设置在可变形透镜2之后的光路中，用于采集到畸变的波前信息和大量的目标图像；
相机4，用作探测波前和采集波前被校准过的图像；相机4采集到的图像是图像阵列，子图像的个数由微透镜阵列的子孔径数量决定；
微透镜阵列控制单元5，分别与可变形透镜3、相机4电性连接；微透镜阵列控制单元5根据相机采集到的图像计算出畸变的波前斜率，并且根据波前斜率计算出相对应的可变形透镜的驱动电压；再由驱动电压信号控制可变形透镜来校准波前，校准后的波前成像后再次被相机采集，最后被图像优化单元优化；
图像优化单元6，用于将再次被相机4采集的子图像阵列优化到高分辨率图像。
在一种实施例中，所述微透镜阵列和所述相机之间的距离可调，以达到最理想的成像效果。
在一种实施例中，所述微透镜阵列以采集大量的数据重建图像。
如上述所述的一种新型扩展目标自适应光学成像系统，方法包括如下步骤：
S1:添加扰动：
设置在物镜与可变形透镜之间的光路中，用于对目标反射光进行干扰并得到畸变图像，让系统在大气湍流或水湍流的影响下工作；
S2:相机采集图像阵列：
通过相机探测波前和采集波前被校准过的图像，通过调节相机与可变形透镜之间的距离调整相机拍摄到清晰的图像阵列；
S3:计算波前斜率以及控制可变形透镜：
在相机捕获到畸变的目标物图像阵列后，通过微透镜阵列控制单元计算出图像阵列中每一个图像质心的偏移量，再根据所得到的偏移量通过求解线性方程组的方法来得到可变形透镜的驱动电压；
S4:图像优化：
根据驱动电压驱动可变形透镜后，波前被校准，相机再次采集到的是校准波前后的图像阵列，将这些图像阵列输入到图像优化单元得到高分辨率的高分辨率图像。
本发明实施例中的微透镜阵列子孔径的数量影响最终图像的分辨率，本发明实施例对于孔径数量不做限定。
本发明实施例中的可变形透镜的执行器的数量越多，最终恢复的效果就越好，本发明对于执行器的数量不做限定。
本发明实施例中的可变形透镜驱动单元可根据相机采集到的图像计算出畸变的波前斜率，并且能根据波前斜率计算出相对应的驱动电压。
本发明中相机的功能是采集由微透镜阵列成像的目标物的图像阵列。由图1所示，这些图像不仅可以通过所述的可变形透镜驱动单元得到畸变波前的波前斜率并紧接着产生可变形透镜的控制信号来校准波前，还可以为图像优化单元提供大量的数据以优化图像。
综上所述，本发明中不需要分光结构去分光分别探测波前斜率以及成像，不需要额外的相机来采集图像，并且不需要复杂的优化算法去优化得到可变形透镜的控制信号。所以提高了成像的速度，降低了系统的复杂度。
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。
Claims (4)
1.一种新型扩展目标自适应光学成像系统，其特征在于，包括物镜、可变形透镜、微透镜阵列、相机、微透镜阵列控制单元、图像优化单元；其中，
物镜，设置在目标反射光之后的光路中；
可变形透镜，设置在物镜之后的光路中；
微透镜阵列，设置在可变形透镜之后的光路中，用于采集到畸变的波前信息和大量的目标图像；
相机，用作探测波前和采集波前被校准过的图像；相机采集到的图像是图像阵列，子图像的个数由微透镜阵列的子孔径数量决定；
微透镜阵列控制单元，分别与可变形透镜、相机电性连接；微透镜阵列控制单元根据相机采集到的图像计算出畸变的波前斜率，并且根据波前斜率计算出相对应的可变形透镜的驱动电压；再由驱动电压信号控制可变形透镜来校准波前，校准后的波前成像后再次被相机采集，最后被图像优化单元优化；
图像优化单元，用于将再次被相机采集的子图像阵列优化到高分辨率图像。
2.如权利要求1所述的一种新型扩展目标自适应光学成像系统，，其特征在于，所述微透镜阵列和所述相机之间的距离可调。
3.如权利要求1或2所述的一种新型扩展目标自适应光学成像系统，其特征在于，所述微透镜阵列以采集大量的数据重建图像。
4.如权利要求1~3之一所述的一种新型扩展目标自适应光学成像系统，其特征在于，方法包括如下步骤：
S1:添加扰动：
设置在物镜与可变形透镜之间的光路中，用于对目标反射光进行干扰并得到畸变图像，让系统在大气湍流或水湍流的影响下工作；
S2:相机采集图像阵列：
通过相机探测波前和采集波前被校准过的图像，通过调节相机与可变形透镜之间的距离调整相机拍摄到清晰的图像阵列；
S3:计算波前斜率以及控制可变形透镜：
在相机捕获到畸变的目标物图像阵列后，通过微透镜阵列控制单元计算出图像阵列中每一个图像质心的偏移量，再根据所得到的偏移量通过求解线性方程组的方法来得到可变形透镜的驱动电压；
S4:图像优化：
根据驱动电压驱动可变形透镜后，波前被校准，相机再次采集到的是校准波前后的图像阵列，将这些图像阵列输入到图像优化单元得到高分辨率的高分辨率图像。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116722921A (zh) * | 2023-07-01 | 2023-09-08 | 哈尔滨工程大学 | 一种抑制湍流效应的水下无线光系统 |
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2022
- 2022-06-27 CN CN202210733017.2A patent/CN114967129A/zh not_active Withdrawn
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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