CN116600211A - 一种成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种成像系统，包括：曝光成像模块，用于按照指定曝光时间进行曝光；驱动模块，与所述曝光成像模块连接，用于获取触发信号，并基于所述触发信号产生参考信号，在所述参考信号条件下至少产生第一驱动信号和第二驱动信号；光源，与所述驱动模块连接，用于基于所述第一驱动信号发射激光；镜头，用于接收激光照射到目标后反射回来的初始光信号；像增强器，与所述曝光成像模块、所述驱动模块及所述镜头连接，用于基于所述第二驱动信号控制所述像增强器打开以接收所述初始光信号；所述曝光成像模块还用于基于所述初始光信号成像。本发明提供的成像系统，可实现光源和相机之间的高精度同步，进而实现高信噪比成像。

Description

一种成像系统

技术领域

本发明涉及成像技术领域，特别是涉及一种成像系统。

背景技术

门控成像是一种高速成像技术，利用快门控制光电传感器的曝光时间，在极短的时间内记录物体的图像。由于门控成像技术的高速和高精度，被广泛应用于军事、医学、工业等领域。然而，门控成像技术中的时间同步问题是必须要考虑的问题，因为时间同步的不精确会对成像质量产生很大的影响。

在门控成像技术中，时间同步问题是如何确保门控电极的开启时间和光脉冲信号的到达时间一致，从而实现高精度的成像。在实际应用中，门控电极的开启时间通常是通过定时电路实现的，而光脉冲信号的到达时间则通常是通过光电传感器的输出信号确定的。因此，时间同步的准确性很大程度上取决于定时电路和光电传感器的精度和稳定性，这种多时钟源同步方案随着时间推移会由于不同时钟源抖动和精度不同导致长时间工作后系统失去同步特性，最终表现为图像信噪比下降。

除了硬件方法，软件算法也是门控成像技术中时间同步的重要组成部分。常见的算法包括基于相位锁定的同步算法、基于时钟同步的同步算法、基于时间标签的同步算法等。这些算法可以提高成像的精度和稳定性，但是对于不同的时间精度使用的算法没有办法做到一致，从而导致实际成像信噪比下降严重。

在门控成像技术中，时间同步问题的解决对于成像质量有着至关重要的影响。精确的时间同步可以提高门控成像技术的信噪比和成像一致性，从而在各种不同应用场景中提供更优质的成像结果。然而，上述传统的硬件方法和软件算法均无法准确控制时钟同步从而造成成像信噪比较低。

因此，有必要提供一种成像系统，以有效解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种成像系统。

本发明实施例提供一种成像系统，包括：

曝光成像模块，用于按照指定曝光时间进行曝光；

驱动模块，与所述曝光成像模块连接，用于获取触发信号，并基于所述触发信号产生参考信号，在所述参考信号条件下至少产生第一驱动信号和第二驱动信号；

光源，与所述驱动模块连接，用于基于所述第一驱动信号发射激光；

镜头，用于接收激光照射到目标后反射回来的初始光信号；

像增强器，与所述曝光成像模块、所述驱动模块及所述镜头连接，用于基于所述第二驱动信号控制所述像增强器打开以接收所述初始光信号；所述曝光成像模块还用于基于所述初始光信号成像。

优选地，所述驱动模块包括多路时序发生器、光源驱动器及电压处理模块，所述多路时序发生器与所述曝光成像模块、所述电压处理模块及所述光源驱动器连接，所述光源驱动器还与所述光源连接，所述电压处理模块还与所述像增强器连接；所述成像系统的工作模式包括内触发模式，所述触发信号为内触发信号；在所述内触发模式下：

所述曝光成像模块还用于在曝光时产生所述内触发信号并输出给所述多路时序发生器；所述多路时序发生器用于基于所述内触发信号产生所述参考信号，在所述参考信号条件下至少产生第一时序信号和第二时序信号；所述第一驱动信号为所述第一时序信号，所述电压处理模块用于基于所述第二时序信号得到所述第二驱动信号。

优选地，所述驱动模块包括多路时序发生器、光源驱动器及电压处理模块，所述多路时序发生器与所述曝光成像模块、所述电压处理模块及所述光源驱动器连接，所述光源驱动器还与所述光源连接，所述电压处理模块还与所述像增强器连接；所述成像系统的工作模式包括外触发模式，所述触发信号为外触发信号；在所述外触发模式下：

所述光源驱动器用于产生所述外触发信号并触发所述多路时序发生器产生所述参考信号，在所述参考信号条件下至少产生所述第一时序信号和所述第二时序信号；所述第一驱动信号为所述外触发信号，所述曝光成像模块基于所述第一时序信号进行曝光，所述电压处理模块用于基于所述第二时序信号得到所述第二驱动信号。

优选地，所述外触发信号产生时间早于所述光源发射激光的时间。

优选地，所述第二驱动信号包括正负时序信号、放大直流信号及高压信号；所述电压处理模块包括：

多路电压放大器，与所述多路时序发生器及所述像增强器连接，用于基于所述第二时序信号产生放大电压时序信号、所述放大直流信号及所述高压信号；

电压转换器，与所述多路电压放大器及所述像增强器连接，用于将所述放大电压时序信号转换为所述正负时序信号。

优选地，当所述放大电压时序信号输出高电平后转换为负电压信号，在所述放电电压时序信号输出低电平后转换为正电压信号。

优选地，所述像增强器包括：

光电阴极，与所述电压转换器和所述镜头连接，用于基于所述正负时序信号控制所述光电阴极打开以接收所述初始光信号，并将所述初始光信号转换为电信号；

电子放大器，与所述多路电压放大器及所述光电阴极连接，用于在所述直流信号下对所述电信号进行放大；

荧光屏，与所述多路电压放大器、所述电子放大器及所述曝光成像模块连接，用于在所述高压信号下将所述电子放大器放大后的电信号再次转换为放大光信号；所述曝光成像模块基于所述放大光信号成像。

优选地，还包括：

光束调整器，设置于所述光源和所述目标之间，用于将所述光源产生的激光进行发散角调整后射向所述目标。

优选地，还包括：

滤光片，设置于所述镜头和所述光电阴极之间，用于对被所述光电阴极接收之前的所述光信号进行带通滤波。

优选地，所述曝光成像模块包括光波导耦合CMOS。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：本发明提出一种基于像增强器的选通成像系统，该系统通过普通相机触发其他组件工作，可实现内触发模式和外触发模式两种成像系统的工作模式，并在两种模式下均可实现光源和相机之间的高精度同步，进而实现高信噪比成像。具体的，解决了在内触发模式下传统CMOS由于内部延迟导致CMOS很难用于与光源同步的问题，解决了在外触发模式下传统CMOS在频闪光源经过一系列转换到达CMOS时CMOS依然没有开始曝光的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一个实施例提供的成像系统的结构框图。

图2为本发明的另一个实施例提供的成像系统的结构框图。

图3为图2实施例的成像系统的时序控制图。

图4为本发明的又一个实施例提供的成像系统的结构框图。

图5为图4实施例的成像系统的时序控制图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

下面以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

传统的硬件方法中通过定时电路和光电传感器控制门控成像中时间同步，软件算法中基于相位锁定的同步算法、基于时钟同步的同步算法、基于时间标签的同步算法等控制门控成像中时间同步，这些方式均无法真确控制门控成像中时间同步，从而导致实际成像信噪比下降。

基于现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种成像系统。

图1为本发明的一个实施例提供的一种成像系统的系统框图。如图1所示，一种成像系统包括：曝光成像模块1、驱动模块2、光源3、镜头46及像增强器4。

其中，曝光成像模块1用于按照指定曝光时间进行曝光。驱动模块2与曝光成像模块1连接，用于获取触发信号，并基于触发信号产生参考信号，在参考信号条件下至少产生第一驱动信号和第二驱动信号。光源3与驱动模块2连接，用于基于第一驱动信号发射激光。镜头46用于接收激光照射到目标后反射回来的初始光信号。像增强器4与曝光成像模块1、驱动模块2及镜头46连接，用于基于第二驱动信号控制像增强器4打开以接收初始光信号；曝光成像模块1还用于基于初始光信号成像。

本实施例提出一种基于像增强器4的选通成像系统，该系统通过普通相机触发其他组件工作，实现光源3和相机之间的高精度同步，进而实现高信噪比成像。

在一些示例中，如图2或4所示，驱动模块2包括多路时序发生器21、光源驱动器11及电压处理模块，多路时序发生器21与曝光成像模块1、电压处理模块及光源驱动器11连接，光源驱动器11还与光源3连接，电压处理模块还与像增强器4连接。

其中，电压处理模块可以包括多路电压放大器31和电压转换器32。多路电压放大器31与多路时序发生器21及像增强器4连接。电压转换器32与多路电压放大器31及像增强器4连接。

其中，像增强器4包括光电阴极44、电子放大器43及荧光屏42。光电阴极44与电压转换器32和镜头46连接。电子放大器43与多路电压放大器31及光电阴极44连接。荧光屏42与多路电压放大器31、电子放大器43及曝光成像模块1连接。

在一些示例中，成像系统的工作模式可以包括内触发模式和外触发模式，在不同的触发模式下，多路时序发生器21分别由来自于不同组件的内触发信号或外触发信号进行触发产生时序信号。

如图2和图3所示，成像系统的工作于内触发模式时，多路时序发生器21的触发信号为内触发信号。曝光成像模块1还用于在曝光时产生内触发信号并输出给多路时序发生器21。多路时序发生器21用于基于内触发信号产生参考信号，在参考信号条件下至少产生第一时序信号和第二时序信号。第一驱动信号为第一时序信号，电压处理模块用于基于第二时序信号得到第二驱动信号。

具体的，曝光成像模块1可以包括光波导耦合CMOS41，其按照制定曝光时间进行曝光，并在曝光时产生内触发信号输出给多路时序发生器21。

多路时序发生器21接收到光波导耦合CMOS41的内触发信号使得多路时序发生器21内部产生参考信号，在参考信号条件下产生至少两组时序信号，其中一组时序信号（第一时序信号）用于驱动光源驱动器11。另一组时序信号（第二时序信号）用于驱动多路电压放大器31。本实施例中，多路时序发生器21能在产生的至少两组时序信号之间的相对延迟进行任意调整。

光源驱动器11可以接收来自于多路时序发生器21的第一时序信号，并且基于该时序使得光源3发射激光。

光源3可以包括频闪光源12，频闪光源12被光源驱动器11输出的第一时序信号控制，并产生与该时序信号相同频率的频闪激光。

成像系统还可以包括光束调整器13。光束调整器13设置于光源3和目标之间，用于将光源3产生的激光进行发散角调整后射向目标。

镜头46接收从光束调整器13照射到目标并反射回的光信号。

滤光片45可以包括带通滤光片45，其带通范围覆盖频闪光源12半高宽。滤光片45设置于镜头46和光电阴极44之间，用于对被光电阴极44接收之前的光信号进行带通滤波。

多路电压放大器31可以接收多路时序发生器21至少一组时序信号（第二时序信号），并基于第二时序信号产生一组放大电压时序信号给电压转换器32，基于第二时序信号产生放大直流信号用于驱动电子放大器43，基于第二时序信号产生一组高压信号驱动荧光屏42。

电压转换器32可以接收多路电压放大器31提供的放大电压时序信号，并将其转换为正负时序信号。该信号可以在多路电压放大器31输出高电平后电压转换器32输出负电压信号，在多路电压放大器31输出低电平后电压转换器32输出正电压信号。该正负时序信号作用于光电阴极44。

光电阴极44用于基于正负时序信号控制光电阴极44打开以接收初始光信号，并将初始光信号转换为电信号。具体的，在正负时序信号的作用下，负电压作用于光电阴极44开门，正电压作用于光电阴极44关门。光电阴极44将接收到的初始光信号转为电信号进入到电子放大器43中。

电子放大器43用于在直流信号下对电信号进行放大。具体的，电子放大器43接收多路时序发生器21的直流信号，在直流信号作用下，电子放大器43可以将来自光电阴极44产生的电子进行指数级放大。

荧光屏42用于在高压信号下将电子放大器43放大后的电信号再次转换为放大光信号，曝光成像模块1基于放大光信号成像。具体的，荧光屏42接受多路电压放大器31产生的高压信号，并将来自电子放大器43的电子信号进行电光转换，变成放大光信号。

本实施例中，光波导耦合CMOS41首先进行曝光并将曝光信号传输到多路时序发生器21，由于频闪光源12发光延迟和光电阴极44开门的时间延迟相对于光波导耦合CMOS41曝光延迟而言低几个数量级，使用CMOS触发多路时序发生器21工作，解决了在内触发模式下传统CMOS由于内部延迟导致CMOS很难用于与光源3同步的问题。

光电阴极44通过电压转换器32进行驱动，使用了负电平（不为GND）的时序信号，利用较低负电平克服了光电阴极44材料逸出功使得在开门时刻电子逸出更为容易，使用了正电平增加电子逸出所需能量，从而降低在关门时刻光电阴极44的噪声光电转换概率。

光波导耦合CMOS41曝光终止时刻相对于荧光屏42电光转换信号终止时刻滞后，确保了荧光屏42的荧光发射寿命时间内的信号可以完整地被光波导耦合CMOS41完全接收，从而避免了信号丢失。

如图4和图5所示，成像系统的工作于外触发模式时，多路时序发生器21的触发信号为外触发信号。光源驱动器11用于产生外触发信号并触发多路时序发生器21产生参考信号，在参考信号条件下至少产生第一时序信号和第二时序信号；第一驱动信号为外触发信号，曝光成像模块1基于第一时序信号进行曝光，电压处理模块用于基于第二时序信号得到第二驱动信号。

光源驱动器11可以基于外触发信号驱动并使得光源3按照特定频率进行发射激光，其中外触发信号产生时间早于光源3的发光时间。

光源3可以包括频闪光源12，频闪光源12是典型脉冲光源3，其可以被光源驱动器11的时序信号（外触发信号）控制，并产生与该时序信号（外触发信号）相同频率的频闪激光。

成像系统还可以包括光束调整器13。光束调整器13设置于光源3和目标之间，可以将频闪光源12产生的激光实现光束发散角调整。

多路时序发生器21接收到光源驱动器11的外触发信号使得多路时序发生器21内部产生参考信号，在参考信号条件下产生至少两组时序信号，其中一组时序信号（第一时序信号）用于驱动光波导耦合CMOS41，另一组时序信号（第二时序信号）用于驱动多路电压放大器31。并且多路时序发生器21可以在产生的至少两组时序信号之间的相对延迟可任意调整。

镜头46接收从光束调整器13照射到目标并反射回的光信号。

滤光片45可以包括带通滤光片45，其带通范围覆盖频闪光源12半高宽。滤光片45设置于镜头46和光电阴极44之间，用于对被光电阴极44接收之前的光信号进行带通滤波。

多路电压放大器31可以接收多路时序发生器21至少一组时序信号（第二时序信号），并基于第二时序信号产生一组放大电压时序信号给电压转换器32，基于第二时序信号产生放大直流信号用于驱动电子放大器43，基于第二时序信号产生一组高压信号驱动荧光屏42。

电压转换器32可以接收多路电压放大器31提供的放大电压时序信号，并将其转换为正负时序信号，该正负时序信号特征为在多路电压放大器31在输出高电平后电压转换器32输出负电压信号，在多路电压放大器31输出低电平后电压转换器32输出正电压信号。该正负时序信号作用于光电阴极44。

光电阴极44用于基于正负时序信号控制光电阴极44打开以接收初始光信号，并将初始光信号转换为电信号。具体的，在正负时序信号的作用下，负电压作用于光电阴极44开门，正电压作用于光电阴极44关门。光电阴极44将接收到的初始光信号转为电信号进入到电子放大器4343中，光电阴极44荧光寿命时间大于传统CMOS外触发模式下的曝光延迟时间。

电子放大器43用于在直流信号下对电信号进行放大。具体的，电子放大器43接收多路时序发生器21的直流信号。在直流信号作用下，电子放大器43可以将来自光电阴极44产生的电子进行指数级放大。

荧光屏42用于在高压信号下将电子放大器43放大后的电信号再次转换为放大光信号，曝光成像模块1基于放大光信号成像。具体的，荧光屏42接受多路电压放大器31产生的高压信号，并将来自电子放大器43的电子信号进行电光转换，变成放大光信号。

曝光成像模块1可以包括光波导耦合CMOS41，其按照指定曝光时间进行曝光。具体的，光波导耦合CMOS41耦合了光波导结构，可以直接成像荧光屏42上的光信号，并且接收来自多路电压放大器31的时序信号（第一时序信号），并在第一时序信号下实现曝光。由于光电阴极44的荧光寿命时间大于CMOS外触发模式下曝光延迟，从而在光电阴极44在荧光转换过程中CMOS实现了开门，从而实现了传统CMOS的信号抓取。

本实施例中，在外触发模式下，利用光电阴极44的荧光寿命时间大于CMOS外触发模式下的曝光延迟时间，解决了“传统CMOS在频闪光源12经过一系列转换到达CMOS时CMOS依然没有开始曝光的问题”。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种成像系统，其特征在于，包括：曝光成像模块，用于按照指定曝光时间进行曝光；驱动模块，与所述曝光成像模块连接，用于获取触发信号，并基于所述触发信号产生参考信号，在所述参考信号条件下至少产生第一驱动信号和第二驱动信号；光源，与所述驱动模块连接，用于基于所述第一驱动信号发射激光；镜头，用于接收激光照射到目标后反射回来的初始光信号；像增强器，与所述曝光成像模块、所述驱动模块及所述镜头连接，用于基于所述第二驱动信号控制所述像增强器打开以接收所述初始光信号；所述曝光成像模块还用于基于所述初始光信号成像；其中，所述驱动模块包括多路时序发生器、光源驱动器及电压处理模块，所述多路时序发生器与所述曝光成像模块、所述电压处理模块及所述光源驱动器连接，所述光源驱动器还与所述光源连接，所述电压处理模块还与所述像增强器连接；所述成像系统的工作模式包括内触发模式和外触发模式；

在所述内触发模式下：所述触发信号为内触发信号，所述曝光成像模块还用于在曝光时产生所述内触发信号并输出给所述多路时序发生器；所述多路时序发生器用于基于所述内触发信号产生所述参考信号，在所述参考信号条件下至少产生第一时序信号和第二时序信号；所述第一驱动信号为所述第一时序信号，所述电压处理模块用于基于所述第二时序信号得到所述第二驱动信号；

在所述外触发模式下：所述触发信号为外触发信号，所述光源驱动器用于产生所述外触发信号并触发所述多路时序发生器产生所述参考信号，在所述参考信号条件下至少产生所述第一时序信号和所述第二时序信号；所述第一驱动信号为所述外触发信号，所述曝光成像模块基于所述第一时序信号进行曝光，所述电压处理模块用于基于所述第二时序信号得到所述第二驱动信号。

2.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述外触发信号产生时间早于所述光源发射激光的时间。

3.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述第二驱动信号包括正负时序信号、放大直流信号及高压信号；所述电压处理模块包括：

多路电压放大器，与所述多路时序发生器及所述像增强器连接，用于基于所述第二时序信号产生放大电压时序信号、所述放大直流信号及所述高压信号；

电压转换器，与所述多路电压放大器及所述像增强器连接，用于将所述放大电压时序信号转换为所述正负时序信号。

4.根据权利要求3所述的成像系统，其特征在于，当所述放大电压时序信号输出高电平后转换为负电压信号，在所述放电电压时序信号输出低电平后转换为正电压信号。

5.根据权利要求3所述的成像系统，其特征在于，所述像增强器包括：

光电阴极，与所述电压转换器和所述镜头连接，用于基于所述正负时序信号控制所述光电阴极打开以接收所述初始光信号，并将所述初始光信号转换为电信号；

电子放大器，与所述多路电压放大器及所述光电阴极连接，用于在所述直流信号下对所述电信号进行放大；

荧光屏，与所述多路电压放大器、所述电子放大器及所述曝光成像模块连接，用于在所述高压信号下将所述电子放大器放大后的电信号再次转换为放大光信号；所述曝光成像模块基于所述放大光信号成像。

6.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，还包括：

光束调整器，设置于所述光源和所述目标之间，用于将所述光源产生的激光进行发散角调整后射向所述目标。

7.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，还包括：

滤光片，设置于所述镜头和所述光电阴极之间，用于对被所述光电阴极接收之前的所述光信号进行带通滤波。

8.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述曝光成像模块包括光波导耦合CMOS。