CN116840852A - 高分辨单光子成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于成像领域，具体公开了一种高分辨单光子成像系统，包括激光发射单元、超振荡单元、回波接收单元和光子探测单元，激光发射单元用于发射脉冲激光，超振荡单元包括超振荡元件和聚焦组件，超振荡元件用于对脉冲激光进行调制，经过调制后的脉冲激光经过聚焦组件后形成超振荡光斑投射至待测目标并产生回波，聚焦组件还用于接收待测目标产生的回波并将回波传输至回波接收单元，回波接收单元用于提取回波的中心能量后传输给光子探测单元，光子探测单元用于将接收回波光信号转变为电信号。该系统中超振荡元件与聚焦组件结合可以产生超振荡光斑，这种光斑的中心亮斑尺寸小于艾里斑尺寸，旁瓣能量分布较高，在激光三维成像中，可提升成像分辨率。
Description
技术领域
本申请涉及成像技术领域，具体涉及一种高分辨单光子成像系统及方法。
背景技术
单光子激光雷达是一种基于微弱光探测的新型激光雷达(LiDAR)技术，可实现单个光子探测与计数，目前已达到了理论的探测极限，如今与弱光探测、超远距探测、人工智能等技术领域紧密结合并共同发展，产生了诸多研究成果。不同于传统激光雷达，单光子激光雷达通过对回波光子信号进行时间累积恢复出回波信号的离散波形，获取目标距离与反射率信息。单光子激光雷达的核心组成部分主要由激光器、收发光路、单光子探测器、TCSPC模块以及控制与数据处理端组成。单光子激光雷达的主要性能指标包括探测距离、探测精度。其中，探测精度又包含测距精度和图像灰度精度。
图1示出了传统的单光子激光雷达成像系统的结构示意图，激光器发出的激光经过光纤传输至准直器进行准直后，经过过滤器、透镜、耦合镜到达目标物，对目标物进行成像。当目标反射回波信息之后，回波信息经过耦合镜、分束镜、过滤器、透镜、准直器，并经过光纤被单光子探测器探测，时间相关单光子计数器记录接收光子的时间，以此对目标成像。但是，由于衍射极限的限制，该系统产生的光斑较大，大光斑涵盖的细节信息较少，成像效果较差，分辨率较低，难以达到或超过衍射极限。
发明内容
本申请实施例提供一种高分辨单光子成像系统及方法，旨在解决现有技术中雷达扫描成像效果较差、分辨率较低的技术问题。
一方面，本申请实施例提供一种高分辨单光子成像系统，包括激光发射单元、超振荡单元、回波接收单元和光子探测单元，
所述激光发射单元用于发射脉冲激光，
所述超振荡单元包括超振荡元件和聚焦组件，所述超振荡元件用于对所述脉冲激光进行调制，经过调制后的脉冲激光经过聚焦组件后形成超振荡光斑投射至待测目标并产生回波，
所述聚焦组件还用于接收待测目标产生的回波并将所述回波传输至所述回波接收单元，
所述回波接收单元用于提取回波的中心能量后将回波的中心能量传输给所述光子探测单元，
所述光子探测单元用于将接收回波光信号转变为电信号。
根据本申请第一方面的实施方式，所述激光发射单元包括激光器和扩束组件，
所述激光器用于发射脉冲激光，
所述扩束组件用于对所述激光器发射的脉冲激光进行扩束，以使扩束后的脉冲激光填充满所述超振荡元件的有效口径。
根据本申请第一方面前述任一实施方式，所述扩束组件包括用于对脉冲激光进行扩束的扩束透镜和用于对扩束后的脉冲激光进行矫正的矫正透镜。
根据本申请第一方面前述任一实施方式，所述聚焦组件包括沿着所述激光发射单元的出射光路设置的第一分束镜、扫描反射镜和望远镜，
经过所述超振荡元件调制的脉冲激光通过所述第一分束镜后出射至所述扫描反射镜，
所述扫描反射镜用于将接收的光束反射至所述望远镜，所述扫描反射镜的反射角度可调，
所述望远镜用于对接收的脉冲激光进行聚焦以产生投射至待测目标的超振荡光斑，
所述望远镜还用于接收待测目标产生的回波，并将接收的回波传输至扫描反射镜，所述扫描反射镜将回波反射至所述第一分束镜，所述第一分束镜将回波分束至所述回波接收单元。
根据本申请第一方面前述任一实施方式，所述望远镜包括望远目镜，通过调节所述望远目镜可以改变所述望远目镜与所述扫描反射镜之间的距离。
根据本申请第一方面前述任一实施方式，所述望远镜还包括望远物镜，所述望远物镜为离轴两反式望远物镜。
根据本申请第一方面前述任一实施方式，所述离轴两反式望远物镜包括沿着脉冲激光传播方向设置的第一反射镜和第二反射镜，
所述第一反射镜用于对脉冲激光进行扩束并反射至所述第二反射镜，
所述第二反射镜用于对脉冲激光进行缩束并将缩束后的脉冲激光投射至待测目标。
根据本申请第一方面前述任一实施方式，所述回波接收单元包括沿着回波传播方向设置的聚焦透镜组和光阑，
所述聚焦透镜组用于对回波进行聚焦，
所述光阑用于阻挡回波的中心能量以外的其他能量，以将回波的中心能量传输至所述光子探测单元。
根据本申请第一方面前述任一实施方式，所述聚焦透镜组包括沿着回波传播方向设置的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜。
根据本申请第一方面前述任一实施方式，高分辨单光子成像系统还包括被动成像单元，在所述扫描反射镜与所述望远镜之间的光路上设置有第二分束镜，所述第二分束镜用于将回波部分地分束至所述被动成像单元。
根据本申请第一方面前述任一实施方式，所述被动成像单元包括沿着回波传播方向设置的、用于聚焦成像的第一透镜、第二透镜和胶合透镜。
根据本申请第一方面前述任一实施方式，在所述望远目镜与所述望远物镜之间的光路上设置有反射镜。
根据本申请第一方面前述任一实施方式，所述超振荡元件可以产生直径小于聚焦艾里光斑的光斑。
根据本申请第一方面前述任一实施方式，所述超振荡元件为表面具有微纳结构的微纳元件或者能够产生贝塞尔光束的元件。
第二方面，本申请实施例提供一种高分辨单光子成像方法，应用于前述高分辨单光子成像系统，包括
激光发射单元发射脉冲激光；
控制超振荡单元按照亚像素扫描方式对待测目标进行扫描；
回波接收单元接收待测目标产生的回波并对回波进行过滤；
光子探测单元接收经过回波接收单元过滤的回波光信号，并将回波光信号转变为电信号。
本申请实施例的高分辨单光子成像系统中，聚焦组件同时具备向待测目标发射脉冲激光和接收从待测目标反射的回波的作用，与采用两路光学器件分别实现激光发射功能和回波接收功能的系统相比，本申请实施例的高分辨单光子成像系统的光路结构更加简单，重量更轻；且超振荡元件与聚焦组件结合可以产生超振荡光斑，这种光斑的中心亮斑尺寸小于艾里斑尺寸，旁瓣能量分布较高，在激光三维成像中，可提升成像分辨率。
附图说明
图1是现有技术中的高分辨单光子成像系统的结构示意图；
图2a是本申请实施例提供的高分辨单光子成像系统的结构示意图；
图2b是本申请实施例提供的超震荡元件与聚焦组件结合产生超振荡光斑的结构示意图；
图2c是超振荡光斑的示意图；
图3是本申请实施例提供的高分辨单光子成像系统中的超振荡单元的结构示意图；
图4是本申请实施例提供的高分辨单光子成像系统中的回波接收单元的结构示意图；
图5是本申请实施例提供的高分辨单光子成像系统中的被动成像单元的结构示意图；
图6是本申请实施例提供的高分辨单光子成像方法的流程图。
具体实施方式
下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本申请进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本申请，而不是限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请更好的理解。
请参阅图2a，本申请第一方面实施例提供一种高分辨单光子成像系统100，用于对远距离的待测目标进行三维成像。高分辨单光子成像系统100包括激光发射单元1、超振荡单元2、回波接收单元3和光子探测单元4；其中，激光发射单元1用于发射脉冲激光；超振荡单元2包括超振荡元件21和聚焦组件22，超振荡元件21用于对脉冲激光进行调制，经过调制后的脉冲激光经过聚焦组件22的聚焦作用形成超振荡光斑F，超振荡光斑F从聚焦组件22投射至待测目标，经过待测目标的漫反射作用产生回波；聚焦组件22还用于接收待测目标产生的回波，并将回波传输至回波接收单元3；回波接收单元3用于提取回波的中心能量后使回波的中心能量部分传输至光子探测单元4；光子探测单元4用于将接收回波光信号转变为电信号。
可以理解是，一方面，本申请实施例中的聚焦组件22同时具备向待测目标发射脉冲激光和接收从待测目标反射的回波的作用，与采用两路光学器件分别实现激光发射功能和回波接收功能的系统相比，本申请实施例的高分辨单光子成像系统100的光路结构更加简单，重量更轻；另一方面，请参阅图2b和图2c所示，超振荡元件与聚焦透镜或者聚焦透镜组结合，能够产生如图2c所示的超振荡光斑F，这种光斑的中心亮斑F1尺寸小于艾里斑尺寸，旁瓣F2能量分布较高；本申请实施例采用超振荡元件21与聚焦组件22结合产生超振荡光斑F，在激光三维成像中，可提升成像分辨率。
请参阅图3，在一些实施例中，激光发射单元1包括激光器11和扩束组件12，激光器11用于发射脉冲激光，扩束组件12用于对激光器11发射的脉冲激光进行扩束，以使扩束后的脉冲激光填充满超振荡元件21的有效口径。
可以理解的是，激光能量比较集中，不能填充满超振荡元件21的有效口径，通过扩束组件12的作用可以是对脉冲激光进行扩束，使扩束后的脉冲激光能够填充满超振荡元件21的有效口径。
请继续参阅图3，在一些实施例中，扩束组件12包括用于对脉冲激光进行扩束的扩束透镜121和用于对扩束后的脉冲激光进行矫正的矫正透镜122。可以理解的是，通过扩束透镜121的作用，脉冲激光的直径变大，经过矫正透镜122的矫正作用，可以使脉冲激光平行出射。
请继续参阅图3，在一些实施例中，聚焦组件22包括沿着激光发射单元1的出射光路设置的第一分束镜221、扫描反射镜222和望远镜223；经过超振荡元件21调制的脉冲激光投射至第一分束镜221，通过第一分束镜221的分束作用，部分脉冲激光投射至扫描反射镜222，扫描反射镜222将接收到的脉冲激光反射至望远镜223，且扫描反射镜222的反射角度可调，从而可以通过扫描反射镜222控制整个高分辨单光子成像系统100的扫描角度，达到对待测目标进行扫描的目的；望远镜223用于接收从扫描反射镜222反射的激光脉冲，并对接收到的脉冲激光进行聚焦，以使从望远镜223出射的脉冲光束可以形成超振荡光斑F投射至待测目标；可以理解的是，在一些实施例中，脉冲激光从激光器11发出之后，先后经过扩束组件12、第一分束镜221、扫描反射镜222和望远镜223，激光器11、扩束组件12、第一分束镜221、扫描反射镜222和望远镜223一起构成激光发射子系统；脉冲激光投射到待测目标后，待测目标会产生漫反射，在本申请实施例中，望远镜223还用于接收待测目标产生的回波，并将接收的回波传输至扫描反射镜222，扫描反射镜222通将回波反射至第一分束镜221，第一分束镜221将回波分束至回波接收单元3；在一些实施例中，望远镜223、扫描反射镜222、第一分束镜221和回波接收单元3一起构成主动接收子系统。激光发射子系统和主动接收子系统共同部分光路结构，形成收发共口径的高分辨单光子成像系统100。
请继续参阅图3，在一些实施例中，望远镜223包括望远目镜2231，通过调节望远目镜2231可以改变望远目镜2231与扫描反射镜222之间的距离，以实现远距离聚焦的功能。
请继续参阅图3，在一些实施例中，望远镜223还包括望远物镜2232，望远物镜2232为离轴两反式望远物镜2232。可以理解的是，离轴两反式望远物镜2232可以消除高分辨单光子成像系统100的像差，并减少能量的损失。
请继续参阅图3，在一些实施例中，离轴两反式望远物镜2232包括沿着脉冲激光传播方向设置的第一反射镜S1和第二反射镜S2；第一反射镜S1用于对脉冲激光进行扩束并将扩束后的脉冲激光反射至第二反射镜S2；第二反射镜S2用于对脉冲激光进行缩束并将缩束后的脉冲激光投射至待测目标。
在一些实施例中，回波接收单元3包括沿着回波传播方向设置的聚焦透镜组31和光阑32；聚焦透镜组31用于对回波进行聚焦，光阑32用于阻挡回波的中心能量以外的其他能量，以将回波的中心能量传输至光子探测单元4。可以理解的是，超振荡光斑F的中心亮斑F1尺寸小于艾里斑尺寸，旁瓣F2能量分布较高，在进行单光子扫描成像时，可以只利用超振荡光斑F的中心亮斑F1，以此来提高扫描成像的分辨率；因此，本申请实施例中，通过设置光阑32，将中心亮斑F1附近的旁瓣F2能量阻挡住，仅使中心亮斑F1被光子探测单元4探测到，从而升成像分辨率。在一些实施例中，光阑32可以是孔径光阑32。
在一些实施例中，聚焦透镜组31包括沿着回波传播方向设置的第一聚焦透镜311和第二聚焦透镜312。当然，聚焦透镜组31的透镜组合不限于上述两片聚焦透镜，只要是能够实现聚焦的效果，还可以是其他透镜组合，例如焦距为80mm～150mm的透镜组合。
在一些实施例中，高分辨单光子成像系统100还包括被动成像单元5，被动成像单元5用于对待测目标进行普通成像，在扫描反射镜222与望远镜223之间的光路上设置有第二分束镜224，通过第二分束镜224的作用，望远镜223接收的回波的一部分被分束至被动成像单元5，另一部分被分束至扫描反射镜222，通过扫描反射镜222被反射至第一分束镜221，进而被第二分束镜224又一次分束，分数后的部分回波被传输至回波接收单元3。可以理解的是，通过设置被动成像单元5，可以对待测目标进行普通成像，便于使用者将普通成像与单光子扫描成像进行对比分析，提高整个高分辨单光子成像系统100的分析维度。
在一些实施例中，为了补充望远镜223产生的像差和消除自身像差，被动成像单元5包括沿着回波传播方向设置的、用于聚焦成像的第一透镜51、第二透镜52和胶合透镜53。其中，第一透镜51和第二透镜52用于汇聚光线，胶合透镜53用于校正像差。在胶合透镜53的出光光路上设置有用于成像的CCD。
在一些实施例中，在望远目镜2231与望远物镜2232之间的光路上设置有第三反射镜。第三反射镜用于校正离轴望远物镜焦面倾斜的问题。
在一些实施例中，超振荡元件21可以产生比聚焦艾里光斑更小的光斑(即直径小于聚焦艾里光斑的光斑)。具体的，超振荡元件21可以为表面具有微纳结构的微纳元件，或者能够产生贝塞尔光束的元件。
请参阅图6，本申请第二方面实施例提供一种高分辨单光子成像方法，应用于如上所述的高分辨单光子成像系统100，包括：
S1、激光发射单元1发射脉冲激光；激光发射单元1按照一定的频率发射脉冲激光；
S2、控制超振荡单元2按照亚像素扫描方式对待测目标进行扫描；通过改从变超振荡单元2出射的超振荡光斑F的出射角度，可以对待测目标的不同位置进行扫描，以达到遍历待测目标的目的；相邻两次扫描之间，待测目标被扫描到的区域有重叠，此为亚像素扫描；
S3、回波接收单元3接收待测目标产生的回波并对回波进行过滤；回波接收单元3将滤除掉回波的中心能量以外的其他能量，使回波的中心能量传输至光子探测单元4；
S4、光子探测单元4接收经过回波接收单元3过滤的回波光信号，并将回波光信号转变为电信号。
本申请实施例的单光子扫描成像方法按照亚像素扫描方式对待测目标进行扫描，结合收发共口径且能产生聚焦光斑的高分辨单光子成像系统100，可以提高单光子扫描成像的分辨率。
Claims (15)
1.高分辨单光子成像系统，其特征在于：包括激光发射单元、超振荡单元、回波接收单元和光子探测单元，
所述激光发射单元用于发射脉冲激光，
所述超振荡单元包括超振荡元件和聚焦组件，所述超振荡元件用于对所述脉冲激光进行调制，经过调制后的脉冲激光经过聚焦组件后形成超振荡光斑投射至待测目标并产生回波，
所述聚焦组件还用于接收待测目标产生的回波并将所述回波传输至所述回波接收单元，
所述回波接收单元用于提取回波的中心能量后将回波的中心能量传输给所述光子探测单元，
所述光子探测单元用于将接收回波光信号转变为电信号。
2.根据权利要求1所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述激光发射单元包括激光器和扩束组件，
所述激光器用于发射脉冲激光，
所述扩束组件用于对所述激光器发射的脉冲激光进行扩束，以使扩束后的脉冲激光填充满所述超振荡元件的有效口径。
3.根据权利要求2所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述扩束组件包括用于对脉冲激光进行扩束的扩束透镜和用于对扩束后的脉冲激光进行矫正的矫正透镜。
4.根据权利要求1所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述聚焦组件包括沿着所述激光发射单元的出射光路设置的第一分束镜、扫描反射镜和望远镜，
经过所述超振荡元件调制的脉冲激光通过所述第一分束镜后出射至所述扫描反射镜，
所述扫描反射镜用于将接收的光束反射至所述望远镜，所述扫描反射镜的反射角度可调，
所述望远镜用于对接收的脉冲激光进行聚焦以产生投射至待测目标的超振荡光斑，
所述望远镜还用于接收待测目标产生的回波，并将接收的回波传输至扫描反射镜，所述扫描反射镜将回波反射至所述第一分束镜，所述第一分束镜将回波分束至所述回波接收单元。
5.根据权利要求4所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述望远镜包括望远目镜，通过调节所述望远目镜可以改变所述望远目镜与所述扫描反射镜之间的距离。
6.根据权利要求5所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述望远镜还包括望远物镜，所述望远物镜为离轴两反式望远物镜。
7.根据权利要求6所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述离轴两反式望远物镜包括沿着脉冲激光传播方向设置的第一反射镜和第二反射镜，
所述第一反射镜用于对脉冲激光进行扩束并反射至所述第二反射镜，
所述第二反射镜用于对脉冲激光进行缩束并将缩束后的脉冲激光投射至待测目标。
8.根据权利要求1所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述回波接收单元包括沿着回波传播方向设置的聚焦透镜组和光阑，
所述聚焦透镜组用于对回波进行聚焦，
所述光阑用于阻挡回波的中心能量以外的其他能量，以将回波的中心能量传输至所述光子探测单元。
9.根据权利要求8所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述聚焦透镜组包括沿着回波传播方向设置的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜。
10.根据权利要求4所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：还包括被动成像单元，在所述扫描反射镜与所述望远镜之间的光路上设置有第二分束镜，所述第二分束镜用于将回波部分地分束至所述被动成像单元。
11.根据权利要求10所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述被动成像单元包括沿着回波传播方向设置的、用于聚焦成像的第一透镜、第二透镜和胶合透镜。
12.根据权利要求6所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：在所述望远目镜与所述望远物镜之间的光路上设置有反射镜。
13.根据权利要求1所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述超振荡元件可以产生直径小于聚焦艾里光斑的光斑。
14.根据权利要求13所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述超振荡元件为表面具有微纳结构的微纳元件或者能够产生贝塞尔光束的元件。
15.一种高分辨单光子成像方法，应用于权利要求1至14所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：包括
激光发射单元发射脉冲激光；
控制超振荡单元按照亚像素扫描方式对待测目标进行扫描；
回波接收单元接收待测目标产生的回波并对回波进行过滤；
光子探测单元接收经过回波接收单元过滤的回波光信号，并将回波光信号转变为电信号。
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|---|---|---|---|
| CN202211724760.8A Pending CN116840852A (zh) | 2022-12-30 | 2022-12-30 | 高分辨单光子成像系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116840852A (zh) |
-
2022
- 2022-12-30 CN CN202211724760.8A patent/CN116840852A/zh active Pending
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Legal Events
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