CN205029743U

CN205029743U - 一种被动式单像素望远成像系统

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Publication number: CN205029743U
Application number: CN201520757380.3U
Authority: CN
Inventors: 田勇志; 韩建辉; 梁二军
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2025-09-29

Abstract

本实用新型公开了一种被动式单像素望远成像系统，属于光学成像领域，包括依次设置在光路上的成像透镜、空间光调制器、光束会聚透镜和数据采集卡；空间光调制器设于成像透镜的成像处，光束会聚透镜位于空间光调制器的输出光的光路上；数据采集卡上设有光电转换芯片，数据采集卡和空间光调制器通过数据线与处理器连接。该成像系统结构简单、成像系统环境要求低，能够有效减少采集时间，实现低采样率下对目标图像的恢复。

Description

一种被动式单像素望远成像系统

技术领域

本发明属于光学成像领域，具体涉及一种被动式单像素望远成像系统。

背景技术

随着高像素CCD和CMOS等光敏传感器的发展，光学成像的空间分辨率越来越高，图像质量越来越精细。但图像传感器的像素提升已经开始受到工艺的限制，更高的像素带来单个像素尺寸锐减，造成感光面减小、噪声增加等不利因素，同时更高的像素要求更高性能的图像引擎，带来更高的功耗，也直接提升了硬件的复杂性，推高了成像系统的成本。

对于非可见光波段，特别是红外、毫米波和X光波段，大面积的图像传感器阵列制造非常困难，但这些波段的成像对于国防、工业和安全等行业有着重要作用。因此在没有大面阵成像器件的情况下，寻求上述波段高分辨率、低成本的成像方法及设备显得尤为迫切。

在图像传感器像素从几十万提升到几千万甚至几亿像素的同时，另一种成像思路——仅仅用单个像素成像的理论和技术也蓬勃发展。目前，单像素成像按照发展时间可以分为量子成像(鬼成像)[PittmanTB,ShihYH,StrekalovDV,etal.Opticalimagingbymeansoftwo-photonquantumentanglement[J].Phys.rev.a,1995,52(5):R3429-R3432]，基于压缩传感的单像素成像[DuarteMF,DavenportM/,TakharD,etal.Single-PixelImagingviaCompressiveSampling[J].IEEESignalProcessingMagazine,2008,25(2):83-91.]和基于傅里叶频谱采样的单像素成像[ZhangZ,MaX,ZhongJ.Single-pixelimagingbymeansofFourierspectrumacquisition.[J].NatureCommunications,2015,6]。

尽管上述方法都能够采用单像素探测器通过一定次数的光场测量获取目标物体的图像，但都有一定的不足：（1）量子成像是利用纠缠光子的关联性进行成像，有很强的抗干扰性，但需要扫描，测量时间特别长；（2）压缩传感单像素成像利用图像的稀疏性，相对来说测量时间较短，但算法求解过程非常复杂；（3）基于傅里叶频谱采样单像素成像最大的优势是算法特别简单，仅仅傅里叶逆变换，但现有技术需要将余弦结构光投射到目标物体上经物体反射再收集光强成像。傅里叶频谱采样单像素成像方法对于较近的物体成像质量最好，但对于较远（50m~几千米）的目标，投射余弦条纹较为困难，一是大气扰动造成条纹畸变，破坏了理论推导中条纹图案的完备性；二是投射过程中光线发散，光线到达目标表面，经物体反射后再次发散，到达探测器涵盖频谱变化的信号已经很难探测；三是对于较远物体，条纹投射需要精确聚焦目标上，对于较小物体特别困难；四是对于长距离透射，对比度会随着距离的增加而下降，最后条纹信号会淹没在噪声中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、成像环境要求低的被动式单像素望远成像系统。

基于上述目的，本发明采用以下技术方案：一种被动式单像素望远成像系统，包括依次设置在光路上的成像透镜、空间光调制器、光束会聚透镜和数据采集卡；空间光调制器设于成像透镜的成像处，光束会聚透镜位于空间光调制器的输出光的光路上；数据采集卡上设有光电转换芯片，数据采集卡和空间光调制器通过数据线与处理器连接。

进一步地，所述空间光调制器为数字微镜阵列（DMD）或液晶型空间光调制器。

进一步地，数字微镜阵列（DMD）的芯片像素数目为1024×768pixels，像素大小为13.68×13.68微米，液晶型空间光调制器像素数目为1920×1080pixels，振幅调制透射型。

进一步地，所述成像透镜包括同轴设置的主镜和副镜，主镜靠近空间光调制器，主镜的直径大于副镜的直径，主镜上与副镜相对的一面为抛物面，主镜中间设有小孔；副镜上与主镜相对的面为双曲面。目标物体的光线由主镜反射到副镜上，副镜将光线反射后通过小孔成像于空间光调制器上。

与上述成像系统对应的被动式单像素望远成像方法，其步骤为：

（1）目标物体透射或反射的光线经成像透镜在空间光调制器上面成像，调整成像透镜的位置及角度，让空间光调制器上的物像清晰；

（2）处理器控制空间光调制器移动和翻转，在空间光调制器上连续加载三幅不同相移量的余弦图像，实现对物像的调制，对于每一组频率分量(u,v)，三幅余弦图像对应的调制物像记为，x、y是目标物体的像素点坐标，u、v分别是x、y方向的频率，A为直流偏置量；由于余弦有负值，对于空间光调制器，尤其是数字微镜阵列（DMD）或液晶型空间光调制器来说，是无法表达负数的，通过引入直流偏置量A，可以保证调制图案为正值。

（3）调制后的物像的光线被空间光调制器反射或透射后，经过光束会聚透镜会聚以后打在光电转换芯片上，将光强信号转换为电压信号，数据采集卡采集电压信号后输送至处理器；对同一调制图像的光强I(u,v)进行5~30次采集并平均，与步骤（2）中加载的图像相对应的光强分别标记为I₀(u,v)，I₁(u,v)，I₂(u,v)；

（4）在获取同频率的余弦和正弦分量后，根据二维图像傅里叶变换，经过积分得到频率分量(u,v),，通过下列式子求解频谱F(u,v)：，j是虚数；

（5）根据频谱F(u,v)通过傅里叶逆变换即可得到图像。

进一步地，步骤（2）加载的三幅不同相移量的余弦图像包括两幅相差π/2相位的余弦图像和一幅全白的图像。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明提供的基于三步相移的被动式单像素望远成像系统，结构简单、成像系统环境要求低，能够有效减少采集时间，实现低采样率下对目标图像的恢复。

（2）现有的傅里叶频谱采样单像素成像系统需要将余弦结构光投射到目标物体上经物体反射再收集光强成像，对于较近的物体成像质量最好，但对于较远（50m~几千米）的目标，投射余弦条纹较为困难；与现有的基于傅里叶域采样的单像素望远成像系统相比，本发明提供的被动式单像素相机望远成像系统不需要主动光源投射余弦条纹，为被动式成像，成像距离大大增强，长距离成像抗干扰性增强，可以直接用于成像雷达。

（3）该成像系统在进行数据采集时，只需要光电转换芯片探测到光强的变化即可，因此可以利用该系统实现对强散射介质(如毛玻璃)等遮挡物后面的物体进行成像。

（4）光束会聚透镜有效会聚光线，增加光强，可提高探测信号比。

（5）本发明提供的被动式单像素望远成像系统只需探测到三幅图像的光强即可实现图像重建，恢复算法简单，图像重建速度快，对于大尺寸的图像也能完成拍摄和重建，在军事、遥感卫星、天文学和工程检测等宏观领域具有较高的应用价值。

附图说明

图1是被动式单像素望远成像系统的结构示意图；

图2是在实施例1的数字微镜阵列（DMD）上加载的图像；

图3是利用实施例1提供的装置对图像的拍摄结果；

图4是在实施例1提供的装置内放置毛玻璃后对图像的拍摄结构。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种被动式单像素望远成像系统，其结构如图1所示，包括依次设置在光路上的成像透镜、数字微镜阵列（DMD）3、光束会聚透镜4和数据采集卡8；数字微镜阵列（DMD）3设于成像透镜的成像处，光束会聚透镜4位于数字微镜阵列（DMD）3的输出光的光路上；数据采集卡8上设有光电转换芯片5，数据采集卡8和数字微镜阵列（DMD）3通过数据线6与处理器连接。

数字微镜阵列（DMD）3的芯片像素数目为1024×768pixels，像素大小为13.68×13.68微米。

所述成像透镜包括同轴设置的主镜2和副镜9，主镜2靠近数字微镜阵列（DMD）3，主镜2的直径大于副镜9的直径，主镜2上与副镜9相对的一面为抛物面，主镜2中间设有小孔21；副镜9上与主镜2相对的面为双曲面。目标物体的光线由主镜2反射到副镜9上，副镜9将光线反射后通过小孔21成像于数字微镜阵列（DMD）3上。

所述数据采集卡8为阿尔泰科技发展有限公司生产的PCI8211数据采集卡8，采集到的数据通过数据线传给处理器7进行储存计算。

所有数字微镜阵列（DMD）3在处理器7控制下均可以实现±12°的翻转，实时USB下载翻转速度最快可以达到每秒150次。

利用上述成像系统实现的被动式单像素望远成像方法，步骤为：

（1）远处目标物体1透射或者反射的光通过望远光路系统在数字微镜阵列（DMD）3上面成像，调整成像透镜的位置及角度，让数字微镜阵列（DMD）3上的物像清晰；

（2）通过处理器7控制在数字微镜阵列（DMD）3移动和翻转，使数字微镜阵列（DMD）3实现±12°的翻转；在数字微镜阵列（DMD）3上连续加载同一周期三幅不同相移量的余弦图像，加载如图2所示的图像，包括两幅相差π/2相位的余弦图像，分别记为1号和2号，一幅全白的图像记为0号，实现对物像的调制；对于每一组频率分量(u,v)，调制物像为，x、y是目标物体的像素点坐标；u、v分别是x、y方向的频率，A为直流偏置量。由于余弦有负值，对于数字微镜阵列（DMD）3来说，是无法表达负数的，通过引入直流偏置量A，可以保证调制图像为正值；

（3）调制后的图像被数字微镜阵列（DMD）3反射后，经过光束会聚透镜4会聚以后打在光电转换芯片5上，将光强信号转换为电压信号，数据采集卡8采集电压信号后输送至处理器7；对图2所示的每一幅调制图案的光强进行5-30次采集并平均，与该三幅图像的相对应的光强分别标记为I₀(u,v)，I₁(u,v)，I₂(u,v)；

（4）数据采集完成以后，可获取同频率的余弦和正弦分量，通过每三个光强数据可以得到一对与余弦图像对应的空间频率值，根据二维图像傅里叶变换，经过积分得到频率分量(u,v),，通过下列式子求解频谱F(u,v)：，j是虚数单位；

（5）处理器7根据频谱F(u,v)通过傅里叶逆变换即可得到图像。

实施例2

一种单像素相机望远成像系统，与实施例1的不同之处在于：沿光路在成像透镜和光束会聚透镜4之间设置的为振幅调制透射的液晶型空间光调制器。

利用上述成像系统实现的成像方法，与实施例1不同之处在于，步骤（3）中调制后的图像经空间光调制器透射后打到光束会聚透镜4上。

效果检测

利用实施例1提供的成像系统和成像方法对ZZU字母进行了拍摄和重建，其结果如图3所示。图3(a)所示为利用实施例1的成像系统对距离较远的ZZU字母拍摄，对所得数据处理以后得到的图像的频谱图，总共采集了图像4%的频谱，之后对该频谱进行了一次傅里叶逆变换，恢复的图像如图3（b）所示，拍摄图像尺寸为2562×56pixels。由恢复的结果可以看出，利用该成像系统可以实现在很低的采样率下很好地恢复出目标图像，且算法简单，只需探测到三幅图像的光强即可实现图像重建，对于大尺寸的图像也能完成拍摄和重建。

在实施例1提供的成像系统的数字微镜阵列（DMD）3和光束会聚透镜4之间设置一块毛玻璃，该毛玻璃平行于光束会聚透镜4，然后对ZZU字母进行了拍摄和重建，其结果如4所示。

图4（a）所示为利用实施例1的成像系统对ZZU字母拍摄，对所得数据处理以后得到的图像的频谱图，总共采集了图像4%的频谱，之后对该频谱进行了一次傅里叶逆变换，恢复的图像如图4（b）所示，拍摄图像尺寸为256×256pixels。，通过与图3对比可以看出，加了毛玻璃以后恢复的图像与没有加毛玻璃恢复的图像几乎没有任何差距，可以看出利用该成像系统可以实现对毛玻璃等遮挡物后面的物体进行成像。

Claims

1.一种被动式单像素望远成像系统，其特征在于，包括依次设置在光路上的成像透镜、空间光调制器、光束会聚透镜和数据采集卡；空间光调制器设于成像透镜的成像处，光束会聚透镜位于空间光调制器的输出光的光路上；数据采集卡上设有光电转换芯片，数据采集卡和空间光调制器通过数据线与处理器连接。

2.根据权利要求1所述的被动式单像素望远成像系统，其特征在于，所述空间光调制器为数字微镜阵列或液晶型空间光调制器。

3.根据权利要求2所述的被动式单像素望远成像系统，其特征在于，数字微镜阵列的芯片像素数目为1024×768pixels，像素大小为13.68×13.68微米。

4.根据权利要求3所述的被动式单像素望远成像系统，其特征在于，所述成像透镜包括同轴设置的主镜和副镜，主镜靠近空间光调制器，主镜的直径大于副镜的直径，主镜上与副镜相对的一面为抛物面，主镜中间设有小孔；副镜上与主镜相对的面为双曲面。