CN215072656U - 基于单光子灵敏度的夜视成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于单光子灵敏度的夜视成像系统，包括图像传感器，上述图像传感器前端设有摆镜单元，上述摆镜单元与接收信号光的采光系统相对应，上述摆镜单元后端设有与图像传感器对应的扩束单元，上述摆镜单元用于将采光系统输出的入射光束分割成N份，并分时传输到扩束单元，上述扩束单元用于将入射光束扩束后传递至图像传感器；上述图像传感器包括光子探测器，由光子探测器作为图像传感器的像素，上述图像传感器将待处理信号传输至分析系统，由分析系统通过信号数据获取图像信息，以期望通过夜视成像系统，使成像系统能够达到单光子量级，并克服使用单光子探测器成像时分辨率不足的问题。

Description

基于单光子灵敏度的夜视成像系统

技术领域

本实用新型涉及夜视成像技术，具体涉及一种基于单光子灵敏度的夜视成像系统。

背景技术

现有的夜视成像技术主要通过CMOS图像传感器将镜头采集到的光信号转化为电子信号，当光信号照射到CMOS图像传感器时，发生光电效应在像素单元内产生相应的电荷，由行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器，并转换成数字图像信号输出。

在暗夜环境下使用CMOS图像传感器一般成像为单色图像；是因为CMOS图像传感器主要采用被动成像的工作形式，在微光条件下, CMOS图像传感器的感光灵敏度不高,彩色图像的形成需要采用滤镜对光束进行过滤，会导致作用在CMOS图像传感器上的光束强度再次降低，由此，可能会导致CMOS图像传感器在感光过程中受限，可能无法形成清晰图像。

随着科学进步，逐步采用矩阵APD作为图像传感器，虽然APD图像传感器能够在较低的单光子量级上进行成像，但是矩阵APD的像素量分布远不如CMOS图像传感器，虽然能够在暗夜环境中的图像采集，但是受限于APD的像素量不足，故在实际运用过程中需要增加图像传感器上APD的集成数量以满足像素需求，但是该方式容易导致APD图像传感器的体积增大；在相同体积下，APD图像传感器的分辨率远低于CMOS图像传感器，且APD图像传感器的体积也会直接影响成像系统安装难度和运用场景，因此，如何在单光子灵敏度的前提下进行成像，保持良好的成像品质并降低APD的集成数量是值得研究的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于单光子灵敏度的夜视成像系统，以期望通过夜视成像系统，使成像系统能够达到单光子量级，并克服使用单光子探测器成像时分辨率不足的问题。

为解决上述的技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于单光子灵敏度的夜视成像系统，包括图像传感器，上述图像传感器前端设有摆镜单元，上述摆镜单元与接收信号光的采光系统相对应，上述摆镜单元后端设有与图像传感器对应的扩束单元，上述摆镜单元用于将采光系统输出的入射光束分割成N份，并分时传输到扩束单元，上述扩束单元用于将入射光束扩束后传递至图像传感器；上述图像传感器包括光子探测器，由光子探测器作为图像传感器的像素，上述图像传感器将待处理信号传输至分析系统，由分析系统通过信号数据获取图像信息。

进一步的技术方案是，上述光子探测器与光子计数器之间还设有处理电路，上述处理电路包括脉冲放大器、脉冲展宽电路、比较器，上述脉冲放大器用于将光子探测器输出的电脉冲信号放大；上述脉冲展宽电路用于宽展放大后的电脉冲信号；上述比较器用于将电脉冲信号转换成标准电平，由光子计数器对比较器输出的电脉冲信号进行光子计数。

更进一步的技术方案是，上述图像传感器上还设有阈值调节器，上述阈值调节器与比较器信号连接，由阈值调节器设置比较器的阈值参数。

作为优选，上述摆镜单元包括摆镜和闭环反馈系统，通过闭环反馈系统控制摆镜在轴向和纵向上摆动。

进一步的技术方案是，上述摆镜入射光束反射到扩束单元，上述扩束单元为扩束镜，上述扩束镜用于将入射光束扩束至与图像传感器相对应。

作为优选，上述摆镜单元前端或后端设有光衰减器，由光衰减器调节信号光的光束强度至设备工作范围内。

作为优选, 上述图像传感器与扩束单元之间设有滤光片，由滤光片过滤入射光束的色彩。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果至少是如下之一：

本实用新型能够在暗夜环境下，能够对单光子量级进行成像，同时显著降低了图像传感器的设计尺寸。通过在图像传感器中设置处理电路，达到了单光子的灵敏度，便于实现远距离成像；同时实现高分辨率的成像。本实用新型通过分时成像，可以配置滤光片，从而在暗夜环境下能够在微光状态下达到夜视成像效果，并获得高分辨率的彩色图像。

附图说明

图1为本实用新型系统组成示意图。

图2为本实用新型光子探测器分布示意图。

图3为本实用新型滤光片的安装示意图。

图4为本实用新型图像传感器输出结构示意图。

附图标记说明：

1-图像传感器、2-摆镜单元、3-扩束单元、4-光子探测器、5-光子计数器、6-光衰减器、7-滤光片。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1：

参考图1至图4所示，本实用新型的一个实施例是，一种基于单光子灵敏度的夜视成像系统，上述图像传感器1前端设有摆镜单元2，上述摆镜单元2与接收信号光的采光系统相对应，上述摆镜单元2后端设有与图像传感器1对应的扩束单元3，上述摆镜单元2用于将采光系统输出的入射光束分割成N份，并分时传输到扩束单元3，上述扩束单元3用于将入射光束扩束后传递至图像传感器1；上述图像传感器1包括光子探测器4，由光子探测器4作为图像传感器1的像素，上述图像传感器1将待处理信号传输至分析系统，由分析系统通过信号数据获取图像信息。

其中，采光系统为相机的成像镜头，通过成像镜头输出成像光束到摆镜单元2。

其中，图像传感器1选用光子探测器4对光子量级的入射光束进行探测，其光子探测器4是借助电场作用使结型半导体产生载流子雪崩倍增效应的高灵敏度光电器件。将光子探测器4设置在盖革模式下工作,其光子探测器4具有良好的光感灵敏度，能够采用主动探测入射光束的信号，从量级上说，能够实现单光子量级探测。具体的说，入射光束的光子中含有能量，其能量可以被光子探测器4吸收并产生“电子空穴对”,由于通过光子探测器4的电压在耗尽区会形成较高的电场，故载流子通过耗尽区时，将会被强电场加速而获得极大的动能, 从而产生碰撞电离效应，通过载流子碰撞半导体的晶格使之电离产生二次“电子空穴对”,且二次产生的“电子空穴对”又被继续加速产生更多的“电子空穴对”,从而形成载流子的雪崩倍增效应，从而光子探测器4在盖革模式能够得到足够的光感灵敏度和快速的响应时间，以满足系统运行。

其中，成像镜头输出的入射光束，通过摆镜单元2将入射光束的分割成N份，每次摆镜单元2的摆动将N分之一的入射光束反射到扩束单元3上，由扩束单元3将N分之一的反射光束的进行扩束，使N分之一的反射光束能够对应照射到图像传感器1；其N分之一的入射光束照射到图像传感器1上被光子探测器4完全探测；由图像传感器1进行成像。

其中，扩束单元3将反射的光束扩大到与图像传感器1对应的尺寸，通过摆镜单元2的N次摆动，能够将入射光束分时的反射到扩束单元3；并最终由图像传感器1将离散的单光子脉冲信号用于成像，从而图像传感器1在一定尺寸下，可获得良好分辨率的图像。

实施例2：

基于上述实施例，参考图2所示，本实用新型的另一个实施例是，上述图像传感器1包括载体101，上述光子探测器4呈阵列分布在载体上，上述夜视成像系统还包括光子计数器5，上述光子计数器5与光子探测器4相对应，由上述光子探测器4采集光信号并形成脉冲信号，由光子计数器5对脉冲信号进行计数并形成信号数据。

其中，载体101作为图像传感器1承载单元，将光子探测器4按照所需尺寸大小，呈阵列分布在载体上；其中图像传感器1上分布的光子探测器4数量越大，则摆镜单元2分割分割成N份的N值越小。

再通过光子计数器5来对光子量级的光束进行光子计数，在进行探测时每当有光子到达光子计数器5时，由光子计数器5根据脉冲进行光子计数，并将数据传递至分析系统，由分析系统对数据信号进行处理，最后得到图像数据。

例如，成像镜头捕捉一帧的图像的时间约40ms，即一次入射光束的持续时间约40ms；图像传感器1采用16X16分辨率的光子探测器4分布，一个光子探测器4为一个像素，即图像传感器1一次能够获得256个像素。摆镜将入射光束波前分割为3600份，通过将摆镜在40ms的时间内将分割为3600份的光束输送到扩束单元3，经扩束单元3扩束后传递到图像传感器1，通过图像传感器1后端的分析系统将图像传感器1获得的信号组成一帧的图像，则图像的像素量能够满足为1280X720的分辨率。

例如，成像镜头捕捉一帧的图像的时间约40ms，即一次入射光束的持续时间约40ms；图像传感器1采用25X25分辨率的光子探测器4分布，即图像传感器1一次能够获得625个像素，则摆镜将入射光束波前分割为1475份，通过将摆镜在40ms以内摆动1475次，通过摆镜在将分割为1475份的光束全部反射到扩束单元3，经扩束单元3扩束后，形成1280X720的分辨率的一帧图像。

进一步的，上述光子探测器4与光子计数器5之间还设有处理电路，上述处理电路包括脉冲放大器、比较器，上述脉冲放大器用于将光子探测器4输出的电脉冲信号放大；上述比较器用于将电脉冲信号转换成标准电平，由光子计数器5对比较器输出的电脉冲信号进行光子计数。

通过比较器将电脉冲信号转换成标准电平，一方面标准电平利于光子计数器5进行技术，另一方面有助于后端光子计数器5基于脉冲宽度鉴别可能出现的伪脉冲。

更进一步的，上述处理电路上还设有阈值调节器，上述阈值调节器与比较器信号连接，由阈值调节器设置比较器的阈值参数。通过阈值调节器对比较器需要筛选的脉冲进行初步筛选，避免光子计数器5记录将超过阈值范围外的脉冲信号。其中，光子计数器5记录的数据以数字显示，并以数字信号形式直接输入分析系统进行分析处理；由分析系统通过结合对应算法对数据信号进行处理形成图像数据，最后可以将图像数据转化为可读数据在计算机显示器上进行显示。

实施例3：

基于上述实施例，本实用新型的另一个实施例是，上述摆镜单元2包括摆镜和闭环反馈系统，通过闭环反馈系统控制摆镜在轴向和纵向上摆动；其中，信号光通过成像镜头产生成像的入射光束，利用摆镜轴向和纵向摆动便于将入射光束进行轴向和纵向上的分割。

其中，通过闭环反馈系统为现有系统单元，通过闭环反馈系统控制摆镜摆动，通过闭环反馈系统修正偏差值，从而根据分割需求，通过摆镜对入射光束进行分割，当受控的摆镜将分割后的任意一份入射光束送达扩束单元3，其闭环反馈系统的CPU控制摆镜根据设定目标值发出新的指令，使摆镜再次摆动，达到分时射出效果。值得重视的是，摆镜单元2除闭环反馈系统外，还能适配开环控制系统。

进一步的，上述摆镜反射入射光束到扩束单元3，上述扩束单元3为扩束镜，上述扩束镜用于将入射光束扩束，并使入射光束与图像传感器1的尺寸相对应。

其中，扩束镜可以调节光束的发散角，具体的说，经摆镜反射后的入射光束能够被分割成N分，每一份被分割的光束的发散角不能直接对应图像传感器1，为了便于图像传感器1采集，被摆镜分割后的入射光束由扩束镜进行扩束后，入射光束能够与图像传感器1的对应相尺寸；从而获得良好的匹配效果。扩束镜将入射光束传递到图像传感器1上，从而保证图像传感器1上的光子探测器能够对入射光束进行良好探测。

实施例4：

基于上述实施例，本实用新型的另一个实施例是，上述摆镜单元2前端或后端设有光衰减器6，由光衰减器6调节信号光的光束强度至设备工作范围内；其中光衰减器6是现有商品，主要光衰减器6通过对光照参数超过系统工作范围的光束强度进行调节，以确保系统能够在不同的光照环境下进行使用。

实施例5：

基于上述实施例，本实用新型的另一个实施例是，上述图像传感器1与扩束单元3之间设有滤光片7，由滤光片7过滤入射光束的色彩；其中，滤光片7为现有光学元件，通过滤光片7将光束过滤为红、绿、蓝三种色彩，由于一个光子探测器4为一个像素，将滤光片7的分为红色滤光镜、蓝色滤光镜和绿色滤光镜。将每个像素对应一种颜色的滤光镜，并在图像传感器1前形成阵列，其滤光片7的红色滤光镜、蓝色滤光镜和绿色滤光镜可以采用现有的Bayer阵列。

需要注意的是，滤光片7虽然会降低光强，但是对于能够采集光子量级的光子探测器4来说， 其影响微乎其微，故在暗夜状态下，也能获得具有色彩的图像。

实施例6：

基于上述实施例，本实用新型的一个实施例是操作实施例，一种夜视成像方法，将入射光束通过摆镜单元2分割为N份，且每份光束均通过扩束的方式传递到图像传感器1，使扩束后的光束与图像传感器1匹配，在设定时间内使摆镜单元2在横向和纵向上摆动N次，使图像传感器1获得自身N倍的像素量。

进一步的，配合夜视成像系统，首先确定图像传感器1上的尺寸，将光子探测器4集成在图像传感器1上，且光子探测器4呈阵列分布，使图像传感器1的每一个像素都具有单光子量级的灵敏度，完成图像传感器1的安装；然后调整摆镜单元2和扩束单元3，使摆镜单元2与扩束单元3对应，调整扩束单元3的镜片，使扩束单元3扩束后的光束与图像传感器1尺寸对应；即扩束后的光的焦平面和图像传感器1相重合，并且形成完全覆盖。

例如，确定图像传感器1上的尺寸后，将光子探测器4集成在图像传感器1上，且光子探测器4呈阵列分布，完成图像传感器1的安装，其中每个光子探测器4为一个像素，且光子探测器4便于使用盖革模式。

需要注意的是，可以在图像传感器1的后端增加光子计数器5，使一个光子计数器5对应一个光子探测器4，从而获得光子计数数据。

调整摆镜单元2和扩束单元3，其中，调整摆镜单元2摆动范围、反射光束的弧面、以及反射形式，使摆镜单元2能够将光束反射到扩束单元3上，即摆镜单元2出射光束进入扩束单元3的视场角范围内；调整扩束单元3的镜片，调整扩束单元3的焦距、弧面、透镜组的厚度，以及扩束角度，使光束经过扩束单元3扩束后与图像传感器1尺寸对应。通过摆镜单元2将光束分割为N份，使N分之一的光束的能够被图像传感器1采集。

由于摆镜单元2反射的光束无法直接与图像传感器1匹配，需要通过扩束单元3对反射光束进行扩束。通过摆镜单元2在一定时间内使摆镜单元2摆动N次，获得N倍于图像传感器1像素量的分辨率。在实际操作过程中，用户根据的成像分辨率来确定N值：

例如，图像传感器1像素量确定的情况下， N值越大，摆则成像分辨率越高；同理，图像传感器1像素量恒定，则N值越小，则成像分辨率越低。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、 “实施例”、“优选实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本实用新型的范围内。

尽管这里参照本实用新型的多个解释性实施例对本实用新型进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (8)

1.一种基于单光子灵敏度的夜视成像系统，包括图像传感器（1），其特征在于：所述图像传感器（1）前端设有摆镜单元（2），所述摆镜单元（2）与接收信号光的采光系统相对应，所述摆镜单元（2）后端设有与图像传感器（1）对应的扩束单元（3），所述摆镜单元（2）用于将采光系统输出的入射光束分割成N份，并分时传输到扩束单元（3），所述扩束单元（3）用于将入射光束扩束后传递至图像传感器（1）；所述图像传感器（1）包括光子探测器（4），由光子探测器（4）作为图像传感器（1）的像素，所述图像传感器（1）将处理信号传输至分析系统，由分析系统通过信号数据获取图像信息。

2.根据权利要求1所述的基于单光子灵敏度的夜视成像系统，其特征在于：所述图像传感器（1）包括载体（101），所述光子探测器（4）呈阵列分布在载体上，所述夜视成像系统还包括光子计数器（5），所述光子计数器（5）与光子探测器（4）相对应，由所述光子探测器（4）采集光信号并形成脉冲信号，由光子计数器（5）对脉冲信号进行计数并形成信号数据。

3.根据权利要求2所述的基于单光子灵敏度的夜视成像系统，其特征在于：所述光子探测器（4）与光子计数器（5）之间还设有处理电路，所述处理电路包括脉冲放大器、比较器，所述脉冲放大器用于将光子探测器（4）输出的电脉冲信号放大；所述比较器用于将电脉冲信号转换成标准电平，由光子计数器（5）对比较器输出的电脉冲信号进行光子计数。

4.根据权利要求3所述的基于单光子灵敏度的夜视成像系统，其特征在于：所述处理电路上还设有阈值调节器，所述阈值调节器与比较器信号连接，由阈值调节器设置比较器的阈值参数。

5.根据权利要求1所述的基于单光子灵敏度的夜视成像系统，其特征在于：所述摆镜单元（2）包括摆镜和闭环反馈系统，通过闭环反馈系统控制摆镜在轴向和纵向上摆动。

6.根据权利要求5所述的基于单光子灵敏度的夜视成像系统，其特征在于：所述摆镜入射光束反射到扩束单元（3），所述扩束单元（3）为扩束镜，所述扩束镜用于将入射光束扩束至与图像传感器（1）相对应。

7.根据权利要求1所述的基于单光子灵敏度的夜视成像系统，其特征在于：所述摆镜单元（2）前端或后端设有光衰减器（6），由光衰减器（6）调节信号光的光束强度至设备工作范围内。

8.根据权利要求1所述的基于单光子灵敏度的夜视成像系统，其特征在于：所述图像传感器（1）与扩束单元（3）之间设有滤光片（7），由滤光片（7）过滤入射光束的色彩。

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