CN107942338B - 一种基于数字微镜器件的多波长关联成像*** - Google Patents

一种基于数字微镜器件的多波长关联成像*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于数字微镜器件的多波长关联成像***，包括激光器、数字微镜器件、发射光学***、接收光学***、色散棱镜、线阵探测器、计算机；激光器输出超宽带激光脉冲，入射到数字微镜器件上；数字微镜器件接收计算机输出的调制信号，并将超宽带激光脉冲调制转换为赝热光脉冲；赝热光脉冲经发射光学***扩束、整形，照射到目标物体上，目标回波信号由接收光学***会聚及降采样后，被色散棱镜色散，之后照射到线阵探测器上转换为电信号。本发明利用数字微镜器件调制超宽带窄脉冲激光产生赝热光实现关联成像，可以仅通过线阵探测器获得目标物体的光谱图像信息和距离信息。

Description

一种基于数字微镜器件的多波长关联成像***
技术领域
本发明涉及光电成像领域，特别涉及一种基于数字微镜器件的多波长关联成像***。
背景技术
本发明所涉及的关联成像***，是一种利用量子纠缠光源、热光源或赝热光源照射目标、以获取目标空间分布信息的新体制成像***。该***使用量子纠缠光源、热光源或赝热光源产生具有时空关联特性的光束，该光束被分为两束，一束留在成像***内由面阵探测器监测其分布特性，另一束发射到目标上；目标反射光信号通过接收光学***会聚点探测器；对点探测器输出的电信号，和面阵探测器监测得到的光场分布信息进行符合测量，可以得出目标图像。相比传统成像***，关联成像可以使用点探测器获得高分辨率目标；同时，由于其不直接对目标进行空间分辨率测量，因此具有更强的抗扰动性能；此外，其***光路简洁，对加工工艺要求低、可靠性好，易于小型化，可用于多种平台，在军民领域具有极大的应用前景。
目前的关联成像***存在以下问题：量子纠缠光源或热光源产生效率不高、亮度低，难以适应远距离成像应用环境；获取目标信息单一，不利于目标识别；基于符合测量的图像重构算法解算速度慢、重构质量差，在常规成像场景下与传统成像***相比优势不明显，限制了关联成像***的实际应用。
发明内容
为解决以上难题，本发明提出一种基于数字微镜器件的多波长关联成像***。该成像***通过数字微镜器件对超宽带窄脉冲激光进行调制，产生超宽带赝热光脉冲。利用该赝热光脉冲照射目标进行主动式成像，可获取目标的距离、强度、光谱信息，提升了关联成像***性能，有利于目标识别。
一种基于数字微镜器件的多波长关联成像***，包括：
激光器、数字微镜器件、发射光学***、接收光学***、色散棱镜、线阵探测器、计算机；由激光器输出的超宽带窄脉冲激光，经数字微镜器件进行空间强度分布调制，产生超宽带赝热光脉冲；超宽带赝热光脉冲由发射光学***扩束整形，照射到被探测物体上，经反射后通过接收光学***会聚及降采样，再由色散棱镜分光，之后照射到线阵探测器上进行光电转换，获得待观测目标的回波强度信息以及光谱分布信息；线阵探测器将该信息输出至计算机，进行后续分析和处理。
进一步的，所述的激光器为超宽带窄脉冲激光器。
进一步的，所述的数字微镜器件为高速高分辨率数字微镜器件。
进一步的，所述的发射光学***及接收光学***为非球形透镜组成的光学望远镜***。
进一步的，所述的接收光学***中加入了小尺寸石英衬底金属膜掩膜板。
进一步的，所述的色散棱镜为阿米西棱镜。
进一步的，所述的线阵探测器是一维有序排列的光电探测器阵列或一维位置敏感光电探测器。
根据上述技术方案，本发明的有益效果为：
1.使用超宽带窄脉冲激光器作为发射光源，利用该超宽带窄脉冲激光器光谱范围宽、脉冲短的特性，照射目标进行主动式成像，可以同时获取目标的光谱信息以及高精度距离信息；
2.使用数字微镜器件对超宽带窄脉冲激光进行调制，数字微镜器件具有调制速率高、空间分辨率高、反射谱段宽、激光损伤阈值高，且可预先设置的特性，进而可输出亮度高、关联特性强的超宽带赝热光脉冲；
3.使用光学望远镜作为***发射及接收光学***，望远镜的设计采用非球形透镜，结构简单，且能够消除远场的像差，增加***的发射和接收能力；
4.在接收光学***成像面上加入掩膜板，对目标回波信号进行降采样，防止邻近采样点光谱混叠；同时通过改变掩膜板上孔洞尺寸，可调整***光通量、空间分辨率和光谱分辨率；
5.使用阿米西棱镜对目标回波信号进行色散，消除了普通三棱镜在色散时由于梯形畸变和笑脸畸变引起的信噪比降低，增大了***光通量，且减小了色散光线与入射光线的偏转角，***所有元件可以放置在一条直线上，***结构变得更加紧凑；
6.使用线阵探测器完成对目标的光谱成像，测量灵敏度及测量速率高、且不需要扫描机构即可获得二维光谱图像，简化了成像***。
附图说明
图1为基于数字微镜器件的多波长关联成像***示意图；
图2为本发明的***工作时序示意图；
图3为本发明的接收光学***示意图；
图4为本发明的阿米西棱镜的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，基于数字微镜器件的多波长关联成像***，包括激光器、数字微镜器件、发射光学***、接收光学***、色散棱镜、线阵探测器、计算机；激光器输出超宽带(所述超宽带指波长范围为380nm-2um)激光脉冲，入射到数字微镜器件上；数字微镜器件接收计算机输出的调制信号，并将激光脉冲调制转换为赝热光；赝热光经发射光学***扩束、整形，照射到目标物体上，目标回波信号由接收光学***会聚及降采样后，被色散棱镜色散，之后照射到线阵探测器上转换为电信号。根据所述电信号与计算机的调制信号，即可解算得出目标物体光谱图像信信息以及距离信息。所述的激光器1为超宽带窄脉冲激光器(所述超宽带指波长范围为380nm-2um，窄脉冲为时间小于等于200fs)；所述的数字微镜器件2为高速高分辨率数字微镜器件(当所述的数字微镜器件(2)为TI公司生产的Discovery系列微镜器件时，测试效果最佳)；所述的发射光学***3及接收光学***4为收发同轴一体光学望远镜***；所述的接收光学***4中加入了小尺寸石英衬底金属膜掩膜板(金属膜石英衬底掩膜板尺寸应小于等于2cm×2cm)；所述的色散棱镜5为阿米西棱镜；所述的线阵探测器6是一维有序排列的光电探测器阵列或一维位置敏感光电探测器(当所述的线阵探测器为Dalsa公司生产的线阵CCD时，测试效果最佳)。
如图2所示，给出了***工作时序关系图。首先由激光器1输出超宽带激光脉冲，并作为***测距计时开始信号；同时数字微镜器件按照计算机输出的随机信号矩阵，调制超宽带激光脉冲产生赝热光脉冲；该脉冲与目标相互作用后，回波信号由线阵探测器接收，作为***测距计时结束信号；同时线阵探测器输出的信号与随机信号矩阵进行关联测量，解算得出目标光谱图像。
如图3所示，给出了接收光学***4的示意图。接收光学***4中加入一个物镜8进行成像，收集来自目标的回波信号，然后再经过掩膜板9进行降采样，防止邻近采样点的光谱混叠，最后由透镜10进行光束整形，投射到色散棱镜5并由线阵探测器6完成光电转换。同时，接收光学***4中加入物镜8，将目标成像在掩膜板9上再进行采样，使***能够对远距离目标成像，同时缩小了掩膜板9尺寸，使整个***体积缩小，结构紧凑。
如图4所示，给出了阿米西棱镜示意图。阿米西棱镜由两个三棱镜组成，通过选择三棱镜的角度和材质，使色散后中心波长的光线出射角度和入射光线的光束平行。阿米西棱镜均匀的厚度减小了普通三棱镜引起梯形畸变，进而减少相机拍摄所需要的景深，因此可以增大相机的光圈，从而增大了***的光通量，提高***信噪比。同时，经阿米西棱镜散射的光线与入射光线偏转小，因此***中的所有元件可以放置在一条直线上，***结构变得更加紧凑。
与现有技术相比，本发明使用线阵探测器完成对目标的多波长四维关联成像，不需要扫描机构，简化了成像***，可在获取目标物体的四维图像信号，成像速度快、成像分辨率高；本发明使用超宽带窄脉冲激光进行照明，利用该超宽带窄脉冲激光光谱范围宽、脉冲短的特性，照射目标进行主动式成像，可以同时获取目标的光谱信息以及高精度距离信息；本发明使用数字微镜器件对超宽带窄脉冲激光进行调制，数字微镜器件具有调制速率高、空间分辨率高、反射谱段宽、激光损伤阈值高，且可预先设置的特性，进而可输出亮度高、关联特性强的超宽带赝热光脉冲；本发明使用光学望远镜作为***发射及接收光学***，望远镜的设计采用非球形透镜，结构简单，且能够消除远场的像差，增加***的发射和接收能力；本发明使用掩膜板在接收光学***的成像面上对目标回波信号进行降采样，防止邻近采样点光谱混叠；同时通过改变掩膜板上孔洞尺寸，可调整***光通量、空间分辨率和光谱分辨率；本发明使用阿米西棱镜对目标回波信号进行色散，消除了普通三棱镜在色散时由于梯形畸变和笑脸畸变引起的信噪比降低，增大了***光通量，且减小了色散光线与入射光线的偏转角，***所有元件可以放置在一条直线上，***结构变得更加紧凑；本发明使用线阵探测器完成对目标的光谱成像，测量灵敏度及测量速率高、且不需要扫描机构即可获得二维光谱图像，简化了成像***。
根据上述具体实施方式的介绍可知，本发明是一种基于数字微镜器件的多波长关联成像***，实施过程简单，并通过实际试验验证，效果明显，易于实现；使用本发明开展多波长关联成像试验，***搭建简便，试验周期短，在实验室开展，可随时进行压缩光照明主动成像试验；通过设置不同的参数、调整各组件结构，本发明可开展大范围、多平台以及多姿态下的多波长关联成像试验，为激光主动成像试验提供技术支持，在更多的信息维度获取更高的分辨率。
上述具体实施方式仅用于解释和说明本发明的权利要求，并不能构成对权利要求的限定。本领域技术人员应当清楚，在本发明的技术方案的基础上进行的任何简单的修改、变形或替换，而得到的新的技术方案，均将落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于数字微镜器件的多波长关联成像***，其特征在于：
所述***包括激光器(1)、数字微镜器件(2)、发射光学***(3)、接收光学***(4)、色散棱镜(5)、线阵探测器(6)、计算机(7)；由激光器(1)输出超宽带激光脉冲，入射到数字微镜器件(2)上；数字微镜器件(2)接收计算机(7)输出的调制信号，并根据所述调制信号将所接收的超宽带激光脉冲调制为赝热光脉冲；赝热光脉冲经发射光学***(3)扩束、整形，照射到目标物体上，目标回波信号由接收光学***(4)会聚及降采样后，被色散棱镜(5)色散，之后照射到线阵探测器(6)上转换为电信号；
所述的激光器(1)为波长覆盖可见光、近红外波段的超宽带窄脉冲激光器；其中，所述超宽带指波长范围为380nm-2um，窄脉冲指时间小于等于200fs；
所述发射光学***(3)及接收光学***(4)为收发同轴一体、由非球形透镜组成的光学望远镜；所述接收光学***(4)包括物镜、掩模板以及透镜，所述物镜进行成像，收集来自目标的回波信号，然后经过所述掩模 板进行降采样，最后由所述透镜进行光束整形；所述掩模板为金属膜石英衬底掩模 板，其中，金属膜石英衬底掩模 板尺寸小于等于2cm×2cm；
所述的色散棱镜(5)为阿米西棱镜，所述阿米西棱镜由两个三棱镜组成，通过选择三棱镜的角度和材质，使色散后中心波长的光线出射角度和入射光线的光束平行；
所述的线阵探测器(6)是一维有序排列的光电探测器或一维位置敏感光电探测器。
2.如权利要求1所述的基于数字微镜器件的多波长关联成像***，其特征在于：所述的数字微镜器件(2)为TI公司生产的Discovery系列微镜器件。
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