关联成像探测装置及系统的制作方法

本申请涉及关联成像技术领域，特别是涉及一种关联成像探测装置及系统。

背景技术：

鬼成像是一种新型成像技术，通过关联算法或压缩感知等方法复原出物体的像。相比与传统成像方式，鬼成像具有高灵敏度和低成本等优势，可以应用于遥感、激光雷达、视频监控等领域。

传统的关联成像系统中，常使用单透镜作为接收透镜，这导致调制后的光场被单透镜或其夹持件遮挡，影响成像质量。

技术实现要素：

基于此，有必要针对单透镜作为接收透镜导致调制后的光场被单透镜或其夹持件遮挡的问题，提供一种关联成像探测装置及系统。

本申请提供一种关联成像探测装置，包括：

第一透镜模块，用于接收携带目标信息的入射光场，所述入射光场经所述第一透镜模块后形成所述目标的第一实像；

第二透镜模块，设置于从所述第一透镜模块出射光线的光路上，用于接收所述第一实像，所述第一实像经所述第二透镜模块形成所述目标的第二实像，所述第二实像与所述第一实像共轭；

空间光调制模块，设置于从所述第二透镜模块出射光线的光路上，且位于所述第二实像所在平面，用于接收所述第二实像，并对所述第二实像进行空间调制，形成携带所述第二实像信息的调制光场；以及

接收模块，设置于所述空间光调制模块出射光线的光路上，用于接收所述调制光场并将所述调制光场转化为电信号。

在其中一个实施例中，所述接收模块包括：

第三透镜模块，设置于从所述空间光调制模块出射光线的光路上，用于汇聚所述调制光场；以及

探测器，设置于所述第三透镜模块的出射光线的光路上，用于接收汇聚后的所述调制光场，并将所述调制光场转化为电信号。

在其中一个实施例中，所述探测器为单像素探测器、电荷耦合元件(charge-coupleddevice，ccd)、互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)和多像素光子计数器(multipixelphotocounter，mppc)中的一种。

在其中一个实施例中，所述第三透镜模块包括汇聚透镜，所述汇聚透镜设置于从所述空间光调制模块出射光线的光路上，用于汇聚所述调制光场。

在其中一个实施例中，所述空间光调制模块包括数字微镜阵列(digitalmicro-mirrordevice，dmd)，所述数字微镜阵列设置于从所述第二透镜模块出射光线的光路上，且位于所述第二实像所在平面，用于接收所述第二实像，并对所述第二实像进行调制，形成携带所述第二实像信息的所述调制光场；或者

所述空间光调制模块包括吸收型调制器，所述吸收型调制器设置于从所述第二透镜模块出射光线的光路上，且位于所述第二实像所在平面，用于接收所述第二实像，并对所述第二实像进行调制，形成携带所述第二实像信息的所述调制光场，其中所述吸收型调制器包括超导材料模块。

在其中一个实施例中，所述第一透镜模块包括第一单透镜，用于接收携带目标信息的入射光场，所述入射光场经所述第一单透镜后形成所述目标的所述第一实像；或者

所述第一透镜模块包括第一胶合透镜，用于接收携带目标信息的入射光场，所述入射光场经所述第一胶合透镜后形成所述目标的所述第一实像；或者

所述第一透镜模块包括第一镜头组，所述第一镜头组包括多个镜头，所述多个镜头按照预设顺序依次设置于所述入射光场传输的光路上，用于接收携带目标信息的入射光场，所述入射光场经所述第一镜头组后形成所述目标的所述第一实像。

在其中一个实施例中，所述第二透镜模块包括第二单透镜，所述第二单透镜设置于从所述第一透镜模块出射光线的光路上，用于接收所述入射光场，所述入射光场经所述第二单透镜形成所述目标的所述第二实像；或者

所述第二透镜模块包括第二胶合透镜，所述第二胶合透镜设置于从所述第一透镜模块出射光线的光路上，用于接收所述入射光场，所述入射光场经所述第二胶合透镜形成所述目标的所述第二实像；或者

所述第二透镜模块包括第二镜头组，所述第二镜头组包括多个镜头，所述多个镜头按照预设顺序依次设置于从所述第一透镜模块出射光线的光路上，所述第二镜头组用于接收所述入射光场，所述入射光场经所述第二镜头组形成所述目标的所述第二实像。

在其中一个实施例中，所述单透镜为凸透镜，且所述凸透镜的像距大于所述第一透镜模块后焦距。

在其中一个实施例中，所述第二单透镜、所述第二胶合透镜和/或所述第二镜头组采用超材料制成。

基于同一发明构思，本申请还提供一种关联成像探测装置，包括：

至少三个第四透镜模块，用于接收携带目标信息的入射光场，所述入射光场经每个所述第四透镜模块后形成所述目标的一个实像，相邻两个所述第四透镜模块形成的所述实像共轭；

空间光调制模块，设置于从最后一个所述第四透镜模块出射光线的光路上，且位于最后一个所述实像所在平面，用于接收最后一个所述实像，并对最后一个所述实像进行空间调制，形成携带所述实像信息的调制光场；以及

接收模块，设置于所述空间光调制模块出射光线的光路上，用于接收所述调制光场并将所述调制光场转化为电信号。

基于同一发明构思，本申请还提供一种关联成像探测系统，包括上述实施例中任一所述的关联成像探测装置和计算装置，所述关联成像探测装置将携带目标信息的所述电信号传输至所述计算装置，所述计算装置根据所述电信号计算所述目标的像。

上述实施例提供的关联成像探测装置，通过第一透镜模块形成第一实像，并通过第二透镜模块在第二透镜模块远离第一实像的一侧形成第二实像，第二实像与第一实像共轭，空间光调制模块设置于第二实像所在位置。因此，第二透镜模块没有改变第一实像的性质，第二透镜模块的设置可以延长第一透镜模块与空间光调制模块之间的距离，从而避免单独使用第一透镜模块时，第一透镜模块遮挡经空间光调制模块调制后入射至接收模块的光线，可以提高关联成像探测装置获取的携带目标信息的电信号的完整性。

附图说明

图1为本申请实施例提供的第一种关联成像探测装置连接结构示意图；

图2为本申请实施例提供的第二种关联成像探测装置连接结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种关联成像探测装置光路结构示意图；

图4为本申请实施例提供的第三种关联成像探测装置连接结构示意图；

图5为本申请实施例提供的第四种关联成像探测装置连接结构示意图；

图6为本申请实施例提供的第五种关联成像探测装置连接结构示意图；

图7为本申请实施例提供的第六种关联成像探测装置连接结构示意图；

图8为本申请实施例提供的第七种关联成像探测装置连接结构示意图；

图9为本申请实施例提供的一种关联成像探测系统连接结构示意图。

附图标号说明

100关联成像探测装置

10第一透镜模块

110第一单透镜

120第一胶合透镜

130第一镜头组

20第二透镜模块

210第二单透镜

220第二胶合透镜

230第二镜头组

30空间调制模块

310数字微镜阵列

320吸收型调制器

40接收模块

410第三透镜模块

420探测器

50第四透镜模块

200计算装置

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参见图1，本申请提供一种关联成像探测装置100。关联成像探测装置100包括第一透镜模块10、第二透镜模块20、空间光调制模块30和接收模块40。第一透镜模块10用于接收携带目标信息的入射光场，入射光场经第一透镜模块10后形成目标的第一实像。第二透镜模块20设置于从第一透镜模块10出射光线的光路上，用于接收第一实像，第一实像经第二透镜模块20形成目标的第二实像，第二实像与第一实像共轭。空间光调制模块30设置于从第二透镜模块20出射光线的光路上，且位于第二实像所在平面，用于接收第二实像，并对第二实像进行空间调制，形成携带第二实像信息的调制光场。接收模块40设置于空间光调制模块30出射光线的光路上，用于接收调制光场并将调制光场转化为电信号。

可以理解，本申请提供的关联成像探测装置100可以应用于主动照明关联成像系统。在主动照明关联成像系统中，可以采用光源模块照射目标，光线入射至目标表面后被目标反射，形成第一透镜模块10的入射光场，其中入射光场携带了可以用于目标成像的目标信息。在其中一个实施例中，光源模块可以包括激光器，采用激光作为主动照明光源，可以提高第一透镜模块10入射光场的信噪比，进而提高关联成像探测装置100得到的电信号的质量，提高关联成像的效果。在其中一个实施例中，本申请提供的关联成像探测装置100还可以应用于被动照明关联成像系统。在被动照明关联成像系统中，无需设置光源模块。自然光照射至目标，经由目标表面反射后形成第一透镜模块10的入射光场。同理，被动照明关联成像系统中第一透镜模块10的入射光场同样携带了可以用于目标成像的目标信息。

可以理解，第一透镜模块10可以接收携带目标信息的入射光场，并在第一透镜模块10出射光线的一侧形成第一实像。形成第一实像的光场沿其原始传输方向继续传播，可以入射第二透镜模块20，并在第二透镜模块20远离第一实像的一侧形成第二实像。在本实施例中，第二实像与第一实像共轭，即第二实像与第一实像的性质相同。因此，第二透镜模块20的设置可以在不改变成像性质的前提下，延长第一透镜模块10与空间光调制模块30之间的距离，从而避免单独使用第一透镜模块10时，第一透镜模块10遮挡经空间光调制模块30调制后入射至接收模块40的光线，提高关联成像探测装置100得到的电信号的质量。

空间光调制模块30可以在主动控制下，通过空间光调制单元调制光场的某个参量。在其中一个实施例中，空间光调制模块30可以调制光场的振幅，从而将预设信息写入光波，达到光波调制的目的。空间光调制模块30可以设置于从第二透镜模块20出射光线的光路上，且位于第二实像所在平面。故空间光调制模块30可以用于接收第二实像，并对第二实像进行空间调制，形成携带第二实像信息的调制光场。可以理解，本申请对空间光调制模块30中空间光调制设备不作具体限定，只要其可以结合接收模块40实现关联成像电信号的获取即可。具体地，空间光调制模块30可以为数字微镜器件、声光偏转器或者超材料(可以是光操纵超材料)等。在其中一个实施例中，空间光调制模块30可以包括反射式空间光调制器(spatiallightmodulator，slm)，接收模块40可以设置于反射式空间光调制器的出射光路上。

接收模块40可以用于接收调制光场，其中调制光场包括可以用于进行关联成像计算的所需信息，接收模块40可以将携带目标信息的光信号转化为电信号，以使与接收模块40电连接的计算装置200可以根据接收到的电信号，结合控制系统发出的调制信号进行关联成像计算，从而得到目标的像。

上述实施例提供的关联成像探测装置100，可以通过第一透镜模块10在其出射光线的一侧形成第一实像。通过第二透镜模块20对第一实像进行进一步成像，即在第二透镜模块20远离第一实像的一侧形成第二实像，且第二实像与第一实像共轭，并空间光调制模块30设置于第二实像所在位置。因此，第二透镜模块20没有改变第一实像的性质，第二透镜模块20的设置可以延长第一透镜模块10与空间光调制模块30之间的距离，从而避免单独使用第一透镜模块10时，第一透镜模块10遮挡经空间光调制模块30调制后入射至接收模块40的光线，可以提高关联成像探测装置100获取的携带目标信息的电信号的完整性。

请一并参见图2-图3，在其中一个实施例中，接收模块40包括第三透镜模块410和探测器420。第三透镜模块410设置于从空间光调制模块30出射光线的光路上，用于汇聚调制光场。探测器420设置于第三透镜模块410的出射光线的光路上，用于接收汇聚后的调制光场，并将调制光场转化为电信号。可以理解，经过空间光调制模块30反射后的光线具有一定的发散性，为了保证探测器420可以获取携带目标信息的全部光信号，可以设置第三透镜模块410对调制光场进行汇聚和整形。其中，第三透镜模块410的具体位置、包括的透镜数量及参数，均可以根据空间光调制模块30以及探测器420的位置设置和型号进行选择，本申请对此不作具体限制。在其中一个实施例中，第三透镜模块410可以包括汇聚透镜，汇聚透镜设置于从空间光调制模块30出射光线的光路上，用于汇聚调制光场。在另外一个实施例中，第三透镜模块410还可以包括镜头组件、单一孔径的单透镜、透镜组、多个柱面镜组成或者多个球面镜组成等，只要其可以实现对调制光场进行汇聚和整形即可。

在其中一个实施例中，探测器420可以为单像素探测器。单像素探测器适用于无需阵列式探测器的间接成像方式，其结合空间光调制模块30可以代替传统成像方案中的探测器阵列，获取携带目标信息的光场强度关联信息。可以理解，空间光调制模块30对光场进行调制后，形成调制光场，调制光场经过第三透镜模块410，可以全部由单像素探测器接收，并转化为电信号。将单像素探测器连接计算装置200，计算装置200可以将携带目标信息的电信号与控制系统发出的调制信号进行计算(关联运算或压缩感知算法等)，从而得到目标的像。可以理解，相比与传统几何成像方式，采用单像素相机进行关联成像具有高灵敏度以及低成本等优势，可以应用于遥感、侦查以及地质勘探等领域。在另外一个实施例中，探测器420还可以为电荷耦合元件(charge-coupleddevice，ccd)、互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)和多像素光子计数器(multipixelphotocounter，mppc)中的一种，只要其可以满足关联成像探测装置100的探测需求，即结合空间光调制模块30可以获取携带目标信息的光场强度关联信息即可。需要说明的是，本申请对探测器420的具体类型不作限定，只要其可以接收汇聚后的调制光场，并将调制光场转化为电信号，则均在本申请的保护范围之内。

请一并参见图4，在其中一个实施例中，空间光调制模块30包括数字微镜阵列310，数字微镜阵列310设置于从第二透镜模块20出射光线的光路上，且位于第二实像所在平面，用于接收第二实像，并对第二实像进行调制，形成携带第二实像信息的调制光场。数字微镜阵列310为一种由多个微米尺寸的铝镜阵列组成的光调制器件，每一个微镜都只具有两个状态——开态和关态(即绕其对角线旋转+12°和-12°)，可以对光进行特定的振幅调制。在本实施例中，携带目标信息的光首先经第一透镜模块10形成第一实像，第一实像经第二透镜模块20成像至数字微镜阵列310上形成第二实像，通过数字微镜阵列310对第二实像进行振幅调制。在其中一个实施例中，每次测量时可以将数字微镜阵列310上预先设定的微镜翻转+12°，从而将调制后的光旋转24°后反射至汇聚透镜上进行聚焦，并通过单像素探测器进行探测。可以理解，数字微镜阵列310具有全数字化和高像质的优点，可以实现对第二实像的精确振幅调制，从而保证关联成像的成像质量。

在另外一个实施例中，空间光调制模块30包括吸收型调制器320，吸收型调制器320设置于从第二透镜模块20出射光线的光路上，且位于第二实像所在平面，用于接收第二实像，并对第二实像进行调制，形成携带第二实像信息的调制光场，其中吸收型调制器320包括超导材料模块。在其中一个实施例中，空间光调制模块30还可以包括低温型lcos空间光调制器、反射式空间光调制器、透射式空间光调制器等任意空间光调制器的一种，并可以根据空间光调制器的类型对光路结构进行适应性调整。需要说明的是，本申请对空间光调制模块30中包括的空间光调制器的类型不作具体限定，只要其可以实现对第二实像进行空间调制，形成携带第二实像信息的调制光场，则均在本申请的保护范围之内。

请一并参见图2-图5，在其中一个实施例中，第一透镜模块10包括第一单透镜110，用于接收携带目标信息的入射光场，入射光场经第一单透镜110后形成目标的第一实像。或者，第一透镜模块10包括第一胶合透镜120，用于接收携带目标信息的入射光场，入射光场经第一胶合透镜120后形成目标的第一实像。或者，第一透镜模块10包括第一镜头组130，第一镜头组130包括多个镜头，多个镜头按照预设顺序依次设置于入射光场传输的光路上，用于接收携带目标信息的入射光场，入射光场经第一镜头组130后形成目标的第一实像。

在其中一个实施例中，第二透镜模块20包括第二单透镜210，第二单透镜210设置于从第一透镜模块10出射光线的光路上，用于接收入射光场，入射光场经第二单透镜210形成目标的第二实像。在本实施例中，第一透镜模块10可以包括第一镜头组130。在其中一个实施例中，第二单透镜210为凸透镜，且凸透镜的像距大于第一透镜模块10后焦距。

请一并参见图6-图7，在其中一个实施例中，第二透镜模块20包括第二胶合透镜220，第二胶合透镜220设置于从第一透镜模块10出射光线的光路上，用于接收入射光场，入射光场经第二胶合透镜220形成目标的第二实像。或者，第二透镜模块20包括第二镜头组230，第二镜头组230包括多个镜头，多个镜头按照预设顺序依次设置于从第一透镜模块10出射光线的光路上，第二镜头组230用于接收入射光场，入射光场经第二镜头组230形成目标的第二实像。可以理解，在第二透镜模块20中，可以使用第二胶合透镜220或者第二镜头组230代替第二单透镜210。在其中一个实施例中，第二单透镜210、第二胶合透镜220和/或第二镜头组230采用超材料制成，且第一单透镜110、第一胶合透镜120、第一镜头组130也可以采用超材料制成。需要说明的是，第一透镜模块10中的第一单透镜110、第一胶合透镜120、第一镜头组130以及第二透镜模块20中的第二单透镜210、第二胶合透镜220、第二镜头组230之间可以进行任意组合，本申请的附图对此不进行限定。

可以理解，若仅使用单透镜作为接收镜头时，会在成像时存在像差，导致成像模糊，而镜头组作为接收镜头时可以减小像差，但是，由于镜头组的后焦较短，空间光调制模块30对目标的像进行调制后，形成的调制光场在传输过程中容易被镜头组或镜头组的夹持件遮挡，影响单像素探测器信号的探测，从而影响关联成像的效果。通过在接收光路中采用第一透镜模块10和第二透镜模块20的结合代替单一的单透镜，其中第一透镜模块10和/或第二透镜模块20可以包括一个或多个共轴的单透镜或镜头组。在其中一个实施例中，可以在第一单透镜110出射光线的光路上设置第二单透镜210，通过第一单透镜110和第二单透镜210的结合，可以防止空间光调制模块30对目标成像调制后反射的调制光场被镜头组遮挡，可以提高关联成像的效果。

在其中一个实施例中，携带目标信息的光首先通过第一单透镜110(或第一胶合透镜120、第一镜头组130)形成第一实像，随后第一实像通过第二单透镜210(或第二胶合透镜220、第二镜头组230)后，在第一实像相对与第二单透镜210的共轭面成第二实像，空间光调制模块30可以设置于第二实像的位置，并对第二实像进行空间调制。可以理解，通过选择合适焦距的第二单透镜210，可以实现对第二单透镜210以及空间光调制模块30之间距离的控制，从而可以防止空间光调制模块30后的反射光被第二单透镜210或第一单透镜110中的镜头组遮挡，可以提高关联成像的效果。

请一并参见图8，基于同一发明构思，本申请还提供一种关联成像探测装置100。关联成像探测装置100包括至少三个第四透镜模块50、空间光调制模块30和接收模块40。至少三个第四透镜模块50用于接收携带目标信息的入射光场，入射光场经每个第四透镜模块50后形成目标的一个实像，相邻两个第四透镜模块50形成的实像共轭。空间光调制模块30设置于从最后一个第四透镜模块50出射光线的光路上，且位于最后一个实像所在平面，用于接收最后一个实像，并对最后一个实像进行空间调制，形成携带实像信息的调制光场。接收模块40设置于空间光调制模块30出射光线的光路上，用于接收调制光场并将调制光场转化为电信号。在本实施例中，本申请对第四透镜模块50的数量不作具体限定，可以根据关联成像探测装置100的需要进行设置。

请一并参见图9，基于同一发明构思，本申请还提供一种关联成像探测系统，包括上述实施例中任一的关联成像探测装置100和计算装置200，关联成像探测装置100将携带目标信息的电信号传输至计算装置200，计算装置200根据电信号计算目标的像。可以理解，关联成像探测装置100可以为上述实施例中任一的关联成像探测装置100，在此不再赘述。在其中一个实施例中，计算装置200可以包括控制模块和信号处理模块，且控制模块和信号处理模块电连接。其中，控制模块可以作为关联成像探测系统的控制系统，可以生成调制信号并发送至空间光调制模块30。信号处理模块可以接收关联成像探测装置100输出的携带目标信息的电信号，并结合调制信号进行关联计算，获得目标的像。在其中一个实施例中，计算装置200可以为微控制单元或计算机等，其可以应用现有技术中各类关联成像算法或压缩感知算法等对关联成像探测装置100输出的电信号进行处理，从而获得目标的图像。可以理解，利用关联成像算法或压缩感知算法进行调制信号和电信号的运算实现过程可参照在现有文献中的方法，在此不做赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。