主动照明关联成像发射系统和主动照明关联成像系统的制作方法

本申请涉及关联成像技术领域，特别是涉及一种主动照明关联成像发射系统和主动照明关联成像系统。

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、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，常使用单透镜作为发射透镜，这导致激光器发射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发射透镜导致激光器发射的光场被单透镜或其夹持件遮挡的问题，提供一种主动照明关联成像发射系统和主动照明关联成像系统。

本申请提供一种主动照明关联成像发射系统，包括：

光源模块，用于发射激光光束；

空间光调制模块，设置于从所述光源模块出射光线的光路上，用于对所述激光光束进行空间调制，形成调制光场；

第一透镜模块，设置于从所述空间光调制模块出射光线的光路上，用于接收所述调制光场，所述调制光场经所述第一透镜模块形成第一实像；以及

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出射光场并照射至待测目标。

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，所述数字微镜阵列设置于从所述光源模块出射光线的光路上，用于对所述激光光束进行空间调制，形成所述调制光场。

在其中一个实施例中，所述第一透镜模块包括第一单透镜，所述第一单透镜设置于从所述空间光调制模块出射光线的光路上，用于接收所述调制光场，所述调制光场经所述第一单透镜形成所述第一实像；或者

所述第一透镜模块包括第一胶合透镜，所述第一胶合透镜设置于从所述空间光调制模块出射光线的光路上，用于接收所述调制光场，所述调制光场经所述第一胶合透镜形成所述第一实像；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，多个所述镜头共轴，所述调制光场经所述第一镜头组形成所述第一实像。

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，用于接收所述第一实像，所述第一实像经所述第二单透镜形成所述出射光场并照射至所述待测目标；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，用于接收所述第一实像，所述第一实像经所述第二胶合透镜形成所述出射光场并照射至所述待测目标；或者

所述第二透镜模块包括第二镜头组，所述第二镜头组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镜头组形成所述出射光场并照射至所述待测目标。

在其中一个实施例中，所述主动照明关联成像发射系统还包括光束整形模块，所述光束整形模块设置于所述第一透镜模块和所述第二透镜模块之间，用于遮挡除所述第一实像之外的其他衍射像。

在其中一个实施例中，所述光束整形模块包括光阑，所述光阑与所述第一透镜模块共轴，用于遮挡除所述第一实像之外的其他衍射像。

基于同一发明构思，本申请还提供一种主动照明关联成像发射系统，包括：

光源模块，用于发射激光光束；

空间光调制模块，设置于从所述光源模块出射光线的光路上，用于对所述激光光束进行空间调制，形成调制光场；

至少三个第三透镜模块，依次设置于从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，所述调制光场每经过一个所述第三透镜模块形成一个实像，所述实像经最后一个所述第三透镜模块形成出射光场并照射至待测目标。

基于同一发明构思，本申请还提供一种主动照明关联成像系统，包括：

光源模块，用于发射激光光束；

空间光调制模块，设置于从所述光源模块出射光线的光路上，用于对所述激光光束进行空间调制，形成调制光场；

第一透镜模块，设置于从所述空间光调制模块出射光线的光路上，用于接收所述调制光场，所述调制光场经所述第一透镜模块形成第一实像；

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出射光场并照射至待测目标；以及

接收模块，所述出射光场经所述待测目标反射后，形成携带所述待测目标信息的目标光场，所述接收模块设置于沿所述目标光场传输方向的光路上，用于接收所述目标光场，并根据所述目标光场得到所述待测目标的图像。

在其中一个实施例中，所述接收模块包括：

第四透镜模块，设置于沿所述目标光场传输方向的光路上，用于接收所述目标光场；

探测器，设置于从所述第四透镜模块出射光线的光路上，用于接收经所述第四透镜模块收集的所述目标光场，并将所述目标光场转化为携带所述待测目标信息的电信号；以及

计算装置，与所述探测器电连接，用于接收携带所述待测目标信息的电信号，并根据携带所述待测目标信息的电信号得到所述待测目标的图像。

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。

上述实施例提供的主动照明关联成像发射系统，可以通过空间光调制模块对光源模块输出的激光光束进行调制，形成调制光场。调制光场入射第一透镜模块，并在第一透镜模块出射光线的一侧形成第一实像。第一实像通过第二透镜模块，可以在第二透镜模块远离第一实像的一侧形成出射光场，即第一实像可以通过第二透镜模块投射至待测目标。因此，第一透镜模块的设置可以延长第二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二透镜模块时，第二透镜模块遮挡光源模块入射空间光调制模块的激光光束导致影响调制光场的分布以及关联成像效果。

附图说明

图1为本申请实施例提供的第一种主动照明关联成像发射系统连接关系示意图；

图2为本申请实施例提供的第二种主动照明关联成像发射系统连接关系示意图；

图3为本申请实施例提供的第三种主动照明关联成像发射系统连接关系示意图；

图4为本申请实施例提供的第四种主动照明关联成像发射系统连接关系示意图；

图5为本申请实施例提供的第五种主动照明关联成像发射系统连接关系示意图；

图6为本申请实施例提供的一种主动照明关联成像发射系统光路结构示意图；

图7为本申请实施例提供的第六种主动照明关联成像发射系统连接关系示意图；

图8为本申请实施例提供的第七种主动照明关联成像系统连接关系示意图；

图9为本申请实施例提供的一种主动照明关联成像系统的接收装置的连接关系示意图。

附图标号说明

100主动照明关联成像发射系统

10光源模块

20空间光调制模块

210数字微镜阵列

30第一透镜模块

310第一单透镜

320第一胶合透镜

330第一镜头组

40第二透镜模块

410第二单透镜

420第二胶合透镜

430第二镜头组

50光束整形模块

510光阑

60接收模块

610第四透镜模块

620探测器

630计算装置

70第三透镜模块

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。

鬼成像又称双光子成像或关联成像，是一种无须阵列式探测器的间接成像方法。即只要获取照射在待测目标上的光场分布，即可通过关联算法或压缩感知等方法复原出物体的像。其中，主动照明先调制鬼成像方法的原理如下：光源发出的光首先经过空间光调制器调制成已知且可控的调制光场，随后通过发射镜头投射在待测目标上。其中，接收镜头用于收集调制光场入射在待测目标后反射的光场，通过缺少空间分辨能力的单像素探测器探测光信号并转换为电信号。计算系统可以将收集到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)，得到目标物体的像。相比与传统成像方式，鬼成像具有高灵敏度、低成本等优势，可以应用于遥感、侦查以及勘探等领域。

请参见图1，本申请提供一种主动照明关联成像发射系统100。主动照明关联成像发射系统100包括光源模块10、空间光调制模块20、第一透镜模块30和第二透镜模块40。光源模块10用于发射激光光束。空间光调制模块20设置于从光源模块10出射光线的光路上，用于对激光光束进行空间调制，形成调制光场。第一透镜模块30设置于从空间光调制模块20出射光线的光路上，用于接收调制光场，调制光场经第一透镜模块30形成第一实像。第二透镜模块40设置于从第一透镜模块30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40形成出射光场并照射至待测目标。

可以理解，本申请对光源模块10输出激光的具体类型不作限定，只要其发射的激光光束可以满足主动照明关联成像要求即可。在其中一个实施例中，光源模块10可以包括激光器。通过采用激光作为主动照明光源，可以提高入射至空间光调制模块20光信号的信噪比，进而提高主动照明关联成像发射系统100投射至待测目标的出射光场质量，提高后续关联成像的效果。

空间光调制模块20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20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20可以设置于从光源模块10出射光线的光路上，并对输入的激光光束进行空间调制，形成调制光场。可以理解，本申请对空间光调制模块20中空间光调制设备不作具体限定，只要其可以结合光源模块10可以输出关联成像所需的调制光场即可。具体地，空间光调制模块20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20可以包括反射式空间光调制器(spatiallightmodulator，slm)，光源模块10输出的激光光束可以入射至反射式空间光调制器，经反射式空间光调制反射后形成调制光场，调制光场可以入射第一透镜模块30。

第一透镜模块30可以接收经空间光调制模块20输出的调制光场，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，并入射第二透镜模块40，且在第二透镜模块40远离第一实像的一侧形成出射光场投射至待测目标。因此，第一透镜模块30的设置可以延长第二透镜模块40与空间光调制模块20之间的距离，同时，也可以根据第二透镜模块40和空间光调制模块20之间的设置位置和参数对第一透镜模块30进行选型，即可以选择合适焦距的第一透镜模块30以使第一透镜模块30和空间光调制模块20之间的距离也保持适当。因此，第一透镜模块30的设置可以避免单独使用第二透镜模块40时，第二透镜模块40遮挡光源模块10入射至空间光调制模块20的激光光束导致影响调制光场的质量和完整度。

上述实施例提供的主动照明关联成像发射系统100，可以通过空间光调制模块20对光源模块10输出的激光光束进行调制，形成调制光场。调制光场入射第一透镜模块10，并在第一透镜模块10出射光线的一侧形成第一实像。第一实像通过第二透镜模块40，可以在第二透镜模块40远离第一实像的一侧形成出射光场，即第一实像可以通过第二透镜模块40投射至待测目标。因此，第一透镜模块30的设置可以延长第二透镜模块40与空间光调制模块20之间的距离，从而避免单独使用第二透镜模块40时，第二透镜模块40遮挡光源模块10入射空间光调制模块20的激光光束，导致影响调制光场的分布以及关联成像效果。

请一并参见图2，在其中一个实施例中，空间光调制模块20包括数字微镜阵列210，数字微镜阵列210设置于从光源模块10出射光线的光路上，用于对激光光束进行空间调制，形成调制光场。数字微镜阵列210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，光源模块10发出的激光光束首先经过数字微镜阵列210，数字微镜阵列210对激光光束进行空间调制，形成调制光场。调制光场首先入射第一透镜模块10并形成第一实像，第一实像经第二透镜模块40后投射至待测目标。在其中一个实施例中，每次测量时可以将数字微镜阵列210上预先设定的微镜翻转+12°，从而将调制后的光旋转24°后反射至第一透镜模块30进行成像。可以理解，数字微镜阵列210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。

在其中一个实施例中，数字微镜阵列还可以采用包括多个超导模块的吸收型调制器代替。在其中一个实施例中，空间光调制模块20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20中包括的空间光调制器的类型不作具体限定，只要其可以实现对激光光束进行空间调制，形成调制光场，则均在本申请的保护范围之内。

请一并参见图2-图4，在其中一个实施例中，第一透镜模块30包括第一单透镜310，第一单透镜310设置于从空间光调制模块20出射光线的光路上，用于接收调制光场，调制光场经第一单透镜310形成第一实像。或者，第一透镜模块30包括第一胶合透镜320，第一胶合透镜320设置于从空间光调制模块20出射光线的光路上，用于接收调制光场，调制光场经第一胶合透镜320形成第一实像。或者，第一透镜模块30包括第一镜头组330，第一镜头组330包括多个镜头，多个镜头共轴，调制光场经第一镜头组330形成第一实像。

在其中一个实施例中，第二透镜模块40包括第二单透镜410，第二单透镜410设置于从第一透镜模块30出射光线的光路上，用于接收第一实像，第一实像经第二单透镜410形成出射光场并照射至待测目标。或者，第二透镜模块40包括第二胶合透镜420，第二胶合透镜420设置于从第一透镜模块30出射光线的光路上，用于接收第一实像，第一实像经第二胶合透镜420形成出射光场并照射至待测目标。或者，第二透镜模块40包括第二镜头组430，第二镜头组430设置于从第一透镜模块30出射光线的光路上，用于接收第一实像，第一实像经第二镜头组430形成出射光场并照射至待测目标。

在其中一个实施例中，第一单透镜310、第一胶合透镜320、第一镜头组330，以及第二单透镜410、第二胶合透镜420、第二镜头组430均可以采用超材料制成。需要说明的是，第一单透镜310、第一胶合透镜320、第一镜头组330，以及第二单透镜410、第二胶合透镜420、第二镜头组430不存在一一对应关系，可以任意进行组合，本申请的附图不对此构成限定。

仅使用单透镜作为发射透镜时，会在形成光场时存在像差，降低光场的质量。可以理解，镜头组作为发射透镜时可以减小像差，但是，由于镜头组的后焦较短，空间光调制模块20对激光光束进行调制前，光源模块10输出的激光光束入射空间光调制30的过程中容易被镜头组或镜头组的夹持件遮挡，影响调制光场的质量，从而影响关联成像的效果。在其中一个实施例中，可以在发射光路中采用第一透镜模块30和第二透镜模块40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40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，可以在第二单透镜410和空间光调制模块20之间的光路上设置第一单透镜310，即第一透镜模块30可以包括第一单透镜310，第二透镜模块40可以包括第二单透镜410，可以防止入射至空间光调制模块20的激光光束被第二单透镜410遮挡，提高关联成像的效果。

在本实施例中，光源模块10发射的激光光束可以首先入射空间光调制模块20。空间光调制模块20对激光光束进行空间调制，形成调制光场。调制光场继续传播可以入射第一单透镜310，并通过第一单透镜310形成第一实像，第一实像随后可以通过第二单透镜410投射至待测目标。可以理解，通过选择合适焦距的第一单透镜310，可以实现对第一单透镜310以及空间光调制模块20之间距离的控制，从而可以避免入射空间光调制模块20的激光光束被第一单透镜310或第二单透镜410中的镜头组遮挡，可以提高关联成像的效果。

请一并参见图5-图6，在其中一个实施例中，主动照明关联成像发射系统100还包括光束整形模块50，光束整形模块50设置于第一透镜模块30和第二透镜模块40之间，用于遮挡除第一实像之外的其他衍射像。在其中一个实施例中，光束整形模块50包括光阑510，光阑510与第一透镜模块30共轴，用于遮挡除第一实像之外的其他衍射像。可以理解，通过设置光阑510，可以遮挡由于空间光调制模块20衍射效应形成的其他衍射像。本申请对光阑510设置的具体位置不作具体限定，只要其可以遮挡由于空间光调制模块20衍射效应形成的其他衍射像即可。在其中一个实施例中，光阑510可以设置于第一透镜模块30输出的光线与光轴相交的位置。光阑510设置于第一透镜模块30输出的光线与光轴相交的位置可以提高对空间光调制模块20衍射效应形成的其他衍射像的滤除效果。

请一并参见图7，基于同一发明构思，本申请还提供一种主动照明关联成像发射系统100。主动照明关联成像发射系统100包括光源模块10、空间光调制模块20和至少三个第三透镜模块70。光源模块10用于发射激光光束。空间光调制模块20设置于从光源模块10出射光线的光路上，用于对激光光束进行空间调制，形成调制光场。至少三个第三透镜模块70依次设置于从空间光调制模块20出射光线的光路上，用于接收调制光场，调制光场每经过一个第三透镜模块70形成一个实像，实像经最后一个第三透镜模块70形成出射光场并照射至待测目标。可以理解，本申请不对第三透镜模块70的数量进行具体限定，可以根据主动照明关联成像发射系统100的需要进行设置。

请一并参见图8，基于同一发明构思，本申请还提供一种主动照明关联成像系统。主动照明关联成像系统包括光源模块10、空间光调制模块20、第一透镜模块30和第二透镜模块40和接收模块60。光源模块10用于发射激光光束。空间光调制模块20设置于从光源模块10出射光线的光路上，用于对激光光束进行空间调制，形成调制光场。第一透镜模块30设置于从空间光调制模块20出射光线的光路上，用于接收调制光场，调制光场经第一透镜模块30形成第一实像。第二透镜模块40设置于从第一透镜模块30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40形成出射光场并照射至待测目标。出射光场经待测目标反射后，形成携带待测目标信息的目标光场，接收模块60设置于沿目标光场传输方向的光路上，用于接收目标光场，并根据目标光场得到待测目标的图像。

可以理解，上述光源模块10、空间光调制模块20、第一透镜模块30和第二透镜模块40可以为上述实施例中任一光源模块10、空间光调制模块20、第一透镜模块30和第二透镜模块40，在此不再赘述。可以理解，接收模块60可以用于接收目标光场，其中目标光场包括可以用于进行关联成像计算的全部信息，接收模块60可以将携带目标信息的光信号转化为电信号，并可以根据接收到的电信号以及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。

请一并参见图9，在其中一个实施例中，接收模块60包括第四透镜模块610、探测器620和计算装置630。第四透镜模块610设置于沿目标光场传输方向的光路上，用于接收目标光场。探测器620设置于从第四透镜模块610出射光线的光路上，用于接收经第四透镜模块610收集的目标光场，并将目标光场转化为携带待测目标信息的电信号。计算装置630与探测器620电连接，用于接收携带待测目标信息的电信号，并根据携带待测目标信息的电信号得到待测目标的图像。在其中一个实施例中，探测器620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)、光电倍增管和多像素光子计数器(multipixelphotocounter，mppc)中的一种。需要说明的是，本申请对探测器620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。

在其中一个实施例中，第四透镜模块610设置于沿目标光场传输方向的光路上，用于汇聚调制光场。探测器620可以设置于第四透镜模块610的出射光线的光路上，用于接收汇聚后的目标光场，并将目标光场转化为电信号。可以理解，经过待测目标反射后的光线具有一定的发散性，为了保证探测器620可以获取携带目标信息的全部光信号，可以设置第四透镜模块610对目标光场进行汇聚和整形。其中，第四透镜模块610的具体位置、包括的透镜数量及参数，均可以根据目标位置，以及探测器620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，第四透镜模块610可以包括汇聚透镜，汇聚透镜设置于沿目标光场传输方向的光路上，用于汇聚目标光场。在另外一个实施例中，第四透镜模块610还可以包括镜头组件、单一孔径的单透镜、镜头组、多个柱面镜组成或者多个球面镜组成等，只要其可以实现对目标光场进行汇聚和整形即可。

其中，单像素探测器可以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20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。将探测器620连接计算装置630，计算装置630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、侦查以及勘探等领域。

在其中一个实施例中，计算装置630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，控制模块可以作为主动照明关联成像发射系统100的控制系统，可以生成调制信号并发送至空间光调制模块20。信号处理模块可以接收探测器620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630可以为微控制单元或计算机等，其可以应用各类关联成像算法或压缩感知算法等对探测器620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。