关联成像探测装置及系统的制作方法

本实用新型涉及光学成像技术领域，特别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。与普通成像方式相比，鬼成像具有强抗干扰特性、高灵敏探测特性、广视角成像特性等，已经在天文观测、遥感成像、军事侦查、医疗成像等领域展现出极大地应用潜能。

现有的关联成像系统采用二次成像或二次以上成像的接收光路过长，关联成像探测装置占用的空间大，空间利用率低，应用受到限制。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有的关联成像系统采用二次成像或二次以上成像的接收光路过长，关联成像探测装置占用的空间大，空间利用率低的问题，提供一种关联成像探测装置及系统。

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目标光场；

第一反射模块，设置于从所述第一透镜模块出射光线的光路上，从所述第一透镜模块出射光线的光路为第一光路，所述第一反射模块用于改变所述第一光路的传播方向，从所述第一反射模块出射光线的光路为第二光路；

第二透镜模块，设置于从所述第一反射模块出射光线的光路上，从所述第二透镜模块出射光线的光路为第二光路；

第二反射模块，设置于从所述第二透镜模块出射光线的光路上，用于至少改变一次所述第二光路的传播方向，从所述第二反射模块出射光线的光路为第三光路；

空间光调制模块，设置于从所述第二反射模块出射光线的光路上，所述目标光场依次经所述第一光路、所述第二光路及所述第三光路传播至所述空间光调制模块，所述空间光调制模块用于对所述目标光场进行空间强度调制，形成调制光场；

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，所述第二反射模块包括至少一个第二反射镜，所述第二光路的传播方向每经过一个第二反射镜改变一次，从最后一个第二反射镜出射光线的光路为第三光路；或者

所述第二反射模块包括至少一个第二棱镜，所述第二光路的传播方向每经过一个第二棱镜改变一次，从最后一个第二棱镜出射光线的光路为第三光路。

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；

探测器，设置于从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，所述探测器为单像素探测器、电荷耦合元件、互补金属氧化物半导体和多像素光子计数器中的一种。

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第二反射模块出射光线的光路上，用于对所述目标光场进行空间强度调制，形成调制光场；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反射模块出射光线的光路上，用于对所述目标光场进行空间强度调制，形成调制光场，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，所述第一单透镜用于接收携带目标信息的目标光场；或者

所述第一透镜模块包括第一胶合透镜，所述第一胶合透镜用于接收携带目标信息的目标光场；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，多个所述镜头按照预设顺序依次设置于所述目标光场传输的光路上，用于接收携带目标信息的目标光场。

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反射模块出射光线的光路上；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反射模块出射光线的光路上；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，多个所述镜头按照预设顺序依次设置于从所述第一反射模块出射光线的光路上。

在其中一个实施例中，所述第一单透镜、所述第一胶合透镜和/或所述第一镜头组采用超材料制成，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。

一种关联成像探测系统，上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及关联成像探测系统，可以通过第一透镜模块接收携带目标信息的目标光场。从第一透镜模块出射的光线沿第一光路传播，通过第一反射模块可以改变第一光路的传播方向，从第一反射模块出射的光线沿第二光路传播，进而第一反射模块将目标光场的传播方向由沿第一光路传播改变为沿第二光路传播。从第一反射模块出射的光线沿第二光路并经第二光路上的第二透镜模块传播至第二反射模块，第二反射模块可以至少改变一次第二光路的传播方向，通过第二反射模块改变第二光路的传播方向，从第二反射模块出射的光线沿第三光路传播至空间光调制模块，进而目标光场的传播方向由沿第二光路传播改变为沿第三光路传播。通过第一反射模块和第二反射模块将目标光场从第一透镜模块传播到空间光调制模块的光路进行折叠，从而缩短了目标光场沿第一光路传播的距离和沿第三光路传播的距离，从而能够避免目标光场从第一透镜模块入射后沿同一个光路传播至空间光调制模块，传播光路长的问题。上述实施例提供的关联成像探测装置及关联成像探测系统，通过折叠从第一透镜模块传播到空间光调制模块的目标光场的光路，使得关联成像探测装置沿接收光路占用的空间小，空间利用率高。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的关联成像探测装置连接结构示意图；

图2为本申请一实施例提供的关联成像探测装置连接结构示意图；

图3为本申请一实施例提供的关联成像探测装置连接结构示意图；

图4为本申请一实施例提供的关联成像探测装置光路结构示意图；

图5为本申请一实施例提供的关联成像探测系统连接结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。

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方式的目的，不是旨在于限制本申请。

请参阅图1，现有的关联成像探测装置通常包括第一透镜模块11、第二透镜模块12、空间光调制模块13和接收模块14。第一透镜模块11用于接收携带目标信息的目标光场，目标光场经第一透镜模块11后形成目标的第一实像。第二透镜模块12设置于从第一透镜模块11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12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13设置于从第二透镜模块12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14设置于空间光调制模块13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。

现有的关联成像探测装置，可以通过第一透镜模块11在其出射光线的一侧形成第一实像。通过第二透镜模块12对第一实像进行进一步成像，即在第二透镜模块12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13设置于第二实像所在位置。因此，第二透镜模块12没有改变第一实像的性质，第二透镜模块12的设置可以延长第一透镜模块11与空间光调制模块13之间的距离，从而避免单独使用第一透镜模块11时，第一透镜模块11遮挡经空间光调制模块13调制后入射至接收模块14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。

但是现有的关联成像探测装置，目标光场从第一透镜模块11入射后沿同一传播方向的光路经第二透镜模块12传播至空间光调制模块13，目标光场从第一透镜模块11传播到空间光调制模块13的接收光路长，第一透镜模块11、第二透镜模块12及空间光调制模块13沿接收光路占用的空间较大，空间利用率较低，应用受到限制。

请参阅图2，本申请提供一种关联成像探测装置。关联成像探测装置包括第一透镜模块20、第一反射模块30、第二透镜模块40、第二反射模块50、空间光调制模块60及接收模块70。第一透镜模块20用于接收携带目标信息的目标光场。第一反射模块30设置于从第一透镜模块20出射光线的光路上，从第一透镜模块20出射光线的光路为第一光路101，第一反射模块30用于改变第一光路101的传播方向，从第一反射模块30出射光线的光路为第二光路102。第二透镜模块40设置于从第一反射模块30出射光线的光路上，从第二透镜模块40出射光线的光路为第二光路102。第二反射模块50设置于从第二透镜模块40出射光线的光路上，用于至少改变一次第二光路102的传播方向，从第二反射模块50出射光线的光路为第三光路103。空间光调制模块60设置于从第二反射模块50出射光线的光路上，目标光场依次经第一光路101、第二光路102及第三光路103传播至空间光调制模块60，空间光调制模块60用于对目标光场进行空间强度调制，形成调制光场。接收模块70设置于空间光调制模块60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20的目标光场，其中目标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20目标光场的信噪比，进而提高关联成像探测装置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20的目标光场。同理，被动照明关联成像系统中第一透镜模块20的目标光场同样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，第一透镜模块20包括第一单透镜，第一单透镜用于接收携带目标信息的目标光场。或者，第一透镜模块20包括第一胶合透镜，所述第一胶合透镜用于接收携带目标信息的目标光场。或者，第一透镜模块20包括第一镜头组，第一镜头组包括多个镜头，多个所述镜头按照预设顺序依次设置于所述目标光场传输的光路上，用于接收携带目标信息的目标光场。

第一反射模块30可以接收第一透镜模块20输出的目标光场，并改变目标光场的传播方向。在其中一个实施例中，第一反射模块30包括第一反射镜或第一棱镜。

第二透镜模块40可以接收从第一反射模块30出射的光线，即经第一反射模块30输出的目标光场，目标光场在第一反射模块30与第二反射模块50之间沿第二光路102传播，即入射至第一透镜模块20的光线的传播方向与从第一透镜模块20出射的光线的传播方向相同。在其中一个实施例中，第二透镜模块40包括第二单透镜，第二单透镜设置于从第一反射模块30出射光线的光路上。或者，第二透镜模块40包括第二胶合透镜，第二胶合透镜设置于从第一反射模块30出射光线的光路上。或者，第二透镜模块40包括第二镜头组，第二镜头组包括多个镜头，多个镜头按照预设顺序依次设置于从第一反射模块30出射光线的光路上。

在其中一个实施例中，第一单透镜、第一胶合透镜和/或第一镜头组采用超材料制成，第二单透镜、第二胶合透镜和/或第二镜头组采用超材料制成。

需要说明的是，第一单透镜、第一胶合透镜、第一镜头组以及第二单透镜、第二胶合透镜、第二镜头组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。

第二反射模块50可以接收第二透镜模块40出射的目标光场，并改变目标光场的传播方向，第二反射模块50可以对目标光场的传播方向进行多次改变，也就是说第二光路102的传播方向在第二反射模块50内改变多次，如，依次改变为第二一光路、第二二光路、第二三光路、…，最终从第二反射模块50出射的光线的光路为第三光路103。

在其中一个实施例中，第二反射模块50包括至少一个第二反射镜，第二光路102的传播方向每经过一个第二反射镜改变一次，从最后一个第二反射镜出射光线的光路为第三光路103。或者，第二反射模块50包括至少一个第二棱镜，第二光路102的传播方向每经过一个第二棱镜改变一次，从最后一个第二棱镜出射光线的光路为第三光路103。

空间光调制模块60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60可以调制光场的空间强度，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60可以设置于从第二反射模块50出射光线的光路上，并对目标光场进行空间强度调制，形成调制光场。可以理解，本申请对空间光调制模块60中空间光调制设备不作具体限定，只要其可以根据目标光场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60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60可以包括反射式空间光调制器(spatiallightmodulator，slm)。

在其中一个实施例中，空间光调制模块60包括数字微镜阵列，数字微镜阵列设置于从第二反射模块50出射光线的光路上，用于对目标光场进行空间强度调制，形成调制光场。数字微镜阵列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，目标光场入射至数字微镜阵列，数字微镜阵列对目标光场进行空间强度调制，形成调制光场。在其中一个实施例中，每次测量时可以将数字微镜阵列上预先设定的微镜翻转+12°，从而将调制后的光旋转24°后出射至第一反射模块30。可以理解，数字微镜阵列具有全数字化和高像质的优点，可以实现对目标光场的精确振幅调制，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。吸收型调制器设置于从第二反射模块50出射光线的光路上，用于对目标光场进行空间强度调制，形成调制光场，其中吸收型调制器包括超导材料模块。在其中一个实施例中，空间光调制模块60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60中包括的空间光调制器的类型不作具体限定，只要其可以实现对目标光场进行空间调制，形成调制光场，则均在本申请的保护范围之内。

接收模块70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70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70电连接的计算装置80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。

请参阅图3，在其中一个实施例中，接收模块70包括第三透镜模块71和探测器72。第三透镜模块71设置于从空间光调制模块60出射光线的光路上，用于汇聚调制光场。探测器72设置于第三透镜模块71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60反射后的光线具有一定的发散性，为了保证探测器72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71对调制光场进行汇聚和整形。其中，第三透镜模块71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60以及探测器72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71可以包括汇聚透镜，汇聚透镜设置于从空间光调制模块60出射光线的光路上，用于汇聚调制光场，保证探测器72获取到的目标信息的完整性。在另外一个实施例中，第三透镜模块71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72可以为单像素探测器72。单像素探测器72适用于无需阵列式探测器72的间接成像方式，其结合空间光调制模块60可以代替传统成像方案中的探测器72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60对目标光场进行调制后，形成调制光场，调制光场经过第三透镜模块71，可以全部由单像素探测器72接收，并转化为电信号。将单像素探测器72连接计算装置80，计算装置80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72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的探测需求，即结合空间光调制模块60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72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。

请参阅图4，在其中一个实施例中，第一透镜模块20包括第一单透镜21，第一反射模块30包括第一反射镜31，第二反射模块50包括第二反射镜51，第三透镜模块71包括汇聚透镜711，目标光场经第一单透镜21形成所述目标的第一实像201，第一实像201位于第一透镜模块20与第一反射镜31，第一实像201依次经第一反射镜31、第二透镜模块40和第二反射镜51形成所述目标的第二实像202，空间光调制模块60位于所述第二实像202所在平面，因此，第一单透镜21、第二透镜模块40和第二反射镜51没有改变第一实像的性质。

请参阅图5，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和计算装置80，关联成像探测装置将携带目标信息的电信号传输至计算装置80，计算装置80根据电信号计算目标的像。可以理解，关联成像探测装置可以为上述实施例中任一的关联成像探测装置，在此不再赘述。在其中一个实施例中，计算装置80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60。信号处理模块可以接收关联成像探测装置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80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。

上述实施例提供的关联成像探测装置及关联成像探测系统，可以通过第一透镜模块20接收携带目标信息的目标光场。从第一透镜模块20出射的光线沿第一光路101传播，通过第一反射模块30可以改变第一光路101的传播方向，从第一反射模块30出射的光线沿第二光路102传播，进而第一反射模块30将目标光场的传播方向由沿第一光路101传播改变为沿第二光路102传播。从第一反射模块30出射的光线沿第二光路102并经第二光路102上的第二透镜模块40传播至第二反射模块50，第二反射模块50可以至少改变一次第二光路102的传播方向，通过第二反射模块50改变第二光路102的传播方向，从第二反射模块50出射的光线沿第三光路103传播至空间光调制模块60，进而目标光场的传播方向由沿第二光路102传播改变为沿第三光路103传播。通过第一反射模块30和第二反射模块50将目标光场从第一透镜模块20传播到空间光调制模块60的光路进行折叠，从而缩短了目标光场沿第一光路101传播的距离和沿第三光路103传播的距离，从而能够避免目标光场从第一透镜模块20入射后沿同一个光路传播至空间光调制模块60，传播光路长的问题。上述实施例提供的关联成像探测装置及关联成像探测系统，通过折叠从第一透镜模块20传播到空间光调制模块60的目标光场的光路，使得关联成像探测装置沿接收光路占用的空间小，空间利用率高。

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实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。