成像装置和成像系统的制作方法

本实用新型涉及关联成像技术领域，特别是涉及一种成像装置和成像系统。

背景技术：

这里的陈述仅提供与本申请有关的背景信息，而不必然地构成现有技术。

鬼成像方法是一种间接成像方式，获知照射在目标物体上的光场分布，即可通过关联算法或压缩感知等方法得到物体的像。主动照明先调制鬼成像实现方案中，光源发出的光经过空间光调制器调制成已知、可控的调制光，由发射镜头投射在目标物体上；接收镜头收集调制光照在物体上后被反射的光，并被探测器进行探测转换为电信号；计算系统将收集到的信号与控制系统发出的调制信号进行计算，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，应用于遥感、激光雷达、视频监控等领域。

进行成像时，目标物体有可能是漫反射类物体，回光信号弱；还有可能是镜面反射类物体，回光信号强。若采用灵敏度高的探测器，当目标物体为镜面反射物体时，探测器上接收到的光较强，探测器会饱和甚至损坏；若采用灵敏度低的探测器，当目标物体为漫反射类物体时，探测器上接收到的光较弱，无法获得足够的信噪比来恢复清晰的像；若采用探测范围能够同时兼顾大信号和小信号的探测器，成本高。

技术实现要素：

基于此，有必要针对漫反射物体和镜面反射物体的反射光强不同的问题，提供一种成像装置和成像系统，以解决探测器难以同时兼顾大信号和小信号的测量问题，同时保证成像效果。

本实用新型实施例提供了一种成像装置，包括：

光源，用于发射照明光；

空间光调制器，用于根据接收的调制信号对光源发射的照明光进行光场调制；

发射镜头，用于光学地将所述空间光调制器调制后的光投射到目标物体上；

接收镜头，用于接收所述目标物体反射的光，并汇聚到第一探测器和第二探测器的感光面上；

偏振分光器件，所述偏振分光器件用于接收目标物体反射的光，并将所述目标物体反射的光分为传播方向不同且偏振相互垂直的两束光；

所述第一探测器和所述第二探测器一一对应接收所述偏振分光器件的两束光，并进行光电转换后得到第一电信号和第二电信号；

控制器，所述控制器分别与所述空间光调制器、所述第一探测器和所述第二探测器电连接，用于输出所述调制信号，并用于根据所述第一电信号、所述第二电信号和所述调制信号获得所述目标物体的像。

在其中一个实施例中，所述目标物体包括：镜面反射物体和/或漫反射物体。

在其中一个实施例中，所述接收镜头设置在所述目标物体与所述偏振分光器件之间。

在其中一个实施例中，所述偏振分光器件设置在所述目标物体和所述接收镜头之间；

所述接收镜头包括：

第一镜头组，所述第一镜头组用于接收并投射所述偏振分光器件分出的一束光至所述第一探测器；

第二镜头组，所述第二镜头组用于接收并投射所述偏振分光器件分出的另一束光至所述第二探测器。

在其中一个实施例中，所述偏振分光器件为偏振分光棱镜或格兰泰勒棱镜。

在其中一个实施例中，所述照明光为完全非偏振光、s偏光或p偏光。

在其中一个实施例中，所述第一探测器为单像素探测器；和/或，所述第二探测器为单像素探测器。

在其中一个实施例中，所述空间光调制器为数字微镜器件。

在其中一个实施例中，所述控制器包括：

调制模块，所述调制模块与所述空间光调制器电连接，用于输出所述调制信号；

计算模块，所述计算模块分别与所述调制模块和所述探测器电连接，用于根据所述第一电信号、所述第二电信号和所述调制信号获得所述目标物体的像。

一种成像系统，包括上述成像装置。

无论入射光是完全非偏振光还是线偏光，漫反射物体和镜面反射物体的反射光的偏振特性均存在差异，漫反射物体的反射光具有完全非偏振光的偏振特性，而镜面反射光为线偏振光或部分偏振光，根据这种差异，本申请实施例提供的成像装置，光源发射照明光(完全非偏振光或s偏振光或p偏振光)至空间光调制器，经过空间光调制器调制后形成可控的、已知的光信号，该光信号经发射镜头投射在目标类物体上，目标物体可包括镜面反射物体和漫反射物体，利用偏振分光器件和这两种物体的偏振差异，将物体的反射光根据偏振进行分离，例如，采用偏振分光棱镜进行分光，其透射光和反射光强度具有差异，分别由不同灵敏度的第一探测器和第二探测器进行探测，并对应生成第一电信号和第二电信号，控制器根据接收到的第一电信号和第二电信号以及发送至空间光调制器的调制信号进行计算，可以得到目标物体的完整图像。本申请实例提供的成像装置可以兼顾漫反射物体和镜面反射物体，且成像效果好，整体成本低。

附图说明

图1为一个实施例中成像装置和成像系统的结构示意图；

图2为另一个实施例中成像装置和成像系统的结构示意图；

图3为又一个实施例中成像装置和成像系统的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的首选实施例。但是，本实用新型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例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，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并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。

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实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型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，不是旨在于限制本实用新型。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。

本实用新型实施例提供了一种成像装置，如图1、图2、图3所示，包括：光源80，用于发射照明光；空间光调制器10，用于根据接收的调制信号对光源发射的照明光进行光场调制；发射镜头20，用于光学地将所述空间光调制器调制后的光投射到目标物体上；接收镜头50，用于接收所述目标物体反射的光，并汇聚到第一探测器30和第二探测器40的感光面上；偏振分光器件60，所述偏振分光器件60用于接收目标物体反射的光，并将所述目标物体反射的光分为两束传播方向不同，且偏振相互垂直的两束光；第一探测器30和第二探测器40一一对应接收所述偏振分光器件60的两束光，并进行光电转换后得到第一电信号和第二电信号，控制器70，所述控制器70分别与所述空间光调制器10、所述第一探测器30和所述第二探测器40电连接，用于输出所述调制信号，并用于根据所述第一电信号、所述第二电信号和所述调制信号获得所述目标物体的像。

其中，其中，光源80是指能自行发光且正在发光的物体，还可以包括扩束镜头。发光的偏振特性可以为完全非偏振光、p偏振光或s偏振光。发射镜头20可以是单个透镜、胶合透镜或包括多个镜头的镜头组。接收镜头50可以是单个透镜、胶合透镜或包括多个镜头的镜头组。镜面反射物体是指反射光集中在特定方向上的物体，探测器接收到的光较强。空间光调制器10由多个空间光调制单元组成，每个空间光调制单元可以独立调制光场的某个参量，例如通过调制光场的振幅，通过折射率调制相位，通过偏振面的旋转调制偏振态，或是实现非相干——相干光的转换，从而将一定的信息写入光波中，达到光波调制目的。其中，空间光调制器10可以是数字微镜器件、声光偏转晶体(aod，acoustoopticaldeflectors)、液晶空间光调制器10或超材料等器件。当空间光调制器10为数字微镜器件时，空间光调制器10可以通过驱动其上的微镜开启或关闭来实现光调制。当空间光调制器10为声光偏转晶体时，可以通过改变所加信号，使折射率随外界所加信号而改变，实现光调制。当空间光调制器10为超材料(可以是光操纵超材料)时，超材料的纳米结构能够以特定的方式对光线进行散射，可以通过调整超材料表面的吸收特性，实现光调制。所述调制信号是用于控制所述空间光调制器10在空间折射率的变化，调制信号可以是伪随机信号等，控制器70根据第一电信号、第二电信号和调制信号成像的实现可以根据现有的关联成像算法或压缩感知算法等实现。偏振分光器件60是指能够对接收光中不同偏振特性的光进行分离的器件，可以是偏振分光棱镜或格兰泰勒棱镜等器件。第一、第二探测器(30、40)是指能够将探测光信号并转换成电信号的光电探测器，可以根据入射的光强度而输出相应强度的电流、电压或数字信号。根据待处理光信号的波长，探测器可以以硅、锗、铟镓砷、硒化镉等为探测材料。具体的，探测器可以选用但不限定于单像素探测器，也可以为ccd(chargecoupleddevice，电荷耦合器件)、cmos(complementarymetaloxidesemiconductor，互补金属氧化物半导体)或者mppc(multi-pixelphotoncounter，硅光电倍增管)等，需要说明的是，此处举例不对本申请方案实际保护范围造成限定。

具体的，成像装置(一种先调制偏振分光鬼成像装置)如图1、图2所示。光源发出的照明光(完全非偏振光、s偏光或p偏光)经过空间光调制器10调制形成已知、可控的调制光，并由发射镜头20投射在目标上，目标物体中不同反射率的物体的反射光经过接收镜头50后投射在偏振分光器件60上，偏振分光器件60利用镜面反射物体和漫反射物体之间的偏振特性差异，分离两种物体的反射光，形成两个光束，然后分别由第一探测器30和第二探测器40探测，并对应生成第一电信号和第二电信号，采用这种方式，可以解决同时由一个探测器探测镜面反射物体和漫反射物体的反射光时，漫反射物体反射光信号由于无法获得足够的信噪比和对比度而无法被探测器识别的问题，从而保证对不同反射率物体的探测效果，然后，控制器70可以根据第一电信号、第二电信号和调制信号进行计算(可以采用关联运算或压缩感知算法等)分别得到完整的目标物体的像，成像效果好。

本申请实施例提供的成像装置，利用物体不同类型反射光的偏振差异，利用偏振分光器件60，将物体的反射光根据偏振进行分离，得到两束不同强度的光，分别由不同灵敏度的第一探测器30和第二探测器40进行探测，降低对探测器的要求，并对应生成第一电信号和第二电信号，利用控制器70的计算能力，可以得到目标物体的完整图像。

在其中一个实施例中，所述目标物体包括镜面反射物体和/或漫反射物体。

其中，漫反射物体是指物体后在光源照射下反射的光向各个方向反射的物体。镜面反射物体是指水面、玻璃等表面光滑的物体，当平行入射的光线射到这个反射面时，仍会平行地向一个方向反射出来的物体。在照明光源为完全非偏振光的情况下，漫反射物体的反射光同样为完全非偏振光，而镜面反射物体的反射光为部分偏振光(s分量居多，p分量居少)。在照明光源为s偏振光的情况下，漫反射物体的反射光同样具有完全非偏振光的偏振特性，而镜面反射物体的反射光为线偏振光(s偏光)或部分偏振光(s分量居多，p分量居少)。在照明光源为p偏振光的情况下，漫反射物体的反射光同样具有完全非偏振光的偏振特性，而镜面反射物体的反射光为线偏振光(p偏光)或部分偏振光(p分量居多，s分量居少)。根据这种偏振差异则可以在进行探测前，通过加入偏振分光器件，将光束的p偏振光与s偏振光进行分离，从而将光分为强光部分和弱光部分，由两个不同灵敏度的探测器分别进行探测，降低对探测器的要求，降低成本，且能够完整的成像，保证成像效果。

在其中一个实施例中，所述接收镜头50设置在所述目标物体与所述偏振分光器件60之间。偏振分光器件60设置在所述接收镜头50与所述第一探测器30和第二探测器40之间，以便第一探测器30和第二探测器40分别接收偏振分束器件分离出的两束光，并采用不同的探测器进行探测，保证目标物体的成像效果和成像质量。

在其中一个实施例中，所述偏振分光器件设置在所述目标物体和所述接收镜头50之间；所述接收镜头50包括：第一镜头组51，所述第一镜头组51用于接收并投射所述偏振分光器件分离后得到的一束光至所述第一探测器30；第二镜头组52，所述第二镜头组52用于接收并投射所述偏振分光器件分离后得到的另一束光至所述第二探测器40。可以先对目标物体反射的光进行分离，再分别由第一镜头组51和第二镜头组52对应接收并投射偏振方向垂直的两束光至第一探测器30和第二探测器40。

在其中一个实施例中，所述偏振分光器件60为格兰泰勒棱镜或偏振分光棱镜。格兰泰勒棱镜是一种由天然方解石晶体制成的双折射偏振分光器件60，主要成分为caco3的斜方六面体结晶。与其他偏振分光器件60光(如偏光板)相比，其透过率和偏光纯度更高。偏振分光棱镜是指能把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏振光的器件。其中p偏光完全通过，而s偏光以45度角被反射，出射方向与p偏振光成90度角。偏振分光棱镜可以由一对高精度直角棱镜胶合而成，其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜。当偏振分光器件60为偏振分光棱镜且偏振分光器件60设置在接收镜头50和第一探测器30之间时，若采用完全非偏振光照明，漫反射物体反射光仍然为完全非偏振光，镜面反射物体的反射光为部分偏振光；采用s线偏振光或p线偏振光照明时，漫反射物体反射光仍然为完全非偏振光，镜面反射物体的反射光为线偏振光或部分偏振光。根据第一类物体反射光和第二类物体反射光的偏振特性差异，空间光调制器10调制形成的待测光经过偏振分光棱镜后分离为两束光，偏振分光棱镜的反射光和透射光偏振方向不同，光强不同，可以用两个灵敏度不同的第一、第二探测器进行探测得到第一电信号和第二电信号，控制器70进一步根据第一电信号、第二电信号和调制信号得到完整的目标物体的像，且成像效果好。除此处列举的方式，还可以采用其他类型的用于检偏的器件，本领域技术人员根据此处记载的实施方式，能够想到的其他替代方式均属于本申请的保护范围。

在其中一个实施例中，所述第一探测器30为单像素探测器；和/或，第二探测器40为单像素探测器。在其中一个实施例中，所述空间光调制器10为数字微镜器件。

单像素探测器是以硅为探测材料的粒子径迹探测器，具有单像素的半导体探测器，用以在粒子通过该单像素时输出数据，例如，将接收到的经数字微镜器件调制的光转换为电信号。单像素探测器为只能探测光强、不能分辨空间信息的探测器的统称。常用的有光电二极管、光电倍增管、雪崩光电二极管等。

数字微镜器件(dmd，digitalmicro-mirrordevice)是一种由多个微米尺寸的铝镜阵列组成的空间光调制器10，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。在进行光调制过程中，常通过输出随机编码矩阵(调制信号)至dmd，以行驱动的形式dmd中的微镜翻转。

采用单像素探测器时，与数字微镜器件配合，当光源发射的线偏振光经过dmd调制，形成可控的、已知的光经过发射镜头20投射在第一类物体和第二类物体上，接收镜头50接收目标信号，偏振分光器件60对接收镜头50接收的目标信号进行分光，形成两束光，分别由第一探测器30和第二探测器40进行探测。拍摄时，dmd上每个镜片反射的明暗矩阵以伪随机码的形式快速变换，每变化一次，探测器20采集一次光信号并转换成电信号。最后，经过将每次的电信号和伪随机码综合进行计算，就得到了物体的像，此时，本申请实施例提供的成像装置为先调制鬼成像。

为了更好的说明本申请实施例提供的成像装置的工作原理，以成像装置为单像素相机、第一类物体为漫反射物体、第二类物体为镜面反射物体为例进行说明，利用反射光偏振差异同时探测漫反射物体和镜面反射物体的单像素相机如图1、图2所示。光源发出的照明光(完全非偏振光、s偏光或p偏光)经过空间光调制器10调制形成可控的已知的调制光，经过发射镜头20投射在目标物体上，该调制光照亮漫反射物体和镜面反射物体，两种物体的反射光(目标信号)经过接收镜头50投射至偏振分光棱镜，其透射光和反射光分别由第一探测器30和第二探测器40进行探测并对应转换为第一电信号和第二电信号，探后由控制器70将收集到的第一电信号和第二电信号与控制器70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。

在其中一个实施例中，所述控制器70包括：调制模块71，所述调制模块71与所述空间光调制器10电连接，用于输出所述调制信号；计算模块72，所述计算模块72分别与所述调制模块71和所述探测器电连接，用于根据所述第一电信号和所述调制信号获得所述第一物体的像，并用于根据所述第二电信号和所述调制信号获得所述第二物体的像。

其中，调制模块71主是指能够生成调制信号的装置，例如可以是脉冲发生器，伪随机信号发生器等。计算模块72是指能够根据调制信号和电信号计算得到第一类物体的像的装置，可以是一些芯片器件组成的装置。具体的，调制模块71输出调制信号至驱动模组，驱动模组驱动微镜的机械翻转。驱动模组可以进行逐行驱动进行光调制，调制后形成的光信号经发射镜头20投射至第一类物体和第二类物体，接收镜头50接收目标信号，该目标信号经偏振分光器件60分光，形成两个光束，然后由第一探测器30和第二探测器40分别探测并对应转换为第一电信号和第二电信号输出至计算模块72，最后，由计算模块72根据压缩感知算法或关联算法等对调制信号、第一电信号和第二电信号进行分析处理，最终获得目标物体的像。

在其中一个实施例中，所述数字微镜器件包括：驱动模组和多个微镜；所述驱动模组与所述控制器70电连接，且所述驱动模组用于根据所述调制信号驱动各所述微镜的开关状态。其中，其中驱动模组逐行驱动各微镜翻转的驱动实现过程，可以参照德州仪器公司的dmd的产品和使用手册中的工作原理描述。

本申请实施例提供的成像装置，利用不同类型物体反射光的偏振差异，利用偏振分光器件60，将物体的反射光根据偏振进行分离，得到两束不同强度的光，分别由不同灵敏度的第一探测器30和第二探测器40进行探测，降低对探测器的要求，并对应生成第一电信号和第二电信号，利用控制器70的计算能力，可以得到目标物体的完整图像。

一种成像系统，包括：及上述成像装置。

本申请实施例提供的成像系统，可以实现成像装置的有益效果，其工作实现过程可以参照上述成像装置2实施例中的描述，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本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。