一种可抑制激光后向反射的光电成像系统的制作方法

本发明涉及一种采用光学方法的计量设备，特别是一种可抑制激光后向反射的光电成像系统。

背景技术：

以数码相机为代表的光电成像系统应用广泛，其系统构成主要包括光学成像器件、光电探测器件、图像处理器件和输出显示器件，其中光电探测器件一般放置于光学成像器件的焦平面附近并垂直光学成像器件的光轴，工作时通过调焦使目标物成像于探测器平面，以获得清晰的图像输出。该类光电成像系统的探测器放置方式，使系统在被入射激光照射时会产生强烈的后向反射回波，这种现象被称为猫眼效应。在有些应用场合，用户希望能够在保证成像性能不降低的前提下，最大程度的消减光电成像系统的后向激光回波，即抑制猫眼效应。

人们业已提出多种抑制光电成像系统猫眼效应的方案，但因为明显影响系统成像性能等原因，相应的光电成像系统还难以满足应用需求。例如图1所示的光电成像系统，为了减少入射激光的后向反射强度，该方案将面阵探测器离开焦平面附近的成像面向物镜移动一定距离，当探测器移开成像面的距离达到成像物镜理论焦深的十倍时，这种离焦结构的光电成像系统可使探测器表面的镜面反射光经过成像物镜后不再是原向返回的平行光，光电成像系统的后向反射强度因此明显减小，但是光电探测器离开成像面虽然能显著减弱猫眼效应，同时也导致了系统成像质量的明显下降。又例如图2所示的光电成像系统，将面阵探测器旋转一定角度使其不再垂直于成像物镜的光轴，使入射光束的反射分量被成像物镜光瞳所阻挡，从而达到减弱光电成像系统猫眼效应的目的，但若要达到消除猫眼回波的效果，其像面倾斜角度至少需达到系统视场的一半以上，但过大的像面倾斜角度会引入高阶像差，从而使系统清晰成像的视场范围大大减小，严重影响成像系统的成像性能。再例如图3所示的遮光板，遮挡光束进入光电成像系统后反射光的回传途径，也是一种切实可行的减小猫眼效应的方法，但采用不同图案的遮挡板会使光电成像系统的光通量明显减少，进而影响光电成像系统的成像质量，主要表现在图像信噪比和均匀性的下降，以及高频细节损失严重。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可抑制激光后向反射的光电成像系统，从反猫眼效应的需求出发，提出了探测器的最佳倾斜角度范围，同时结合波前编码技术补偿因像面倾斜而引入的高阶像差，在消除正入射激光回波的前提下，实现高质量成像。

实现本发明目的的技术方案为：一种可抑制激光后向反射的光电成像系统，包括波前编码成像镜头、面阵探测器、图像处理器件和输出显示器件；波前编码成像镜头设置于成像光路主轴上，面阵探测器中心设置于波前编码成像镜头的像面位置，图像处理器件与面阵探测器连接，输出显示器件与图像处理期间连接；面阵探测器与光轴之间设置一定夹角θtilt。

进一步地，θtilt-min＜θtilt＜θtilt-max，其中

其中，f/#为波前编码成像镜头的f数，ld为面阵探测器尺寸，δdi为波前编码成像镜头的焦深。

进一步地，图像处理器件利用维纳滤波算法对面阵探测器采集的模糊像进行处理获得重构图像的频谱函数f(u,v)

其中，k为噪声和信号功率谱的比值，g(u,v)为中间模糊像的频谱函数，h(u,v)为波前编码系统的调制传递函数。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明利用了波前编码镜头具有离焦不变性的特点，通过倾斜面阵探测器使其表面反射激光的传播方向发生显著改变，消除了由于探测器表面反射所形成的猫眼回波，并且还可以抑制探测器表面少量漫反射激光所形成的猫眼回波，保持了光电系统的高成像质量。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为现有技术一利用离焦减小猫眼效应示意图，其中(a)为离焦前示意图，(b)为离焦后示意图。

图2为现有技术二利用像面倾斜减小猫眼效应示意图。

图3为现有技术三利用遮光板的示意图，其中(a)-(e)为不同遮光板示意图。

图4为本发明光电成像系统示意图。

图5为光电成像系统的仿真成像结果示意图，其中(a)原图像示意图，(b)在倾斜面阵探测器上所成模糊图像示意图，(c)经过滤波处理获取的清晰输出图像示意图。

具体实施方式

结合图4，一种可抑制激光后向反射的光电成像系统，包括波前编码成像镜头、面阵探测器、图像处理器件和输出显示器件。

波前编码成像镜头设置于入射激光光路上，用于将激光器的平行光进行汇聚，光阑提供通光孔用于安装波前编码相位板，光阑其余部分为挡光板，用于遮挡反射或漫反射回的激光。面阵探测器中心设置于波前编码成像镜头的像面位置，面阵探测器与光轴之间设置一定夹角θtilt。波前编码成像镜头汇聚的图像在面阵探测器上形成模糊的中间像。图像处理器件与面阵探测器连接，图像处理器件对模糊像进行放大、滤波和重构等处理获得解码图像。输出显示器件与图像处理期间连接，用于对解码图像进行显示。面阵探测器与光轴之间设置一定夹角θtilt。当成像系统工作时，前方激光器发出的激光束经传输照射在波前编码成像镜头上，随后被会聚于面阵探测器上。由于探测器存在较大的倾斜角度θtilt，导致面阵探测器表面反射的激光存在较大的偏离角，反射激光被成像镜头的孔径光阑阻挡，使得经过镜头回射的反射激光消失，达到显著抑制甚至消除系统猫眼回波的目的。

波前编码成像镜头可以为常规透射式结构，还可以为反射式或同轴卡塞格林式成像结构。常规投射式结构如图所示，包括成像透镜组和孔径光阑位置的相位板。

在小角度范围内，面阵探测器倾斜角度越大，对猫眼回波的抑制效果越强；当达到一定的倾斜角度后，探测器表面镜面反射形成的猫眼回波完全消失，即正入射激光的反射光不会从透镜中射出，这一倾斜角度为面阵探测器最小允许倾斜角θtilt-min。为了使得面阵探测器的反射光尽可能偏离光轴，使反射光不能够通过镜头的孔径光阑出射，面阵探测器的倾斜角度应该大于最小允许倾斜角θtilt-min。

为了在光电成像系统整个视场内能够保持高空间分辨率，倾斜的面阵探测器的各个像元都应该处于波前编码成像镜头的焦深范围内，因此面阵探测器的倾斜角度θtilt需要限定在一定的范围内，即存在一个最大允许倾斜角度θtilt-max

其中，ld为面阵探测器尺寸，δdi为波前编码成像镜头的焦深。

因此，面阵探测器所选择的倾斜角度θtilt应该处于最小允许倾斜角θtilt-min和最大允许倾斜角θtilt-max之间，即θtilt-min＜θtilt＜θtilt-max。

δdi与相位板函数相关，表1中提供了几种相位板的相位函数

表1可以选用的相位板的相位函数

表中，(x,y)是位置坐标，α、β是相位调制系数，sgn(x)是符号函数，

m,n是多项式的阶数。

δdi与相位板函数有关，例如，三次型相位板对应的δdi为

其中，di为像距，fx为成像系统空间频率，δtra＝2(f/#)²λ为常规成像镜头的焦深，λ为入射光的波长。

可以由液晶空间光调制器替代相位板。液晶空间光调制器是一个器件，可以加载任意形式的相位调制方程，常规的相位板是一个经过微纳加工的玻璃基板，一旦加工好其参数无法再改变。利用空间光调制器可以实时灵活地加载相位调制函数和改变参数，不需要另外制作相位板。

经过波前编码成像镜头产生的中间像是模糊的，需要利用数字重构方法获得清晰图像。图像处理器对中间像进行滤波等处理来实现数字重构，重构方法比如维纳滤波算法、逆滤波，改进的维纳滤波，卡尔曼滤波，lucy-richardson滤波，小波分析。例如利用维纳滤波算法进行处理，其表达式为：

其中，f(u,v)为重构图像的频谱函数，g(u,v)为中间模糊像的频谱函数，h(u,v)为波前编码系统的调制传递函数(mtf)，噪声和信号功率谱的比值k＝n/sf可以通过测量估计得出，n是噪声谱，sf是功率谱。g(u,v)是实际成像过程中，经过编码后的模糊中间像的频谱函数，也就是傅里叶变换后的结果。由此可知，如果调制传递函数h(u,v)已知，并已通过测量得出了估计参数k，则可以得到重构图像的频谱函数f(u,v)，再对f(u,v)进行傅里叶逆变换就可以获得复原图像。复原图像所用的调制传递函数h(u,v)，通过测量编码成像镜头对焦时的点扩展函数(psf)并经过傅立叶变换获得。尽管倾斜面阵探测器各个像元的离焦量不同，由于波前编码成像镜头的h(u,v)函数在焦深范围内具有离焦稳定性，因此可以用同一个滤波函数，即h(u,v)对面阵探测器获取的不同离焦量下的模糊图像进行逆滤波，进而计算产生清晰的复原图像。

实施例一

系统设计参数如表2所示，其中主镜头参数为:f/#＝5，effl＝100mm，相位调制系数α＝24π，像面探测器尺寸ld＝14mm。根据上述参数，计算求得探测器最大可倾斜角度θtilt-max＝15.3°。仿真结果表明，将面阵探测器按照倾斜角度θtilt为5°放置时，中心和边缘视场的反射光束已经超出成像系统的光阑，表明该光电成像系统已经具有猫眼回波抑制作用。

表2像面倾斜波前编码成像系统参数

根据上述设计参数，选取面阵探测器的倾斜角度θtilt为9°，以保证该光电成像系统具备很好的激光后向反射抑制作用，对光电成像系统进行仿真，成像结果如图5所示。三幅图像分别为(a)原图像、(b)在倾斜面阵探测器上所成模糊图像和(c)经过滤波处理获取的清晰输出图像，仿真结果证明了本发明所设计光电成像系统可以保持所成图像的质量不产生明显下降。

本发明所述的面阵探测器倾斜配置方案，不限于绕x轴旋转倾斜，还包括同时绕x轴和y轴旋转倾斜，其中激光入射方向为x轴正方向，垂直于x轴的为y轴，即先绕x旋转，再绕y旋转，其中每一步的旋转方法和角度限制都跟上文单轴旋转的方法相同，且互不干扰。