[实用新型]一种被动式单像素望远成像系统

说明书

技术领域

本发明属于光学成像领域，具体涉及一种被动式单像素望远成像系统。

背景技术

随着高像素CCD和CMOS等光敏传感器的发展，光学成像的空间分辨率越来越高，图像质量越来越精细。但图像传感器的像素提升已经开始受到工艺的限制，更高的像素带来单个像素尺寸锐减，造成感光面减小、噪声增加等不利因素，同时更高的像素要求更高性能的图像引擎，带来更高的功耗，也直接提升了硬件的复杂性，推高了成像系统的成本。

对于非可见光波段，特别是红外、毫米波和X光波段，大面积的图像传感器阵列制造非常困难，但这些波段的成像对于国防、工业和安全等行业有着重要作用。因此在没有大面阵成像器件的情况下，寻求上述波段高分辨率、低成本的成像方法及设备显得尤为迫切。

在图像传感器像素从几十万提升到几千万甚至几亿像素的同时，另一种成像思路——仅仅用单个像素成像的理论和技术也蓬勃发展。目前，单像素成像按照发展时间可以分为量子成像(鬼成像)[PittmanTB,ShihYH,StrekalovDV,etal.Opticalimagingbymeansoftwo-photonquantumentanglement[J].Phys.rev.a,1995,52(5):R3429-R3432]，基于压缩传感的单像素成像[DuarteMF,DavenportM/,TakharD,etal.Single-PixelImagingviaCompressiveSampling[J].IEEESignalProcessingMagazine,2008,25(2):83-91.]和基于傅里叶频谱采样的单像素成像[ZhangZ,MaX,ZhongJ.Single-pixelimagingbymeansofFourierspectrumacquisition.[J].NatureCommunications,2015,6]。

尽管上述方法都能够采用单像素探测器通过一定次数的光场测量获取目标物体的图像，但都有一定的不足：（1）量子成像是利用纠缠光子的关联性进行成像，有很强的抗干扰性，但需要扫描，测量时间特别长；（2）压缩传感单像素成像利用图像的稀疏性，相对来说测量时间较短，但算法求解过程非常复杂；（3）基于傅里叶频谱采样单像素成像最大的优势是算法特别简单，仅仅傅里叶逆变换，但现有技术需要将余弦结构光投射到目标物体上经物体反射再收集光强成像。傅里叶频谱采样单像素成像方法对于较近的物体成像质量最好，但对于较远（50m~几千米）的目标，投射余弦条纹较为困难，一是大气扰动造成条纹畸变，破坏了理论推导中条纹图案的完备性；二是投射过程中光线发散，光线到达目标表面，经物体反射后再次发散，到达探测器涵盖频谱变化的信号已经很难探测；三是对于较远物体，条纹投射需要精确聚焦目标上，对于较小物体特别困难；四是对于长距离透射，对比度会随着距离的增加而下降，最后条纹信号会淹没在噪声中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、成像环境要求低的被动式单像素望远成像系统。

基于上述目的，本发明采用以下技术方案：一种被动式单像素望远成像系统，包括依次设置在光路上的成像透镜、空间光调制器、光束会聚透镜和数据采集卡；空间光调制器设于成像透镜的成像处，光束会聚透镜位于空间光调制器的输出光的光路上；数据采集卡上设有光电转换芯片，数据采集卡和空间光调制器通过数据线与处理器连接。

进一步地，所述空间光调制器为数字微镜阵列（DMD）或液晶型空间光调制器。

进一步地，数字微镜阵列（DMD）的芯片像素数目为1024×768pixels，像素大小为13.68×13.68微米，液晶型空间光调制器像素数目为1920×1080pixels，振幅调制透射型。

进一步地，所述成像透镜包括同轴设置的主镜和副镜，主镜靠近空间光调制器，主镜的直径大于副镜的直径，主镜上与副镜相对的一面为抛物面，主镜中间设有小孔；副镜上与主镜相对的面为双曲面。目标物体的光线由主镜反射到副镜上，副镜将光线反射后通过小孔成像于空间光调制器上。

与上述成像系统对应的被动式单像素望远成像方法，其步骤为：

（1）目标物体透射或反射的光线经成像透镜在空间光调制器上面成像，调整成像透镜的位置及角度，让空间光调制器上的物像清晰；