一種被動式單像素望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)和成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)成像領(lǐng)域，具體涉及一種被動式單像素望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)，還涉及相 應(yīng)的被動式單像素望遠(yuǎn)成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著高像素 CCD和CMOS等光敏傳感器的發(fā)展，光學(xué)成像的空間分辨率越來越高， 圖像質(zhì)量越來越精細(xì)。但圖像傳感器的像素提升已經(jīng)開始受到工藝的限制，更高的像素帶 來單個像素尺寸銳減，造成感光面減小、噪聲增加等不利因素，同時更高的像素要求更高性 能的圖像引擎，帶來更高的功耗，也直接提升了硬件的復(fù)雜性，推高了成像系統(tǒng)的成本。
[0003] 對于非可見光波段，特別是紅外、毫米波和X光波段，大面積的圖像傳感器陣列制 造非常困難，但這些波段的成像對于國防、工業(yè)和安全等行業(yè)有著重要作用。因此在沒有大 面陣成像器件的情況下，尋求上述波段高分辨率、低成本的成像方法及設(shè)備顯得尤為迫切。
[0004] 在圖像傳感器像素從幾十萬提升到幾千萬甚至幾億像素的同時，另一種成像 思路一一僅僅用單個像素成像的理論和技術(shù)也蓬勃發(fā)展。目前，單像素成像按照發(fā)展時 間可以分為量子成像（鬼成像）[Pittman T B, Shih Y H, Strekalov D V，et al. Optical imaging by means of two-photon quantum entanglement[J]. Phys. rev. a, 1995，52(5) :R3429-R3432]，基于壓縮傳感的單像素成像[Duarte MF, Davenport M /, Takhar D, et al. Single-Pixel Imaging via Compressive Sampling[J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2008，25(2) :83-91.]和基于傅里葉頻譜米樣的單像素成 像[Zhang Z, Ma X, Zhong J. Single-pixel imaging by means of Fourier spectrum acquisition. [J]. Nature Communications, 2015, 6]〇
[0005] 盡管上述方法都能夠采用單像素探測器通過一定次數(shù)的光場測量獲取目標(biāo)物體 的圖像，但都有一定的不足：（1)量子成像是利用糾纏光子的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行成像，有很強(qiáng)的抗 干擾性，但需要掃描，測量時間特別長；（2)壓縮傳感單像素成像利用圖像的稀疏性，相對 來說測量時間較短，但算法求解過程非常復(fù)雜；（3)基于傅里葉頻譜采樣單像素成像最大 的優(yōu)勢是算法特別簡單，僅僅傅里葉逆變換，但現(xiàn)有技術(shù)需要將余弦結(jié)構(gòu)光投射到目標(biāo)物 體上經(jīng)物體反射再收集光強(qiáng)成像。傅里葉頻譜采樣單像素成像方法對于較近的物體成像質(zhì) 量最好，但對于較遠(yuǎn)（50m~幾千米）的目標(biāo)，投射余弦條紋較為困難，一是大氣擾動造成條 紋畸變，破壞了理論推導(dǎo)中條紋圖案的完備性；二是投射過程中光線發(fā)散，光線到達(dá)目標(biāo)表 面，經(jīng)物體反射后再次發(fā)散，到達(dá)探測器涵蓋頻譜變化的信號已經(jīng)很難探測；三是對于較遠(yuǎn) 物體，條紋投射需要精確聚焦目標(biāo)上，對于較小物體特別困難；四是對于長距離透射，對比 度會隨著距離的增加而下降，最后條紋信號會淹沒在噪聲中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成像環(huán)境要求低的被動式單像素望遠(yuǎn)成像 系統(tǒng)，提供相應(yīng)的被動式單像素望遠(yuǎn)成像方法則是本發(fā)明的另一個目的。
[0007] 基于上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種被動式單像素望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)，包括 依次設(shè)置在光路上的成像透鏡、空間光調(diào)制器、光束會聚透鏡和數(shù)據(jù)采集卡；空間光調(diào)制器 設(shè)于成像透鏡的成像處，光束會聚透鏡位于空間光調(diào)制器的輸出光的光路上；數(shù)據(jù)采集卡 上設(shè)有光電轉(zhuǎn)換芯片，數(shù)據(jù)采集卡和空間光調(diào)制器通過數(shù)據(jù)線與處理器連接。
[0008] 進(jìn)一步地，所述空間光調(diào)制器為數(shù)字微鏡陣列（DMD)或液晶型空間光調(diào)制器。
[0009] 進(jìn)一步地，數(shù)字微鏡陣列（DMD)的芯片像素數(shù)目為1024X768pixels，像素大小 為13. 68X 13. 68微米，液晶型空間光調(diào)制器像素數(shù)目為1920X 1080pixels，振幅調(diào)制透射 型。
[0010] 進(jìn)一步地，所述成像透鏡包括同軸設(shè)置的主鏡和副鏡，主鏡靠近空間光調(diào)制器，主 鏡的直徑大于副鏡的直徑，主鏡上與副鏡相對的一面為拋物面，主鏡中間設(shè)有小孔；副鏡上 與主鏡相對的面為雙曲面。目標(biāo)物體的光線由主鏡反射到副鏡上，副鏡將光線反射后通過 小孔成像于空間光調(diào)制器上。
[0011] 與上述成像系統(tǒng)對應(yīng)的被動式單像素望遠(yuǎn)成像方法，其步驟為： (1) 目標(biāo)物體透射或反射的光線經(jīng)成像透鏡在空間光調(diào)制器上面成像，調(diào)整成像透鏡 的位置及角度，讓空間光調(diào)制器上的物像清晰； (2) 處理器控制空間光調(diào)制器移動和翻轉(zhuǎn)，在空間光調(diào)制器上連續(xù)加載三幅不同相移 量的余弦圖像，實(shí)現(xiàn)對物像的調(diào)制，對于每一組頻率分量（u，v)，三幅余弦圖像對應(yīng)的調(diào)制 物像記為
，X、y是目標(biāo)物體的像素點(diǎn)坐標(biāo)，u、v分別是X、y方向的頻率，A為直流偏置量；由于余弦有 負(fù)值，對于空間光調(diào)制器，尤其是數(shù)字微鏡陣列（DMD)或液晶型空間光調(diào)制器來說，是無法 表達(dá)負(fù)數(shù)的，通過引入直流偏置量A，可以保證調(diào)制圖案為正值。
[0012] (3)調(diào)制后的物像的光線被空間光調(diào)制器反射或透射后，經(jīng)過光束會聚透鏡會聚 以后打在光電轉(zhuǎn)換芯片上，將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，數(shù)據(jù)采集卡采集電壓信號后輸送 至處理器；對同一調(diào)制圖像的光強(qiáng)I (u，v)進(jìn)行5~30次采集并平均，與步驟（2)中加載的圖 像相對應(yīng)的光強(qiáng)分別標(biāo)記為I。(u, v)，L (u, v)，I2 (u, v); (4) 在獲取同頻率的余弦和正弦分量后，根據(jù)二維圖像傅里葉變換，經(jīng)過積分得到頻率 分量（u, V)，，通過下列式子求解頻譜F (u, V):轉(zhuǎn)《_*機(jī) j是虛數(shù)； (5) 根據(jù)頻譜F (u，v)通過傅里葉逆變換即可得到圖像/?',刃。
[0013] 進(jìn)一步地，步驟（2)加載的三幅不同相移量的余弦圖像包括兩幅相差π /2相位的 余弦圖像和一幅全白的圖像。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果： (1)本發(fā)明提供的基于三步相移的被動式單像素望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、成像系統(tǒng)環(huán) 境要求低，能夠有效減少采集時間，實(shí)現(xiàn)低采樣率下對目標(biāo)圖像的恢復(fù)。
[0015] (2)現(xiàn)有的傅里葉頻譜采樣單像素成像系統(tǒng)需要將余弦結(jié)構(gòu)光投射到目標(biāo)物體 上經(jīng)物體反射再收集光強(qiáng)成像，對于較近的物體成像質(zhì)量最好，但對于較遠(yuǎn)（50m~幾千米） 的目標(biāo)，投射余弦條紋較為困難；與現(xiàn)有的基于傅里葉域采樣的單像素望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)相比， 本發(fā)明提供的被動式單像素相機(jī)望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)不需要主動光源投射余弦條紋，為被動式成 像，成像距離大大增強(qiáng)，長距離成像抗干擾性增強(qiáng)，可以直接用于成像雷達(dá)。
[0016] (3)該成像系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，只需要光電轉(zhuǎn)換芯片探測到光強(qiáng)的變化即可， 因此可以利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對強(qiáng)散射介質(zhì)（如毛玻璃）等遮擋物后面的物體進(jìn)行成像。
[0017] ( 4)光束會聚透鏡有效會聚光線，增加光強(qiáng)，可提高探測信號比。
[0018] 本發(fā)明提供的被動式單像素望遠(yuǎn)成像方法只需探測到三幅圖像的光強(qiáng)即可實(shí)現(xiàn) 圖像重建，恢復(fù)算法簡單，圖像重建速度快，對于大尺寸的圖像也能完成拍攝和重建，在軍 事、遙感衛(wèi)星、天文學(xué)和工程檢測等宏觀領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價值。
【附圖說明】
[0019] 圖1是被動式單像素望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是在實(shí)施例1的數(shù)字微鏡陣列（DMD)上加載的圖像； 圖3是利用實(shí)施例1提供的裝置對圖像的拍攝結(jié)果； 圖4是在實(shí)施例1提供的裝置內(nèi)放置毛玻璃后對圖像的拍攝結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0021] 實(shí)施例1 一種被動式單像素望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括依次設(shè)置在光路上的成像 透鏡、數(shù)字微鏡陣列（DMD) 3、光束會聚透鏡4