基于时分幅度调制的单像素层析扫描装置

技术领域

本发明涉及成像领域，尤其涉及一种基于时分幅度调制的单像素层析扫描装置。

背景技术

目标探测和追踪是人们一直以来都非常感兴趣的科研主题。为追求更好的目标探测效果，对于目标成像技术的探测一直备受关注。现有的成像探测装置，多用于平行光环境，在自然光环境中的分辨率很不理想。

且现有的成像探测技术中，成像探测器的探测区域较小，难以覆盖像方视场，只能通过成像探测器的移动来保证对完整的投影图像的采集。成像探测器的移动，容易导致采集到的投影图像出现抖动，影响图像品质。

发明内容

为了解决上述现有技术中成像探测器在运动状态下工作导致采集到的投影图像出现抖动的缺陷，本发明提出了一种基于时分幅度调制的单像素层析扫描装置。

本发明采用以下技术方案：

一种基于时分幅度调制的单像素层析扫描装置，包括：成像探测器以及在待成像物体的成像面到成像探测器的光路上顺序布置的像旋转装置、柱面镜和第一聚焦透镜；

像旋转装置用于对入射的投影图像进行旋转，以生成旋转图像；

柱面镜用于对入射的图像进行一维积分放大；

第一聚焦透镜用于对入射的图像进行聚焦，使聚焦后的图像完全位于成像探测器的探测区域内。

优选的，所述待成像物体的成像面到成像探测器的光路上还设有时分调制单元，所述时分调制单元位于柱面镜和第一聚焦透镜之间；

时分调制单元用于对入射的图像进行时序调制和幅度调制。

优选的，成像探测器和上位机之间串联有锁相放大电路和模拟信号采集卡；成像探测器输出的模拟信号经锁相放大电路放大后由模拟信号采集卡转换为数字信号，上位机用于根据所述数字信号进行图像重构；所述时分调制单元的斩波频率与锁相放大电路的参考信号频率相等，以通过时分调制单元为锁相放大电路提供参比信号。

优选的，所述时分调制单元采用带状调制单元；所述带状调制单元实现为设有多个透光区域的黑色板件，多个透光区域在黑色板件上呈台阶状分布，且各透光区域由多个上下分布的狭缝组成，同一透光区域中任意相邻两个狭缝之间的隔离区面积和形状均相同；所述时分调制单元连接有驱动其上下运动的第一驱动装置。

优选的，各透光区域结构相同，且同一透光区域中的狭缝在竖直方向上的高度相同，同一透光区域中的狭缝在水平方向上的长度相同；同一透光区域中的狭缝在水平面上的投影完全重合；且相邻的两个透光区域在竖直方向上不重合。

优选的，所述时分调制单元采用圆形的时分调制盘；所述时分调制盘实现为设有多个透光区域的圆形黑色板件；所述圆形黑色板件上沿圆周方向划分为K 个圆心角相等的扇形区域，K＝360/a，a为扇形区域的圆心角；

每一个扇形区域中设有由多个狭缝组成的透光区域，所述狭缝为位于相应的扇形区域内且位于该扇形区域的同心圆环上的扇形缝隙，同一个扇形区域中的狭缝组合形成圆心角小于或等于该扇形区域的圆心角的扇域；多个扇域在所述圆形黑色板件上涡旋型排列，且以同一扇域中相邻的狭缝之间的间隔作为隔离区，各扇域的隔离区的面积和形状均相同。

优选的，还包括位于待成像物体和像旋转装置之间的前置聚焦透镜和位于像旋转装置和柱面镜之间的后置聚焦透镜。

优选的，前置聚焦透镜、后置聚焦透镜和第一聚焦透镜均为凸透镜，柱面镜采用平凸镜；柱面镜与后置聚焦透镜之间的距离为后置聚焦透镜的焦距的 1.5～2倍。

优选的，像旋转装置采用道威棱镜或者别汉棱镜；

像旋转装置的光轴水平设置，且像旋转装置的光轴与前置聚焦透镜的光轴、后置聚焦透镜的光轴、第一聚焦透镜的光轴均共线；

或者，像旋转装置的竖直水平设置，前置聚焦透镜的光轴、后置聚焦透镜的光轴和第一聚焦透镜的光轴水平设置并共线；像旋转装置与前置聚焦透镜之间将前置聚焦透镜的出射光反射到像旋转装置上的前置直角棱镜，像旋转装置与后置聚焦透镜之间将像旋转装置的出射光反射到后置聚焦透镜上的后置直角棱镜。

优选的，采用该基于时分幅度调制的单像素层析扫描装置进行成像时，具体包括以下步骤：

S1、设置光路：在全黑环境中设置待成像物体和该基于时分幅度调制的单像素层析扫描装置，使成像探测器位于成像旋转装置的图像旋转中心，并对待成像物体打光；

S2、采集一维积分图像：在像旋转装置静止状态下，驱动时分调制单元工作以对柱面镜的出射图像进行时序调制和幅度调制，调制后的图像信号经第一聚焦透镜聚焦后投射到成像探测器的光敏面并被用于提取投影数据；

S3、重构二维图像：将像旋转装置旋转θ角度后重复步骤S2，采集N组投影数据，N＝180/θ；结合N组投影数据重构待成像物体的二维图像。

本发明的优点在于：

(1)本发明中，通过柱面镜对光信号进行一维积分，实现了对光信号的信号加强，即对经过柱面镜的旋转图像在积分方向上进行像素值提升。通过柱面镜和成像探测器的配合，相当于对待成像物体的反射光进行二次积分，使得成像探测器获得到的旋转图像的像素更加易于区分，从而使得最终获得的待成像物体的重构二维图像更加清晰。

(2)本发明中，在柱面镜和成像探测器之间设置第一聚焦透镜，使得经过柱面镜的旋转图像再经过第一聚焦透镜聚焦后投射到成像探测器上，使得旋转图像完全位于成像探测器的探测区域内，从而实现了成像探测器在静止状态下对待成像物体的投影图像的采集。

(3)本发明中，时分调制单元配合所述锁相放大电路对经过柱面镜一维积分后的图像信号进行调制与解调，既能实现噪声中微弱信号的提取，又对成像探测器采集到的信号进行滤波，实现高效去噪。

(4)本发明结合点阵探测器适合在低照度环境下工作的优势，可较大幅度的提高系统的信噪比，实现更高的分辨率。

(5)本发明中还提供了一种带状的时分调制单元，其结构简单，透光区域沿着垂直方向分布。该时分调制单元工作时，运动速度易于稳定控制，从而保证对光信号进行时序调制的稳定可靠。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于时分幅度调制的单像素层析扫描装置结构图；

图2为本发明提供的另一种基于时分幅度调制的单像素层析扫描装置结构图；

图3为图2中的时分调制单元的正视图；

图4为圆盘式时分调制单元的正视图。

图示：1、待成像物体；2、前置聚焦透镜；3、像旋转装置；4、后置聚焦透镜；5、柱面镜；6、时分调制单元；、黑色板件；7、第一聚焦透镜；8、成像探测器。

具体实施方式

一种基于时分幅度调制的单像素层析扫描装置

本实施方式提出的一种基于时分幅度调制的单像素层析扫描装置，包括：成像探测器8以及在待成像物体1的成像面到成像探测器8的光路上顺序布置的像旋转装置3、柱面镜5和第一聚焦透镜7。即，在光传播方向上，待成像物体的成像面朝向像旋转装置3，待成像物体、像旋转装置3、柱面镜5、第一聚焦透镜7和成像探测器8沿着光传播方向顺序布置。

像旋转装置3用于对入射的投影图像进行旋转，以生成旋转图像。

柱面镜5用于对入射的图像进行一维积分放大。

第一聚焦透镜7用于对入射的图像进行聚焦，使聚焦后的图像完全位于成像探测器8的探测区域内。

本实施方式中，通过柱面镜5对光信号进行一维积分，实现了对光信号的信号加强，即对经过柱面镜5的旋转图像在积分方向上进行像素值提升。通过柱面镜5和成像探测器8的配合，相当于对待成像物体的反射光进行二次积分，使得成像探测器8获得到的旋转图像的像素更加易于区分，从而使得最终获得的待成像物体的重构二维图像更加清晰。

同时，本实施方式中，在柱面镜5和成像探测器8之间设置第一聚焦透镜7，使得经过柱面镜5的旋转图像再经过第一聚焦透镜7聚焦后投射到成像探测器8 上，使得旋转图像完全位于成像探测器8的探测区域内，从而实现了成像探测器8在静止状态下对待成像物体1的投影图像的采集。

本实施方式中，成像探测器8采用点阵探测器，

本实施方式中，所述待成像物体1的成像面到成像探测器8的光路上还设有时分调制单元6，所述时分调制单元6位于柱面镜5和第一聚焦透镜7之间。时分调制单元6用于对入射的图像进行时序调制和幅度调制。

成像探测器8和上位机之间串联有锁相放大电路和模拟信号采集卡。成像探测器8输出的模拟信号经锁相放大电路放大后由模拟信号采集卡转换为数字信号，上位机用于根据所述数字信号进行图像重构。所述时分调制单元6的斩波频率与锁相放大电路的参考信号频率相等，以通过时分调制单元6为锁相放大电路提供参比信号。

如此，时分调制单元6配合所述锁相放大电路对经过柱面镜5一维积分后的图像信号进行调制与解调，既能实现噪声中微弱信号的提取，又对成像探测器8采集到的信号进行滤波，实现高效去噪。所述模拟信号采集卡用于捕获锁相放大电路输出的模拟信号并转换为数字信号，以便上位机根据模拟信号采集卡输出的数字信号进行二维图像的重构。

本实施方式中，还包括位于待成像物体和像旋转装置3之间的前置聚焦透镜2和位于像旋转装置3和柱面镜5之间的后置聚焦透镜4。前置聚焦透镜2用于对待成像物体进行聚焦，后置聚焦图像用于像旋转装置3出射的旋转图像进行聚焦。

前置聚焦透镜2、后置聚焦透镜4和第一聚焦透镜7均为凸透镜，柱面镜5 采用平凸镜；且沿着光路方向，柱面镜5的凸面朝向第一聚焦透镜7。柱面镜5 与后置聚焦透镜4之间的距离为后置聚焦透镜4的焦距的1.5～2倍。

具体实施时，可设置像旋转装置3的光轴水平设置，且像旋转装置3的光轴与前置聚焦透镜2的光轴、后置聚焦透镜4的光轴、第一聚焦透镜7的光轴均共线，如图1所示。

另一种实施方式中，也可设置像旋转装置3的光轴竖直设置，前置聚焦透镜2的光轴、后置聚焦透镜4的光轴和第一聚焦透镜7的光轴水平设置并共线；像旋转装置3与前置聚焦透镜2之间将前置聚焦透镜2的出射光反射到像旋转装置3上的前置反射镜9A，像旋转装置3与后置聚焦透镜4之间将像旋转装置 3的出射光反射到后置聚焦透镜4上的后置反射镜9B。如此，实现了像旋转装置3的水平旋转，有利于减小重力因素引入的旋转偏心。具体的，前置反射镜 9A和后置反射镜9B均可采用直角棱镜。

具体的，本实施方式中，像旋转装置3采用道威棱镜或者别汉棱镜，且像旋转装置3连接有第二驱动装置，第二驱动装置驱动像旋转装置3旋转，以实现像旋转装置3的自动旋转。本实施方式中，时分调制单元6连接有第一驱动装置，以驱动时分调制单元6运动，从而实现对光信号的时序调制。

采用该基于时分幅度调制的单像素层析扫描装置进行成像时，具体包括以下步骤：

S1、设置光路：在全黑环境中设置待成像物体和该基于时分幅度调制的单像素层析扫描装置，使成像探测器8位于成像旋转装置3的图像旋转中心，并对待成像物体打光，以便待成像物体的投影图像入射到成像旋转装置3上，从而可根据像旋转装置3的旋转获得对投影图像经过不同角度旋转后的图像。

S2、采集一维积分图像：在像旋转装置3静止状态下，驱动时分调制单元6 工作以对柱面镜5的出射图像进行时序调制和幅度调制，调制后的图像信号经第一聚焦透镜7聚焦后投射到成像探测器8的光敏面并被用于提取投影数据。

S3、重构二维图像：将像旋转装置3旋转θ角度后重复步骤S2，采集N组投影数据，N＝180/θ；结合N组投影数据重构待成像物体的二维图像。

具体实施时，步骤S1中，可通过第一驱动装置驱动时分调制单元6在垂直于光传播的方向上移动，以对一维积分放大后的光信号进行时序调制和幅度调制，调制后的图像信号经第一聚焦透镜7聚焦后投射到成像探测器8的光敏面，成像探测器8采集光信号，该光信号经过锁相放大电路解调后提取有用信号作为投影数据，模拟信号采集卡将投影数据从模拟信号转为数字信号并发送给上位机。步骤S2中，由上位机结合N组被转换为数字信号的投影数据重构待成像物体的二维图像。

一种带状时分调制单元

本实施方式中，所述时分调制单元6采用带状调制单元61；所述带状调制单元61实现为设有多个透光区域的黑色板件，多个透光区域在黑色板件上呈台阶状分布，且各透光区域由多个上下分布的狭缝组成，同一透光区域中任意相邻两个狭缝之间的隔离区面积和形状均相同。

具体的，如图3所示带状调制单元61中，透光区域中的白色区域为狭缝，透光区域中的黑色线段为隔离区。具体的，带状调制单元61为在黑色板件上设置多个呈台阶分布的透光区域，各透光区域为在黑色板件上切割出作为狭缝的缝隙叠加组成。

本实施方式中，通过狭缝对光信号进行幅度调制，并在黑色板件运动状态下通过调整位于光路上的透光区域，实现对光信号的时序调制。具体的，在上述基于时分幅度调制的单像素层析扫描装置中，黑色板件垂直于光的传播方向设置，使得多个透光区域所在平面垂直于光的传播方向，保证光线可通过透光区域进行传播。

本实施方式中，各透光区域结构相同，且同一透光区域中的狭缝在竖直方向上的高度相同，同一透光区域中的狭缝在水平方向上的长度相同，已实现固定的调制幅度；同一透光区域中的狭缝在水平面上的投影完全重合。

本实施方式中，所述时分调制单元6中，相邻的两个透光区域在竖直方向上不重合，以避免时序相邻的调制光信号相互干扰。

一种圆形的时分调制盘

本实施方式中，所述时分调制单元6采用圆形的时分调制盘62。所述时分调制盘62实现为设有多个透光区域的圆形黑色板件。所述圆形黑色板件上沿圆周方向划分为K个圆心角相等的扇形区域，K＝360/a，a为扇形区域的圆心角。

每一个扇形区域中设有由多个狭缝组成的透光区域，所述狭缝为位于相应的扇形区域内且位于该扇形区域的同心圆环上的扇形缝隙，同一个扇形区域中的狭缝组合形成圆心角小于或等于该扇形区域的圆心角的扇域；多个扇域在所述圆形黑色板件上涡旋型排列，即且多个透光区域绕圆形黑色板件的圆心呈环绕状排布并逐渐向圆心靠拢。如此，各透光区域在半径方向上与作为黑色板件的转轴中心的黑色板件的圆心的距离均布相同，从而保证了该时分调制盘62工作状态下对光信号进行充分的时序分离。

本实施方式中，以同一扇域中相邻的狭缝之间的间隔作为隔离区，各扇域的隔离区的面积和形状均相同。如图4所示，所述隔离区为扇域中的黑色线段。本实施方式中，黑色板件上的任意两个隔离区的面积和形状均相同，以实现对光信号的幅度调制。

本实施方式中，多个扇域在所述圆形黑色板件上涡旋型排列

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。