一种具有激光防御功能的光电成像系统

1.本发明涉及光电成像系统，具体涉及一种具有激光防御功能的光电成像系 统。


背景技术：

2.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。当有入射激光照射该类光电 成像系统时，由于光学成像器件(物镜)对激光的汇聚作用，会在探测器表面聚 焦成面积很小的光斑，这个光斑会成为二次发光源，使得相当一部分入射激光将 再次通过物镜按原入射光路返回，产生强烈的后向反射激光回波，从而使得光电 成像系统可被入射激光侦察定位，这种现象被称为猫眼效应。与此同时，汇聚的 光斑在的探测器表面上，会形成极高的功率密度，当入射激光功率较大时候，光 电探测器极易被激光干扰致盲。因此光电成像系统除了具备优良的成像能力之 外，还应该具有反激光侦察定位与干扰致盲的防御能力。人们业已提出多种光电 成像系统激光防御方案，但因为存在明显影响系统成像性能或者防御需要先验知 识等原因，相应的光电成像系统还难以满足应用需求。
3.光电成像系统离焦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，即进行一定的离焦，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显著降低光电系统的猫眼效应，并 降低激光到达探测器表面的激光功率。常规光电成像系统离焦方案的缺点在于存 在提高激光防御能力和保持成像质量之间的矛盾。但是，研究表明提高激光防御 能力需要离焦范围越大越好，当离焦超过λ/4以后，系统的成像质量的明显下降， 且不能通过逆滤波等图像处理技术恢复。
4.光场成像系统可以同时记录包括光强分布和光线方向在内的四维光场信息， 如果将微透镜阵列置于主透镜的像面，而光电探测器置于微透镜阵列的焦平面， 那么到达光电探测器上的光斑将包含有方向信息的弥散光斑，从而能够降低猫眼 激光回波和提高激光致盲阈值，图像处理器将光电探测器获得的四维光场数据利 用相应的重聚焦算法进行重构，可以恢复出高像质量的清晰图像，其系统结构如 图1所示。对比无离焦常规成像系统，光场成像系统远场回波峰值光强与回波探 测器接收功率分别降低三个量级和两个量级以上，光电探测器表面的峰值光强和 最大单像素入射功率也降低近两个量级，该系统反激光侦察和反激光致盲效果都 较好。但是采用该方案时，若微透镜阵列处于负离焦状态(远离主透镜)时，系 统成像质量将下降，猫眼回波将显著增强，达不到光电成像系统反激光侦察的目 的。
5.典型的波前编码光电成像系统结构如图2所示，其在成像物镜的孔径光阑位 置插入一块相位板使其成为波前编码成像镜头，相位板对入射光场进行调制，使 目标通过成像镜头在其焦平面附近的面阵探测器上形成模糊中间像，面阵探测器 将图像转换为电信号并通过图像处理器对探测器输出的模糊中间像进行数字重 构，恢复成清晰的输出图像。相
位板经过特殊设计，使波前编码成像镜头的光学 传递函数具有显著的离焦不变性，即使在面阵探测器离焦量较大的情况下，波前 编码光电成像系统依然能够使保持高成像质量。对比无离焦常规成像系统，离焦 波前编码系统可以将远场回波峰值光强与回波探测器接收功率降低两个量级以 上，达到较好的反激光侦察效果，但是该离焦波前编码成像系统只能将探测器峰 值光强和最大单像素入射功率降低一个量级以上，因此反激光致盲效果一般。对 于波前编码系统，入射高斯光束经过立方相位调制后在系统焦平面附近形成l型 无衍射艾里光场，其尺寸和光强分布在较大离焦范围均能保持稳定，因此景深延 拓特性比较好，但光场中心主瓣能量集中，这也限制了波前编码系统反激光致盲 性能的进一步提升。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种既能保证成像质量又具有激光防御功能的光电 成像系统。
7.实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有激光防御功能的光电成像系 统，其特征在于，是一种波前编码和光场成像复合的光电成像系统，包括波前编 码成像镜头、微透镜阵列、面阵探测器、图像处理器件和输出显示器件，入射激 光经波前编码成像镜头调制，产生无衍射艾里光束，光束经焦平面附近的微透镜 阵列进行角度离散采样后，最终被面阵探测器接收，面阵探测器将接收到的角度 离散采样以后模糊的中间像送到信号处理器中进行重聚焦和解码处理，形成清晰 的数字图像，由输出显示器件输出显示。
8.进一步的，所述信号处理器接收的中间像即原始光场图像，包含包含被拍摄 物空间的五维光场图像信息，需要先对五维光场图像进行重采样，将数据按角度
ꢀ‑
空间坐标的顺序进行重构，最终得到五维光场矩阵；然后将五维光场矩阵利用 数字重聚焦算法进行处理得到重聚焦光场图像；接着对重聚焦光场图像利用波前 编码的解码算法进行解码，即将解码函数与重聚焦光场图像在空域进行卷积运算 或在频域进行等效运算得到清晰的复合成像系统解码图像。
9.更进一步的，所述重聚焦算法包括shift and sum算法和频域重聚焦算法； 所述波前编码的解码算法包括维纳滤波、逆滤波、卡尔曼滤波、lucy
‑
richardson 滤波和小波分析。
10.进一步的，所述波前编码成像镜头由四片式成像镜头和相位板构成，所述相 位板为立方相位板或者非旋转对称相位板。
11.进一步的，所述波前编码成像镜头由四片式成像镜头和液晶空间光调制器构 成。
12.进一步的，所述微透镜阵列离焦量与光电成像系统参数相关，设置成像主透 镜焦距、成像主透镜尺寸、微透镜阵列单元焦距、微透镜阵列单元尺寸、面阵探 测器像元尺寸、面阵探测器反射率、微透镜阵列距离面阵探测器的距离后，计算 面阵探测器表面单像素入射功率和微透镜阵列离焦量关系曲线，以及系统回波功 率与微透镜阵列离焦量关系曲线，回波功率关系曲线中极小值点对应的离焦量即 为最优值，如存在多个极小值点，则在其中取回波功率最小的极值点所对应的离 焦量为最优值。
13.进一步的，所述光电成像系统的结构为透射式结构、反射式结构或同轴卡塞 格林式结构。
14.一种光电成像方法，基于所述的具有激光防御功能的光电成像系统进行光电 成
像。
15.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1)利用系统的非对焦结构减弱 了由于探测器表面反射所形成的猫眼回波，利用微透镜阵列角度采样了波前编码 的中间像，扩大了成像光斑的弥散程度，提高了激光的致盲阈值，在保持光电系 统的成像质量的前提下提高了系统的焦深。2)利用重构算法先对光场原始数据 进行重采样，将数据按角度
‑
空间坐标的顺序进行重构得到五维光场矩阵，再将 重采样的五维光场矩阵利用数字重聚焦算法进行处理得到重聚焦光场图像，最后 对重聚焦光场图像进行波前解码恢复出清晰的图像，进一步提高了成像的质量。
附图说明
16.图1是光场成像系统的结构示意图。
17.图2是波前编码光电成像系统的结构示意图。
18.图3是本发明光电成像系统的结构示意图。
19.图4是本发明光电成像系统的算法流程图。
20.图5是常规成像系统(conventional)、波前编码成像系统(wfc)、光场成 像系统(lfc)和复合成像系统(composite)探测器最大单像素入射功率p
pixel
随 离焦量w
20
＝
±
10λ的变化曲线图。
21.图6是常规成像系统(conventional)，波前编码成像系统(wfc)、光场成 像系统(lfc)和复合成像系统(composite)回波探测器接收功率p
dec
随离焦量 w
20
＝
±
10λ的变化曲线图。
22.图7是常规成像系统与复合成像系统的成像效果对比图。
具体实施方式
23.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以 解释本技术，并不用于限定本技术。
24.本发明具有激光防御功能的光电成像系统，是一种波前编码和光场成像复合 的光电成像系统。系统组成主要包括波前编码成像镜头(包含相位板的一组透 镜)、微透镜阵列、面阵探测器、图像处理器件和输出显示器件，系统结构如图 3所示。入射激光经波前编码成像镜头调制，产生无衍射艾里光束，光束经焦平 面附近的微透镜阵列进行角度离散采样后，最终被面阵探测器接收。面阵探测器 将接收到的角度采样以后模糊的中间像(原始光场图像)送到信号处理器中进行 重聚焦和解码等处理，形成清晰的数字图像进行输出和结果显示。
25.由于面阵探测器采集的原始光场图像数据包含被拍摄物空间的五维光场图 像信息(两维角度、两维位置、一维颜色)，由宏像素阵列组成，因此不利于观 察和后期处理，需要信号处理器对其进行二次变换与解码。二次变换与解码的算 法流程如图4所示，首先，需要对五维光场图像进行重采样，将数据按角度
‑
空 间坐标的顺序进行重构，最终得到五维光场矩阵。然后将重采样的五维光场矩阵 利用数字重聚焦算法进行处理即可得到重聚焦光场图像。利用重聚焦算法，例如 shift and sum算法，对光场数据进行处理，得到的经重
聚焦后的光场图像依然呈 模糊状态，这是主要是由立方相位调制引起的，因此需要对重聚焦图像进行解码， 这里采用的波前编码的解码算法，例如维纳滤波算法进行处理。最后将解码函数 与重聚焦光场图像在空域进行卷积运算或在频域进行等效运算后即可得到清晰 的复合成像系统解码图像，图像细节得以复现。
26.复合成像系统的原始光场图像为一系列圆形宏像素阵列的集合，这一点与 光场成像系统类似，区别在于光场成像系统的宏像素尺寸取决于参考物面位置， 即光场探测器的离焦量；而复合成像系统的宏像素尺寸在较大焦深范围内均能保 持稳定，且近似等于微透镜单元尺寸，这样既能保证探测器的利用率，又不易产 生宏像素交叠，从而使得复合成像系统兼顾波前编码成像系统突出的景深延拓特 性和光场成像系统优越的激光防御性能。
27.下面给出一种具有激光防御功能的光电成像系统的实施例。复合成像系统 器件参数设置如表1所示，波前编码成像镜头由四片式成像镜头和立方相位板构 成，等效成像主透镜焦距为100mm，相位板调制系数为α＝100，微透镜阵列距 离面阵探测器的距离固定为成像主透镜的焦距100mm，而微透镜阵列离焦大小 由以下仿真过程确定：根据成像系统参数，计算得到探测器表面单像素入射功率 和微透镜阵列离焦量关系曲线，以及系统回波功率与微透镜阵列离焦量关系曲 线，回波功率关系曲线中极小值点对应的离焦量即为最优值，如存在多个极小值 点，则在其中取回波功率最小的极值点所对应的离焦量为最优值。
28.表1复合成像系统的参数
[0029][0030]
仿真初始条件为：入射激光功率为60w，波长为532nm，高斯光束束腰尺 寸为5mm，束腰距光学系统500m，面阵探测器的等效面积为φ50mm，面阵探 测器与发射激光处于同一位置。
[0031]
图、图6给出了四种成像系统探测器的最大单像素入射功率p
pixel
和500m处 回波探测器接收功率p
dec
随离焦量w
20
＝
±
10λ的变化曲线。
[0032]
分析图5可知，常规成像系统(conventional)离焦虽可以显著降低最大单像素 入射功率，但成像质量迅速下降且不可恢复。波前编码成像系统(wfc)能较大 程度降低像面探测器光斑的峰值功率密度，使其最大单像素入射功率降低一个量 级以上，但由于艾里光束的无衍射特性，光束中心的能量密度较为集中，且像面 离焦操作无法进一步显著提升系统的反激光致盲性能；光场成像系统(lfc)可 以将探测器表面的聚焦光场弥散化，将最大
单像素入射功率降低两个量级以上, 但随着离焦量的增加，探测器最大单像素入射功率p
pixel
会有波动，导致其焦深延 拓率小于波前编码系统。对于复合成像系统(composite)，由于立方相位板与 微透镜阵列的共同作用，系统的反激光致盲性能与光场成像系统(lfc)相似。
[0033]
分析图6可知，常规成像系统(conventional)离焦虽可以显著降低回波探测器 接收功率，但成像质量迅速下降且不可恢复。对于波前编码成像系统(wfc)， 由于立方相位的调制作用，其回波中心光强呈非旋转对称结构，回波尺寸随离焦 量的增加显著增大，与常规系统的变化规律基本一致；对于光场成像系统(lfc)， 由于各微镜单元回波分量的相干叠加，回波强度出现一定程度的周期性起伏，但 整体仍保持单光斑结构，系统此时存在较强的负离焦回波增强效应。其中，对比 无离焦状态，负离焦(w
20
＝
‑
6λ)光场成像系统的回波探测器接收功率增加了两 个量级以上。对于复合成像系统(composite)，一方面，由于立方相位板与微 透镜阵列的共同作用，回波中心光强呈非旋转对称
‑
周期分布。随着离焦量的增 加，回波尺寸与峰值光强中心偏移量都逐渐增大，其回波探测器接收功率下降， 且负离焦复合成像系统的探测器接收功率都较为稳定，无量级层面波动。与光场 成像系统相比，复合成像系统的负离焦功率曲线峰值降低了一个量级以上，有效 改善了系统回波的负离焦增强效应。
[0034]
分析图5、图6，综合考虑系统激光防御性能的提高和系统的稳定性，复合 成像系统微透镜阵列的离焦量设置为6λ最优，对比无离焦常规成像系统，采用 该结构参数设计的复合成像系统可将探测器面上的最大单像素入射功率分别由16101.96mw降为120.25mw，降幅分别为99.3％；回波探测器接收功率由 722.74mw降为3.51mw，降幅为99.5％。
[0035]
为评估采用该参数设计的复合成像系统在景深图像重构方面的成像质量，将 b，c，d三个字符分别置于物方空间的不同景深位置，其对应的物距为125mm， 150mm和200mm，采用可变焦的常规成像系统分别对三个字符成像以及采用复 合成像系统一次成像以后采用图4的计算算法解码与重构，其比较两者的成像效 果如图7所示。图7(a)
‑
(c)表示常规成像系统分别对b、c、d字母三次对 焦的成像效果，聚焦参数γ分别为2.9，1和0.55，对应的聚焦物面分别为125mm， 150mm和200mm。结果显示，除了聚焦物面外，其余景深物面均呈模糊状态， 细节无法辨认，系统单次聚焦图像的景深较小。图7(d)表示复合成像系统经 过光场重聚焦算法以后的中间图像，由于立方相位调制的作用，图像的模糊程度 较为均匀。图7(e)表示将图7(d)进行逆滤波解码以后复现的清晰图像，可 以看出不同景深处的b、c、d三个字母都比较清晰在一张图像上显示，这说明 复合成像系统比常规成像系统具备更优越的景深延拓能力。
[0036]
综上所述，本发明不仅可以保持大面阵光电成像系统的高成像质量，还具 有远优于常规光电成像系统的猫眼效应抑制和激光致盲阈值提升的性能，很好地 解决现有光电成像系统对保持高质量成像性能和具备激光防御性能之间的矛盾， 具有广泛应用适应性。
[0037]
本发明所述相位板和微透镜阵列组成的复合成像系统方案中的元器件参数 可以改变，例如主透镜数目、尺寸、焦距，微透镜数目、尺寸、焦距、离焦量， 以及探测器的数目和尺寸等。本发明所述相位板不限于实施例所述的具有三次型 函数的立方相位板，可选择替代的非旋转对称相位板的相位函数形式，相位板的 调制系数等参数也可根据工程应用需要进行选择。由于液晶空间光调制器具有灵 活产生不同相位调制函数的特点，本发明所述
相位板也可以由液晶空间光调制器 替代，其原理与所述实施例相同。本发明所述的波前编码的解码算法不限于实施 例所述的维纳滤波，还包括诸如：逆滤波，改进的维纳滤波，卡尔曼滤波， lucy
‑
richardson滤波，小波分析，及其他改进算法，光场成像的重聚焦算法不限 于实施例所述的shift and sum算法，还包括诸如：2d frequency line，4d frequencyplanar等频域重聚焦算法。本发明所述的成像系统结构不限于实施例所述的常规 透射式结构，还包括反射式或同轴卡塞格林式成像结构。
[0038]
以上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。
[0039]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普 通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进， 这些都属于本技术的保护范围。