高分辨单光子成像系统及方法与流程

本申请涉及成像，具体涉及一种高分辨单光子成像系统及方法。

背景技术：

1、单光子激光雷达是一种基于微弱光探测的新型激光雷达(lidar)技术，可实现单个光子探测与计数，目前已达到了理论的探测极限，如今与弱光探测、超远距探测、人工智能等技术领域紧密结合并共同发展，产生了诸多研究成果。不同于传统激光雷达，单光子激光雷达通过对回波光子信号进行时间累积恢复出回波信号的离散波形，获取目标距离与反射率信息。单光子激光雷达的核心组成部分主要由激光器、收发光路、单光子探测器、tcspc模块以及控制与数据处理端组成。单光子激光雷达的主要性能指标包括探测距离、探测精度。其中，探测精度又包含测距精度和图像灰度精度。

2、图1示出了传统的单光子激光雷达成像系统的结构示意图，激光器发出的激光经过光纤传输至准直器进行准直后，经过过滤器、透镜、耦合镜到达目标物，对目标物进行成像。当目标反射回波信息之后，回波信息经过耦合镜、分束镜、过滤器、透镜、准直器，并经过光纤被单光子探测器探测，时间相关单光子计数器记录接收光子的时间，以此对目标成像。但是，由于衍射极限的限制，该系统产生的光斑较大，大光斑涵盖的细节信息较少，成像效果较差，分辨率较低，难以达到或超过衍射极限。

技术实现思路

1、本申请实施例提供一种高分辨单光子成像系统及方法，旨在解决现有技术中雷达扫描成像效果较差、分辨率较低的技术问题。

2、一方面，本申请实施例提供一种高分辨单光子成像系统，包括激光发射单元、超振荡单元、回波接收单元和光子探测单元，

3、所述激光发射单元用于发射脉冲激光，

4、所述超振荡单元包括超振荡元件和聚焦组件，所述超振荡元件用于对所述脉冲激光进行调制，经过调制后的脉冲激光经过聚焦组件后形成超振荡光斑投射至待测目标并产生回波，

5、所述聚焦组件还用于接收待测目标产生的回波并将所述回波传输至所述回波接收单元，

6、所述回波接收单元用于提取回波的中心能量后将回波的中心能量传输给所述光子探测单元，

7、所述光子探测单元用于将接收回波光信号转变为电信号。

8、根据本申请第一方面的实施方式，所述激光发射单元包括激光器和扩束组件，

9、所述激光器用于发射脉冲激光，

10、所述扩束组件用于对所述激光器发射的脉冲激光进行扩束，以使扩束后的脉冲激光填充满所述超振荡元件的有效口径。

11、根据本申请第一方面前述任一实施方式，所述扩束组件包括用于对脉冲激光进行扩束的扩束透镜和用于对扩束后的脉冲激光进行矫正的矫正透镜。

12、根据本申请第一方面前述任一实施方式，所述聚焦组件包括沿着所述激光发射单元的出射光路设置的第一分束镜、扫描反射镜和望远镜，

13、经过所述超振荡元件调制的脉冲激光通过所述第一分束镜后出射至所述扫描反射镜，

14、所述扫描反射镜用于将接收的光束反射至所述望远镜，所述扫描反射镜的反射角度可调，

15、所述望远镜用于对接收的脉冲激光进行聚焦以产生投射至待测目标的超振荡光斑，

16、所述望远镜还用于接收待测目标产生的回波，并将接收的回波传输至扫描反射镜，所述扫描反射镜将回波反射至所述第一分束镜，所述第一分束镜将回波分束至所述回波接收单元。

17、根据本申请第一方面前述任一实施方式，所述望远镜包括望远目镜，通过调节所述望远目镜可以改变所述望远目镜与所述扫描反射镜之间的距离。

18、根据本申请第一方面前述任一实施方式，所述望远镜还包括望远物镜，所述望远物镜为离轴两反式望远物镜。

19、根据本申请第一方面前述任一实施方式，所述离轴两反式望远物镜包括沿着脉冲激光传播方向设置的第一反射镜和第二反射镜，

20、所述第一反射镜用于对脉冲激光进行扩束并反射至所述第二反射镜，

21、所述第二反射镜用于对脉冲激光进行缩束并将缩束后的脉冲激光投射至待测目标。

22、根据本申请第一方面前述任一实施方式，所述回波接收单元包括沿着回波传播方向设置的聚焦透镜组和光阑，

23、所述聚焦透镜组用于对回波进行聚焦，

24、所述光阑用于阻挡回波的中心能量以外的其他能量，以将回波的中心能量传输至所述光子探测单元。

25、根据本申请第一方面前述任一实施方式，所述聚焦透镜组包括沿着回波传播方向设置的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜。

26、根据本申请第一方面前述任一实施方式，高分辨单光子成像系统还包括被动成像单元，在所述扫描反射镜与所述望远镜之间的光路上设置有第二分束镜，所述第二分束镜用于将回波部分地分束至所述被动成像单元。

27、根据本申请第一方面前述任一实施方式，所述被动成像单元包括沿着回波传播方向设置的、用于聚焦成像的第一透镜、第二透镜和胶合透镜。

28、根据本申请第一方面前述任一实施方式，在所述望远目镜与所述望远物镜之间的光路上设置有反射镜。

29、根据本申请第一方面前述任一实施方式，所述超振荡元件可以产生直径小于聚焦艾里光斑的光斑。

30、根据本申请第一方面前述任一实施方式，所述超振荡元件为表面具有微纳结构的微纳元件或者能够产生贝塞尔光束的元件。

31、第二方面，本申请实施例提供一种高分辨单光子成像方法，应用于前述高分辨单光子成像系统，包括

32、激光发射单元发射脉冲激光；

33、控制超振荡单元按照亚像素扫描方式对待测目标进行扫描；

34、回波接收单元接收待测目标产生的回波并对回波进行过滤；

35、光子探测单元接收经过回波接收单元过滤的回波光信号，并将回波光信号转变为电信号。

36、本申请实施例的高分辨单光子成像系统中，聚焦组件同时具备向待测目标发射脉冲激光和接收从待测目标反射的回波的作用，与采用两路光学器件分别实现激光发射功能和回波接收功能的系统相比，本申请实施例的高分辨单光子成像系统的光路结构更加简单，重量更轻；且超振荡元件与聚焦组件结合可以产生超振荡光斑，这种光斑的中心亮斑尺寸小于艾里斑尺寸，旁瓣能量分布较高，在激光三维成像中，可提升成像分辨率。

技术特征：

1.高分辨单光子成像系统，其特征在于：包括激光发射单元、超振荡单元、回波接收单元和光子探测单元，

2.根据权利要求1所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述激光发射单元包括激光器和扩束组件，

3.根据权利要求2所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述扩束组件包括用于对脉冲激光进行扩束的扩束透镜和用于对扩束后的脉冲激光进行矫正的矫正透镜。

4.根据权利要求1所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述聚焦组件包括沿着所述激光发射单元的出射光路设置的第一分束镜、扫描反射镜和望远镜，

5.根据权利要求4所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述望远镜包括望远目镜，通过调节所述望远目镜可以改变所述望远目镜与所述扫描反射镜之间的距离。

6.根据权利要求5所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述望远镜还包括望远物镜，所述望远物镜为离轴两反式望远物镜。

7.根据权利要求6所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述离轴两反式望远物镜包括沿着脉冲激光传播方向设置的第一反射镜和第二反射镜，

8.根据权利要求1所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述回波接收单元包括沿着回波传播方向设置的聚焦透镜组和光阑，

9.根据权利要求8所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述聚焦透镜组包括沿着回波传播方向设置的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜。

10.根据权利要求4所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：还包括被动成像单元，在所述扫描反射镜与所述望远镜之间的光路上设置有第二分束镜，所述第二分束镜用于将回波部分地分束至所述被动成像单元。

11.根据权利要求10所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述被动成像单元包括沿着回波传播方向设置的、用于聚焦成像的第一透镜、第二透镜和胶合透镜。

12.根据权利要求6所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：在所述望远目镜与所述望远物镜之间的光路上设置有反射镜。

13.根据权利要求1所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述超振荡元件可以产生直径小于聚焦艾里光斑的光斑。

14.根据权利要求13所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：所述超振荡元件为表面具有微纳结构的微纳元件或者能够产生贝塞尔光束的元件。

15.一种高分辨单光子成像方法，应用于权利要求1至14所述的高分辨单光子成像系统，其特征在于：包括

技术总结
本申请属于成像领域，具体公开了一种高分辨单光子成像系统，包括激光发射单元、超振荡单元、回波接收单元和光子探测单元，激光发射单元用于发射脉冲激光，超振荡单元包括超振荡元件和聚焦组件，超振荡元件用于对脉冲激光进行调制，经过调制后的脉冲激光经过聚焦组件后形成超振荡光斑投射至待测目标并产生回波，聚焦组件还用于接收待测目标产生的回波并将回波传输至回波接收单元，回波接收单元用于提取回波的中心能量后传输给光子探测单元，光子探测单元用于将接收回波光信号转变为电信号。该系统中超振荡元件与聚焦组件结合可以产生超振荡光斑，这种光斑的中心亮斑尺寸小于艾里斑尺寸，旁瓣能量分布较高，在激光三维成像中，可提升成像分辨率。

技术研发人员：罗先刚,杨龙飞,李晓银,黄远建,张其,郭迎辉,蒲明博
受保护的技术使用者：天府兴隆湖实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15