基於光柵和ccd成像探測器的寬動態範圍成像系統的製作方法
2023-06-09 10:08:41 1
專利名稱：基於光柵和ccd成像探測器的寬動態範圍成像系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光強探測系統，特別是一種基於光柵和CCD成像探測器的寬動態範圍成像系統。
背景技術：
目前在許多的應用領域均採用CCD成像探測器捕獲目標，而對目標的結構特徵進行分析。在許多的光學系統中也運用到CCD成像探測器，尤其是相干光學系統，J. R. Fie皿p，在文章"Phase retrieval algorithms :a comparison"APPLIED OPTICS,Vol. 21， No. 15，1982，就明確指出通過準確測量近場和遠場光強分布，經相應的迭代算法便可以準確的反演出入射光束含有的像差；近些年發展較快的無波前傳感器自適應光學校正算法也指出利用成像透鏡處的光斑信息，無需波前探測器，自適應光學系統可以校正入射光所含有的位相畸變。 但是，目前的一般的CCD成像探測器動態探測範圍均較小，入射光強較小時所探測的信號容易受噪聲影響，入射光強稍強CCD則容易飽和，這兩種情況均將使CCD成像探測的結果不準確影響用戶的使用。因而，用戶不得不轉向科學CCD，科學CCD成像探測器雖然具有較寬的探測範圍，但是其大多的情況下製作工藝都較為複雜，而且為了穩定CCD探測精度，通常科學CCD都需要自帶恆溫系統，進一步增加了製作的成本。為此，國內紛紛提出擴展CCD探測動態範圍的方法。 國內對多次曝光技術的研究較多，如中國專利申請號為200810021158、200480018951. 6，在採集CCD數據之前進行曝光，得到不同區域的光強分布，而後將CCD耙面分成若干個不同曝光時間的區域，進行第二次曝光並採集輸出圖像，該方法無需對CCD探測器本身電路進行改造，但是，在進行最後一次曝光前需曝光若干次以確定不同區域的曝光時間。 中國專利200610053328介紹了一種將利用較高分光比的分光板對幹涉光譜信號進行分光的方法，該方法與本專利提出的方法相似，也無需多次的曝光，但是利用分光板不利於光路本身的集成和動態範圍的進一步擴展。 國內也有學者提出利用多幅不同曝光量照片的場景合成高動態範圍圖像的方法，如華順剛等的"基於多幅不同曝光量照片的場景高動態範圍圖像合成"，文章中提出通過改變CCD曝光時間的方法取得不同曝光量的光強分布圖，運用一定的算法合併不同光強大小的光斑分布，從而獲得高動態範圍的CCD圖像；可惜的是，這種做法存在一些弊端，其一，通過控制曝光時間以得到不同曝光量的光斑分布，首先需要CCD可以調節曝光時間，光強的動態範圍取決於曝光時間的設置範圍，其二，該方法不適合於變化的光斑分布，尤其是短脈衝光的探測，當短脈衝光的時間寬度小於最小曝光時間時，用戶是無法通過改變曝光時間以獲得不同曝光量的光強分布的。 國內還有學者提出利用空間光調製器與CCD探測器組成閉環反饋系統，通過調節空間光調製器控制不同區域的光強以達到擴大CCD探測器動態範圍的目的，但是，同樣的問題是在最後確定輸入的光強之前必須經過預先的探測和反饋。 國外對CCD動態範圍擴展方法除了有與國內相識的方法，如文章"Laserbeamprofiling with extended-image-range techniques"Optical Engineering 44(2)，2005，美國專利US20060104508A1、 US20060104533A1等就是提出利用多幅不同曝光量照片的場景合成高動態範圍圖像的方法。還有很多通過改變CCD電路本身以獲得高動態範圍的方法。 美國專利US4623928、 US4873561、 US5235197、 US6008486、 US6040570、 US6501504等均是通過CCD內部電路結構改變以取得高的動態範圍，上述專利通過CCD內部電路或通
過設定門限多次採集、或控制積分時間，或進行多次曝光、或進行雙門限積分的方法提高CCD最終的輸出動態範圍；但是，正如前面強調的，這些方法都必須深入到CCD內部的電路結構中，這樣必然帶來高昂的開發和生產成本，以及複雜的製作工藝，而且無論何種形式的提高方法，通過控制積分時間，通過多次曝光，通過設定門限的方法對於快變的光束，尤其是短脈衝光的探測均存在困難，甚至是無法探測的。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種寬動態範圍成像系統，該系統可以實時的對不同光強大小、不同類型雷射的光斑進行成像，同時提高原有CCD成像探測器的信噪比。 本發明的技術解決方案基於光柵和CCD成像探測器的寬動態範圍成像系統，包括前匹配透鏡、光柵，後匹配透鏡、CCD成像探測器及計算機系統，其中前匹配透鏡主要是將會聚的入射光束轉變為平行光以便於引進光柵的調製，後匹配透鏡與成像透鏡的一樣是用於對入射光束進行成像；成像光束經成像透鏡會聚於基於光柵和CCD成像探測器的寬動態範圍成像系統入口處，會聚光束經前匹配透鏡後輸出平行光束，光柵對輸出的平行光束進行位相或光強調製，經光柵調製後的平行光束經短距離傳輸或直接進入後匹配透鏡，並從後匹配透鏡輸出多路光強大小不等的光束會聚於CCD成像探測器中的不同探測區，計算機經AD採集系統採樣CCD成像探測器輸出的數據，並將成像於不同區域的光斑按照光柵分束後光強峰值強度比例進行重組，考慮光柵分束後的0級(即成像光斑的中心衍射圖樣，如圖2、3中的中央衍射圖樣)，士l級光強分布(當使用二維光柵時指成像光斑的中心上下、左右兩側的衍射圖樣，當使用一維光柵時指上下或左右兩側的衍射圖樣，當使用二維光柵時如圖2、3中的四邊旁圖樣)，假定光強峰值強度比例為n : m(n<m， n和m為正實數)，則重組時將± 1級L個光強分布相加再除L求得平均值，其和乘以係數m/n再減去0級光強的峰值，並令負光強值(即因數學加減而造成的負的光強數值)為零，而後將計算得到的光強與0級光強相加作為最終CCD探測的輸出結果；如果入射光強較強以致± 1級光強也飽和了，則應該考慮士2級光強(當使用二維光柵時指成像光斑的中心左上、左下，右上、右下側的衍射圖樣，當使用一維光柵時指士l級上下或左右側的衍射圖樣，當使用二維光柵時如圖2、3中的四角圖樣)，先將0和±1級光強按照前面的方式相加，而後再將±2級L個光強分布相加再除L求得平均值，其和乘以係數n/k，(假定0級和±2級光強峰值強度之比為n : k(n〈k，k為正實數))再減去0和士l級合成後的光強峰值，並令負光強值為零，而後將計算得到的光強與O和士1級合成後的光強相加作為最終CCD探測的輸出結果；當光強進一步增加，可以考慮士2級以上光強的分布，可以在CCD靶面範圍內將CCD動態範
圍進一步擴大。其中L為正整數。 所述的光柵是位相光柵或振幅光柵。 在所述光柵後可以增加結構相同、光柵線條刻畫方向與前一光柵呈90度的一新光柵，或與前描述兩個光柵效果等效的一個二維分布光柵，從而在CCD成像探測器上探測到多個光強不同的光斑分布。 所述的前匹配透鏡等效焦點在基於光柵和CCD成像探測器的寬動態範圍成像系統的入口位置。 所述的後匹配透鏡與前匹配透鏡組成共軛系統，使光強探測系統入口位置與CCD成像探測器位置共軛。 本發明與現有技術相比有如下優點 (1)本發明中採用了光柵的分光方法，將入射光分成了峰值光強大小不等、形狀一致的多束光，並成像於放置在遠場的CCD靶面上，而後利用峰值光強較小的焦斑以補償峰值光強較強的光斑中飽和部分，從而達到擴展CCD探測器動態範圍的目的，因為是通過光柵實現分光的，因此不存在曝光時間控制問題，因此同樣適用於超短脈衝；另外，由於光柵分束後±1、 士2級等的光強大小和形狀都是一樣的，因此可以通過疊加求平均的方法降低CCD本身的噪聲，而峰值光強較強的光斑，因為信號的能量較高，相對而言，較其他峰值光強較弱光斑具有更高的信噪比。總而言之，本發明大幅度的提高了原有CCD成像探測器的動態探測範圍，並且提高了 CCD成像探測器的信噪比。 (2)本發明的光柵分束方法可以根據用戶需要擴大動態範圍，系統的動態範圍取決於CCD靶面的大小和探測光斑大小。 (3)本發明採用一般CCD成像探測器和科學CCD，無需曝光時間控制等要求，應用範圍較廣。
圖1為本發明的原理示意圖； 圖2為理想光束經基於光柵和CCD成像探測器的寬動態範圍成像系統後在CCD探測器上的光強分布仿真圖； 圖3為含有球差光束經基於光柵和CCD成像探測器的寬動態範圍成像系統後在CCD探測上的光強分布仿真圖。
具體實施例方式
如圖l所示，本發明包括前匹配透鏡2、光柵3，後匹配透鏡4、CCD成像探測器5，以及計算機系統6，其中前匹配透鏡2主要是將會聚的入射光束轉變為平行光以便於引進光柵的調製，後匹配透鏡4與成像透鏡1的一樣是用於對入射光束進行成像；成像光束經成像透鏡1會聚於基於光柵和CCD成像探測器的寬動態範圍成像系統入口處，會聚光束經前匹配透鏡2後輸出平行光束，光柵3對輸出的平行光束進行位相或光強調製，經光柵調製後的平行光束經短距離傳輸或直接進入後匹配透鏡4，並從後匹配透鏡4輸出多路光強大小不等的光束會聚於CCD成像探測器5中的不同探測區，計算機系統6採樣CCD成像探測器5輸出的數據，並將成像於不同區域的光斑按照光柵分束後光強峰值強度比例進行重組，考慮光柵分束後的0級(即成像光斑的中心衍射圖樣，如圖2、3中的中央衍射圖樣)，±1級光強分布(當使用二維光柵時指成像光斑的中心上下、左右兩側的衍射圖樣，當使用一維光柵時指上下或左右兩側的衍射圖樣，當使用二維光柵時如圖2、3中的四邊旁圖樣)，假定光強峰值強度比例為n : m(n〈m，n和m為正實數)，則重組時將士1級L個光強分布相加再除L求得平均值，其和乘以係數m/n再減去0級光強的峰值，並令負光強值(即因數學加減而造成的負的光強數值)為零，而後將計算得到的光強與0級光強相加作為最終CCD探測的輸出結果；如果入射光強較強以致士l級光強也飽和了，則應該考慮士2級光強(當使用二維光柵時指成像光斑的中心左上、左下，右上、右下側的衍射圖樣，當使用一維光柵時指±1級上下或左右側的衍射圖樣，當使用二維光柵時如圖2、3中的四角圖樣)，先將0和± 1級光強按照前面的方式相加，而後再將±2級L個光強分布相加再除L求得平均值，其和乘以係數n/k，(假定0級和±2級光強峰值強度之比為n : k(n < k， k為正實數))再減去0和士1級合成後的光強峰值，並令負光強值為零，而後將計算得到的光強與0和±1級合成後的光強相加作為最終CCD探測的輸出結果；當光強進一步增加，可以考慮±2級以上光強的分布，可以在CCD靶面範圍內將CCD動態範圍進一步擴大。其中L為正整數。
圖2和圖3為CCD探測結果，其中圖2為入射光束中未含有像差時，在CCD光強探測器中採樣得到的光斑分布，圖3為入射光束中包含了 0. 5個波長大小的球差時，在CCD探測到的光斑分布。從CCD輸出結果不難看到，入射光斑分布被分成光強大小不等的9個光斑，假定1級光強分布為為0級的1/a，在四個角落的光強分布為0級的1/32，那麼，計算機可以將光強為0級1/a的四個光斑相加乘以a/4得Sl，將0級飽和部分用Sl代替得到S2，同樣的，將四個角落的光強分布相加乘a74得S3，將S2飽和部分由S3替代，因而可以提高動態範圍(3a-2)/2倍，並且通過改變光柵參數可以調整a的大小，從而改變動態範圍的增益。由於0級飽和部分被等效的壓縮為原來的1/4，而Sl和S3均為四個相同光斑的疊加，因此整體信噪比提高了 4倍，其中，a為大於零的實數，Sl， S2， S3分別代表數學計算得到的光強分布。
權利要求
基於光柵和CCD成像探測器的寬動態範圍成像系統，其特徵在於包括前匹配透鏡(2)、光柵(3)，後匹配透鏡(4)、CCD成像探測器(5)、計算機系統(6)，其中前匹配透鏡(2)將會聚的入射光束轉變為平行光以便於引進光柵的調製，後匹配透鏡(4)用於對入射光束進行成像；成像光束經成像透鏡(1)會聚於基於光柵和CCD成像探測器的寬動態範圍成像系統入口處，會聚光束經前匹配透鏡(2)後輸出平行光束，光柵(3)對輸出的平行光束進行位相或光強調製，經光柵調製後的平行光束經短距離傳輸或直接進入後匹配透鏡(4)，並從後匹配透鏡(4)輸出多路光強大小不等的光束會聚於CCD成像探測器(5)中的不同探測區，計算機系統(6)採集CCD成像探測器(5)輸出的數據，並將成像於不同區域的光斑按照光柵分束後光強峰值強度比例進行重組，考慮光柵分束後的0級(即成像光斑的中心衍射圖樣)，±1級光強分布(當使用二維光柵時指成像光斑的中心上下、左右兩側的衍射圖樣，當使用一維光柵時指上下或左右兩側的衍射圖樣)，假定光強峰值強度比例為n∶m(n＜m，n和m為正實數)，則重組時將±1級L個光強分布相加再除L求得平均值，其和乘以係數m/n再減去0級光強的峰值，並令負光強值(即因數學加減而造成的負的光強數值)為零，而後將計算得到的光強與0級光強相加作為最終CCD探測的輸出結果；如果入射光強較強以致±1級光強也飽和了，則應該考慮±2級光強(當使用二維光柵時指成像光斑的中心左上、左下，右上、右下側的衍射圖樣，當使用一維光柵時指±1級上下或左右側的衍射圖樣)，先將0和±1級光強按照前面的方式相加，而後再將±2級L個光強分布相加再除L求得平均值，其和乘以係數n/k，(假定0級和±2級光強峰值強度之比為n∶k (n＜k，k為正實數))再減去0和±1級合成後的光強峰值，並令負光強值為零，而後將計算得到的光強與0和±1級合成後的光強相加作為最終CCD探測的輸出結果；當光強進一步增加，可以考慮±2級以上光強的分布，可以在CCD靶面範圍內將CCD動態範圍進一步擴大。其中L為正整數。；
2. 根據權利要求1所述的基於光柵和CCD成像探測器的寬動態範圍成像系統，其特徵 在於所述的光柵(3)為位相光柵或振幅光柵。
3. 根據權利要求1所述的基於光柵和CCD成像探測器的寬動態範圍成像系統，其特徵 在於在所述的光柵(3)後增加結構相同、光柵線條刻畫方向與前一光柵呈90度的另一光 柵，或與所述兩個光柵效果等效的一個二維分布光柵，從而在CCD成像探測器上探測到多 個光強不同的光斑分布。
4. 根據權利要求1所述的基於光柵和CCD成像探測器的寬動態範圍成像系統，其特徵 在於所述的前匹配透鏡(2)等效焦點在基於光柵和CCD成像探測器的寬動態範圍成像系 統的入口位置。
5. 根據權利要求1所述的基於光柵和CCD成像探測器的寬動態範圍成像系統，其特徵 在於所述的後匹配透鏡(4)與前匹配透鏡(2)組成共軛系統，使光強探測系統入口位置與 CCD成像探測器位置共軛。
全文摘要
基於光柵和CCD成像探測器的寬動態範圍成像系統，由光柵，匹配透鏡，CCD成像探測器和計算機組成。其特徵在於成像光束經成像透鏡聚焦，經焦平面後的光束進入第一個匹配透鏡並輸出平行光束，平行光束經光柵後進入第二個匹配透鏡成像於CCD成像探測器。光柵可以使原本成像於CCD成像探測器的光斑分為光強大小不等的多個光斑，通過簡單的運算可以將光強大小不等的多個光斑結合，大幅度的提高原有CCD探測器的動態範圍和信噪比。
文檔編號G01J1/00GK101701847SQ20091024123
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月27日 優先權日2009年11月27日
發明者饒長輝, 黃林海 申請人:中國科學院光電技術研究所