基于光栅和CCD成像探测器的宽动态范围成像系统

摘要

基于光栅和CCD成像探测器的宽动态范围成像系统，由光栅，匹配透镜，CCD成像探测器和计算机组成。其特征在于：成像光束经成像透镜聚焦，经焦平面后的光束进入第一个匹配透镜并输出平行光束，平行光束经光栅后进入第二个匹配透镜成像于CCD成像探测器。光栅可以使原本成像于CCD成像探测器的光斑分为光强大小不等的多个光斑，通过简单的运算可以将光强大小不等的多个光斑结合，大幅度的提高原有CCD探测器的动态范围和信噪比。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光强探测系统，特别是一种基于光栅和CCD成像探测器的宽动态范围成像系统。

背景技术

目前在许多的应用领域均采用CCD成像探测器捕获目标，而对目标的结构特征进行分析。在许多的光学系统中也运用到CCD成像探测器，尤其是相干光学系统，J.R.Fienup，在文章“Phase retrieval algorithms：a comparison”APPLIED OPTICS，Vol.21，No.15，1982，就明确指出通过准确测量近场和远场光强分布，经相应的迭代算法便可以准确的反演出入射光束含有的像差；近些年发展较快的无波前传感器自适应光学校正算法也指出利用成像透镜处的光斑信息，无需波前探测器，自适应光学系统可以校正入射光所含有的位相畸变。

但是，目前的一般的CCD成像探测器动态探测范围均较小，入射光强较小时所探测的信号容易受噪声影响，入射光强稍强CCD则容易饱和，这两种情况均将使CCD成像探测的结果不准确影响用户的使用。因而，用户不得不转向科学CCD，科学CCD成像探测器虽然具有较宽的探测范围，但是其大多的情况下制作工艺都较为复杂，而且为了稳定CCD探测精度，通常科学CCD都需要自带恒温系统，进一步增加了制作的成本。为此，国内纷纷提出扩展CCD探测动态范围的方法。

国内对多次曝光技术的研究较多，如中国专利申请号为200810021158、200480018951.6，在采集CCD数据之前进行曝光，得到不同区域的光强分布，而后将CCD靶面分成若干个不同曝光时间的区域，进行第二次曝光并采集输出图像，该方法无需对CCD探测器本身电路进行改造，但是，在进行最后一次曝光前需曝光若干次以确定不同区域的曝光时间。

中国专利200610053328介绍了一种将利用较高分光比的分光板对干涉光谱信号进行分光的方法，该方法与本专利提出的方法相似，也无需多次的曝光，但是利用分光板不利于光路本身的集成和动态范围的进一步扩展。

国内也有学者提出利用多幅不同曝光量照片的场景合成高动态范围图像的方法，如：华顺刚等的“基于多幅不同曝光量照片的场景高动态范围图像合成”，文章中提出通过改变CCD曝光时间的方法取得不同曝光量的光强分布图，运用一定的算法合并不同光强大小的光斑分布，从而获得高动态范围的CCD图像；可惜的是，这种做法存在一些弊端，其一，通过控制曝光时间以得到不同曝光量的光斑分布，首先需要CCD可以调节曝光时间，光强的动态范围取决于曝光时间的设置范围，其二，该方法不适合于变化的光斑分布，尤其是短脉冲光的探测，当短脉冲光的时间宽度小于最小曝光时间时，用户是无法通过改变曝光时间以获得不同曝光量的光强分布的。

国内还有学者提出利用空间光调制器与CCD探测器组成闭环反馈系统，通过调节空间光调制器控制不同区域的光强以达到扩大CCD探测器动态范围的目的，但是，同样的问题是在最后确定输入的光强之前必须经过预先的探测和反馈。

国外对CCD动态范围扩展方法除了有与国内相识的方法，如文章“Laser beamprofiling with extended-image-range techniques”Optical Engineering 44(2)，2005，美国专利US20060104508A1、US20060104533A1等就是提出利用多幅不同曝光量照片的场景合成高动态范围图像的方法。还有很多通过改变CCD电路本身以获得高动态范围的方法。

美国专利US4623928、US4873561、US5235197、US6008486、US6040570、US6501504等均是通过CCD内部电路结构改变以取得高的动态范围，上述专利通过CCD内部电路或通过设定门限多次采集、或控制积分时间，或进行多次曝光、或进行双门限积分的方法提高CCD最终的输出动态范围；但是，正如前面强调的，这些方法都必须深入到CCD内部的电路结构中，这样必然带来高昂的开发和生产成本，以及复杂的制作工艺，而且无论何种形式的提高方法，通过控制积分时间，通过多次曝光，通过设定门限的方法对于快变的光束，尤其是短脉冲光的探测均存在困难，甚至是无法探测的。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种宽动态范围成像系统，该系统可以实时的对不同光强大小、不同类型激光的光斑进行成像，同时提高原有CCD成像探测器的信噪比。

本发明的技术解决方案：基于光栅和CCD成像探测器的宽动态范围成像系统，包括：前匹配透镜、光栅，后匹配透镜、CCD成像探测器及计算机系统，其中前匹配透镜主要是将会聚的入射光束转变为平行光以便于引进光栅的调制，后匹配透镜与成像透镜的一样是用于对入射光束进行成像；成像光束经成像透镜会聚于基于光栅和CCD成像探测器的宽动态范围成像系统入口处，会聚光束经前匹配透镜后输出平行光束，光栅对输出的平行光束进行位相或光强调制，经光栅调制后的平行光束经短距离传输或直接进入后匹配透镜，并从后匹配透镜输出多路光强大小不等的光束会聚于CCD成像探测器中的不同探测区，计算机经AD采集系统采样CCD成像探测器输出的数据，并将成像于不同区域的光斑按照光栅分束后光强峰值强度比例进行重组，考虑光栅分束后的0级(即成像光斑的中心衍射图样，如图2、3中的中央衍射图样)，±1级光强分布(当使用二维光栅时指成像光斑的中心上下、左右两侧的衍射图样，当使用一维光栅时指上下或左右两侧的衍射图样，当使用二维光栅时如图2、3中的四边旁图样)，假定光强峰值强度比例为n∶m(n＜m，n和m为正实数)，则重组时将±1级L个光强分布相加再除L求得平均值，其和乘以系数m/n再减去0级光强的峰值，并令负光强值(即因数学加减而造成的负的光强数值)为零，而后将计算得到的光强与0级光强相加作为最终CCD探测的输出结果；如果入射光强较强以致±1级光强也饱和了，则应该考虑±2级光强(当使用二维光栅时指成像光斑的中心左上、左下，右上、右下侧的衍射图样，当使用一维光栅时指±1级上下或左右侧的衍射图样，当使用二维光栅时如图2、3中的四角图样)，先将0和±1级光强按照前面的方式相加，而后再将±2级L个光强分布相加再除L求得平均值，其和乘以系数n/k，(假定0级和±2级光强峰值强度之比为n∶k(n＜k，k为正实数))再减去0和±1级合成后的光强峰值，并令负光强值为零，而后将计算得到的光强与0和±1级合成后的光强相加作为最终CCD探测的输出结果；当光强进一步增加，可以考虑±2级以上光强的分布，可以在CCD靶面范围内将CCD动态范围进一步扩大。其中L为正整数。

所述的光栅是位相光栅或振幅光栅。

在所述光栅后可以增加结构相同、光栅线条刻画方向与前一光栅呈90度的一新光栅，或与前描述两个光栅效果等效的一个二维分布光栅，从而在CCD成像探测器上探测到多个光强不同的光斑分布。

所述的前匹配透镜等效焦点在基于光栅和CCD成像探测器的宽动态范围成像系统的入口位置。

所述的后匹配透镜与前匹配透镜组成共轭系统，使光强探测系统入口位置与CCD成像探测器位置共轭。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明中采用了光栅的分光方法，将入射光分成了峰值光强大小不等、形状一致的多束光，并成像于放置在远场的CCD靶面上，而后利用峰值光强较小的焦斑以补偿峰值光强较强的光斑中饱和部分，从而达到扩展CCD探测器动态范围的目的，因为是通过光栅实现分光的，因此不存在曝光时间控制问题，因此同样适用于超短脉冲；另外，由于光栅分束后±1、±2级等的光强大小和形状都是一样的，因此可以通过叠加求平均的方法降低CCD本身的噪声，而峰值光强较强的光斑，因为信号的能量较高，相对而言，较其他峰值光强较弱光斑具有更高的信噪比。总而言之，本发明大幅度的提高了原有CCD成像探测器的动态探测范围，并且提高了CCD成像探测器的信噪比。

(2)本发明的光栅分束方法可以根据用户需要扩大动态范围，系统的动态范围取决于CCD靶面的大小和探测光斑大小。

(3)本发明采用一般CCD成像探测器和科学CCD，无需曝光时间控制等要求，应用范围较广。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为理想光束经基于光栅和CCD成像探测器的宽动态范围成像系统后在CCD探测器上的光强分布仿真图；

图3为含有球差光束经基于光栅和CCD成像探测器的宽动态范围成像系统后在CCD探测上的光强分布仿真图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：前匹配透镜2、光栅3，后匹配透镜4、CCD成像探测器5，以及计算机系统6，其中前匹配透镜2主要是将会聚的入射光束转变为平行光以便于引进光栅的调制，后匹配透镜4与成像透镜1的一样是用于对入射光束进行成像；成像光束经成像透镜1会聚于基于光栅和CCD成像探测器的宽动态范围成像系统入口处，会聚光束经前匹配透镜2后输出平行光束，光栅3对输出的平行光束进行位相或光强调制，经光栅调制后的平行光束经短距离传输或直接进入后匹配透镜4，并从后匹配透镜4输出多路光强大小不等的光束会聚于CCD成像探测器5中的不同探测区，计算机系统6采样CCD成像探测器5输出的数据，并将成像于不同区域的光斑按照光栅分束后光强峰值强度比例进行重组，考虑光栅分束后的0级(即成像光斑的中心衍射图样，如图2、3中的中央衍射图样)，±1级光强分布(当使用二维光栅时指成像光斑的中心上下、左右两侧的衍射图样，当使用一维光栅时指上下或左右两侧的衍射图样，当使用二维光栅时如图2、3中的四边旁图样)，假定光强峰值强度比例为n∶m(n＜m，n和m为正实数)，则重组时将±1级L个光强分布相加再除L求得平均值，其和乘以系数m/n再减去0级光强的峰值，并令负光强值(即因数学加减而造成的负的光强数值)为零，而后将计算得到的光强与0级光强相加作为最终CCD探测的输出结果；如果入射光强较强以致±1级光强也饱和了，则应该考虑±2级光强(当使用二维光栅时指成像光斑的中心左上、左下，右上、右下侧的衍射图样，当使用一维光栅时指±1级上下或左右侧的衍射图样，当使用二维光栅时如图2、3中的四角图样)，先将0和±1级光强按照前面的方式相加，而后再将±2级L个光强分布相加再除L求得平均值，其和乘以系数n/k，(假定0级和±2级光强峰值强度之比为n∶k(n＜k，k为正实数))再减去0和±1级合成后的光强峰值，并令负光强值为零，而后将计算得到的光强与0和±1级合成后的光强相加作为最终CCD探测的输出结果；当光强进一步增加，可以考虑±2级以上光强的分布，可以在CCD靶面范围内将CCD动态范围进一步扩大。其中L为正整数。

图2和图3为CCD探测结果，其中图2为入射光束中未含有像差时，在CCD光强探测器中采样得到的光斑分布，图3为入射光束中包含了0.5个波长大小的球差时，在CCD探测到的光斑分布。从CCD输出结果不难看到，入射光斑分布被分成光强大小不等的9个光斑，假定1级光强分布为为0级的1/a，在四个角落的光强分布为0级的1/a²，那么，计算机可以将光强为0级1/a的四个光斑相加乘以a/4得S1，将0级饱和部分用S1代替得到S2，同样的，将四个角落的光强分布相加乘a²/4得S3，将S2饱和部分由S3替代，因而可以提高动态范围(3a-2)/2倍，并且通过改变光栅参数可以调整a的大小，从而改变动态范围的增益。由于0级饱和部分被等效的压缩为原来的1/4，而S1和S3均为四个相同光斑的叠加，因此整体信噪比提高了4倍，其中，a为大于零的实数，S1，S2，S3分别代表数学计算得到的光强分布。