專利名稱：一種基于光學(xué)杜比的圖像降噪裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圖像降噪裝置，特別涉及一種用于實現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境(如存在霧、 霾等傳輸介質(zhì))中成像的，基于光學(xué)杜比的圖像降噪裝置。
背景技術(shù)：
為滿足在遠距離探測和遙感方面的需求，人們迫切需要克服現(xiàn)有CCD或其他的光電圖像探測器在復(fù)雜環(huán)境，如薄霧、霾、生物樣品等散射介質(zhì)引起的圖像噪聲增加和對比度的下降，或太陽夾角較小時背景干擾等應(yīng)用場合的圖像降噪裝置。在多數(shù)實際應(yīng)用中，目標(biāo)與背景對于主/被動輻照具有不同的反射率(反射率及空間分布)，可以通過常規(guī)的主/被動成像的方式進行探測/成像，但對于復(fù)雜環(huán)境下，如存在一定干擾介質(zhì)如薄霧、霾、生物樣品等的目標(biāo)成像，則由于傳輸介質(zhì)的散射作用以及背景光的干擾，會導(dǎo)致記錄的光學(xué)圖像的接收到的像素間光子數(shù)差異變少，接收端接收到的圖像產(chǎn)生(模糊)勻化，對比度變差，目標(biāo)主體和背景的強度區(qū)分變得困難。干擾嚴(yán)重時，圖像信號與背景差異進一步縮小，圖像不同區(qū)域的信號經(jīng)傳感器接收和模數(shù)轉(zhuǎn)換后灰度值變得極為接近，甚至變得相同，導(dǎo)致目標(biāo)輪廓與背景無法分辨，甚至無法由后續(xù)圖像處理進行有效恢復(fù)。一般來講，要降低圖像的噪聲首先可以通過增加圖像傳感器的靈敏度以及對電信號轉(zhuǎn)移、傳輸過程進行嚴(yán)格的噪聲控制來實現(xiàn)。此外，針對上述困難，現(xiàn)有成像技術(shù)主要通過主動探測配合距離選通實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的目標(biāo)成像，采用主動探測光源，如激光，配合窄帶濾波片，即可將大部分背景光去除。 此外，控制圖像傳感器的開關(guān)時間，進行時間選通可以對特定時間范圍內(nèi)的回波信號進行收集，由于不同的飛行時間對應(yīng)于不同距離，若采用脈沖激光作為主動探測的光源，則可以對特定距離的圖像信號進行選擇記錄，排除前景和背景的干擾，有利于實現(xiàn)目標(biāo)的有效探測。但由于距離選通對基于信號的特定時間門寬內(nèi)的選擇，信號強度明顯減少，因此需要對回波光子進行光學(xué)/電學(xué)放大。對于電學(xué)圖像增強，可以采用像增強方案(常采用像增強ICCD)以及電子倍增方案(常采用EMCCD)，在光學(xué)圖像放大方面，常見的光學(xué)增強手段包括激光光學(xué)放大、摻雜光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器、光學(xué)參量放大ΟΡΑ、受激喇曼放大 SRS。此外，還可以通過將記錄得到的圖像數(shù)據(jù)進行數(shù)字化處理，通過較多和運算，實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下獲取圖像的降噪處理，該法也得到了日益廣泛的應(yīng)用。但由于涉及到較多的像素單元的灰度計算，在實時性要求較高的場合便顯得難以滿足需求。通過上述分析可知，目前主要的技術(shù)途徑在于基于圖像信號的光學(xué)增強與時間選通、圖像記錄及傳輸環(huán)節(jié)的噪聲控制以及記錄之后的電信號增強和基于計算機的數(shù)字信號處理。由于在很多情況下，目標(biāo)主體與環(huán)境背景之間存在著一定的信號的有效強度差異(取決于二者不同的探測距離、表面光譜反射率等等)，通過設(shè)定成像光學(xué)透過或電信號記錄的強度閾值、扣除背景的干擾和影響，有利于目標(biāo)與背景圖像的分辨。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有CCD或者其他的光電探測器陣列在復(fù)雜環(huán)境下記錄光學(xué)圖像時，光信號經(jīng)歷散射介質(zhì)或者背景光干擾，導(dǎo)致輸出圖像與背景信號強度接近，在進行電學(xué)、光學(xué)增益之后又引入了增益過程中的噪聲，圖像的對比度進一步變差，導(dǎo)致在模數(shù)轉(zhuǎn)換后灰度值接近甚至完全相同，造成后續(xù)的圖像識別分析困難，如圖1-2所示，為了解決這一困難，必須針對不同環(huán)境下的背景噪聲信號的實時、有效扣除問題，以獲得在上述條件下高信噪比的光學(xué)圖像輸出，本發(fā)明提出一種基于光學(xué)杜比的圖像降噪裝置，并利用相關(guān)光學(xué)比較元件選擇透過和電學(xué)信號比較元件選擇記錄光強的特點，實現(xiàn)基于硬件的背景實時、連續(xù)可調(diào)的強度扣除，成像效果如圖1-3所示。本發(fā)明將杜比技術(shù)擴展至光學(xué)圖像記錄裝置中，是一種對復(fù)雜環(huán)境下的目標(biāo)成像時實現(xiàn)實時圖像降噪的有效方案。所述的光學(xué)杜比的概念如下針對目標(biāo)圖像和背景圖像具有不同強度的光信號這一普遍現(xiàn)象，基于光學(xué)/電學(xué)硬件設(shè)計進行強度分辨，并通過設(shè)置適當(dāng)?shù)墓鈴娡高^/電學(xué)顯示閾值，將圖像整體或局部顯示中目標(biāo)主體與周圍環(huán)境進行顯示強度的區(qū)分，從而實現(xiàn)圖像降噪顯示，有利于復(fù)雜環(huán)境下的目標(biāo)識別。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的基于光學(xué)杜比的圖像降噪裝置，其包括對目標(biāo)物進行光學(xué)成像的成像模塊100、光學(xué)圖像記錄模塊300、圖像顯示模塊500，其特征在于，還包括電學(xué)參考信號產(chǎn)生模塊400 ；所述的成像模塊100包括成像透鏡組101、成像反射鏡組103、成像透鏡組101與成像反射鏡組103的組合、成像透鏡組101與用于調(diào)節(jié)光通量的光光闌/光闌組102的組合、成像反射鏡組103與用于調(diào)節(jié)光通量的光闌/光闌組102的組合或成像透鏡組101、成像反射鏡組103和用于調(diào)節(jié)光通量的光闌/光闌組102的組合；所述的用于調(diào)節(jié)光通量的光闌/光闌組102位于成像透鏡組101內(nèi)透射組之間、成像反射鏡組103內(nèi)反射鏡組之間或成像透鏡組101與成像反射鏡組103光路之間；所述的光學(xué)圖像記錄模塊300包括用于感光的光電探測器陣列301、電信號轉(zhuǎn)移電路302、電信號轉(zhuǎn)換元件303、模數(shù)轉(zhuǎn)換元件305和電信號比較器304 ；其中，光電探測器陣列301、電信號轉(zhuǎn)移電路302、電信號轉(zhuǎn)換元件303和模數(shù)轉(zhuǎn)換元件305依次串聯(lián)；所述的電學(xué)參考信號產(chǎn)生模塊400由開關(guān)及電源子模塊401、參考信號產(chǎn)生與調(diào)節(jié)子模塊402、控制面板403和參考信號輸出接口 404組成，參考信號產(chǎn)生與調(diào)節(jié)子模塊 402由開關(guān)及電源子模塊401提供能量，其產(chǎn)生穩(wěn)定輸出的電流/電壓參考信號通過參考信號輸出接口 404和信號傳輸線輸入至電信號比較器304 ；所述的電信號比較器304位于感光的光電探測器陣列301之后、電信號轉(zhuǎn)移電路 302之后或電信號轉(zhuǎn)換元件303之后，且位于模數(shù)轉(zhuǎn)換元件305之前，接收兩路參考信號 一路接收由前一級301、302或303提供的電學(xué)信號；另一路接收由參考信號產(chǎn)生與調(diào)節(jié)子模塊402產(chǎn)生信號通過參考信號輸出接口 404和信號傳輸線輸入至電信號比較器304的參考信號；同時，所述的圖像信號經(jīng)電信號比較器304將低于參考信號閾值之下的扣除之后進入所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換元件305，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出給圖像顯示模塊500 ；所述的圖像顯示模塊500包括帶數(shù)字圖像采集卡502的計算機主機503和圖像顯示器504 ；數(shù)字圖像采集卡502裝于計算機主機503主板上，通過數(shù)據(jù)傳輸線接收由模數(shù)轉(zhuǎn)換器件305輸出的數(shù)字信號，數(shù)字圖像采集卡502的輸出信號經(jīng)計算機主機503處理之后最終在圖像顯示器504上顯示降噪圖像。為實現(xiàn)光信號的選擇透過，所述的基于光學(xué)杜比的圖像降噪裝置，進一步包括光學(xué)選擇透過模塊200、第一轉(zhuǎn)接環(huán)1和第二轉(zhuǎn)接環(huán)2 ；所述的光學(xué)選擇透過模塊200為濾色鏡201、窄帶濾光片202、可飽和吸收濾光片203、中性密度濾光片204、波段可調(diào)的濾色鏡201-b、透過窄帶波長可調(diào)的窄帶濾光片 202-b、飽和光強可調(diào)的可飽和吸收濾光片203-b、透過強度可選的中性密度濾光片204-b 或它們中的任意組合；所述的光學(xué)選擇透過模塊200位于所述成像模塊100與光學(xué)圖像記錄模塊300的光路之間，用于對光信號進行頻域和強度的選擇；所述的第一轉(zhuǎn)接環(huán)1用于實現(xiàn)成像模塊100與光信號選擇透過模塊200之間相互連接；所述第二轉(zhuǎn)接環(huán)2用于實現(xiàn)光學(xué)圖像記錄模塊300與光學(xué)選擇透過模塊200之間相互連接。為實現(xiàn)主動圖像的探測，所述成像裝置成像模塊100還包括所述的成像裝置成像模塊100還包括發(fā)射激光的探測光源104和位于其出射光路中的光束整形發(fā)射元件 105，探測光源104對目標(biāo)物體進行主動照明，由成像透鏡組101、成像反射鏡組103或其任意組合對該目標(biāo)物進行成像，由光學(xué)圖像記錄模塊300接收。為實現(xiàn)掃描式成像，所述成像裝置成像模塊100還包括機械掃描元件108。為實現(xiàn)更加緊湊的光路安排，所述成像裝置成像模塊100還包括偏振控制元件107。偏振控制元件107位于探測光源104和光束整形發(fā)射元件105之間，機械掃描元件108位于光束整形發(fā)射元件105之后，實現(xiàn)對目標(biāo)的掃描式照明，并經(jīng)由成像透鏡組101對其成像。為實現(xiàn)距離選通成像，所述成像模塊100還包括用于進行距離選通成像時間控制子模塊，所述距離選通成像時間控制子模塊可采用電學(xué)延遲方案和光學(xué)延遲方案；采用電學(xué)延遲方案的距離選通成像時間控制子模塊由分光元件106、光電探測器 109、信號電纜110和數(shù)字延遲器111組成，探測光源104發(fā)出的光信號經(jīng)分光元件106由光電探測器109接收，所述的光電探測器109產(chǎn)生的觸發(fā)電平信號經(jīng)信號電纜110傳輸至數(shù)字延遲器111處；所述的光學(xué)圖像記錄模塊300還包括圖像探測器觸發(fā)信號接口 309，經(jīng)數(shù)字延遲器111輸出的觸發(fā)電平通過該接口 309為光電探測器陣列301提供觸發(fā)信號；采用光學(xué)延遲方案的距離選通成像時間控制子模塊由分光元件106、傳輸介質(zhì) 112、光束傳輸元件113、以及可調(diào)光程的光學(xué)機械元件113組成；所述的光學(xué)圖像記錄模塊300還包括放置于光電探測器陣列301之前的利用電信號放大實現(xiàn)圖像增強的電學(xué)像增強子模塊306或放置于光電探測器陣列301之后的利用電學(xué)增益實現(xiàn)信號增強的電信號倍增子模塊307或光電探測器陣列301之前的利用光信號放大實現(xiàn)圖像增強的光學(xué)像增強子模塊308 ；所述的電學(xué)像增強子模塊306由電驅(qū)動的光信號增強元件以及光學(xué)圖像的像傳遞元件組成，光學(xué)圖像信號經(jīng)所述的電驅(qū)動的光信號增強元件實現(xiàn)光學(xué)增強，再經(jīng)像傳遞元件傳遞由光電探測器陣列301進行接收；所述的電信號倍增子模塊307由電信號倍增元件組成，將轉(zhuǎn)移電路302提供的電信號進行放大并傳輸至電信號轉(zhuǎn)換元件303 ；所述的光學(xué)增益的信號增強子模塊308由光學(xué)驅(qū)動的光信號放大元件和像傳遞元件組成，光學(xué)圖像信號經(jīng)所述的光信號放大元件實現(xiàn)光學(xué)增強，再經(jīng)像傳遞元件傳遞由光電探測器陣列301進行接收。為降低微弱圖像情形下本底噪聲的影響，所述的光電探測器陣列301還包括探測器本底噪聲控制元件310，所述的電信號轉(zhuǎn)移電路302還包括集成在其中的讀出噪聲控制元件311，以便在圖像增強的同時降低本底噪聲的影響。所述的光學(xué)選擇透過模塊200還進一步包括調(diào)節(jié)波段可調(diào)的濾色鏡201-b、透過窄帶波長可調(diào)的窄帶濾光片202-b、飽和光強可調(diào)的可飽和吸收濾光片203-b、透過強度可選的中性密度濾光片204-b或它們的任意組合的光學(xué)選擇參數(shù)的機電裝置205 ；該機電裝置205通過反饋控制線505接收由所述計算機主機503輸出的反饋控制信號，以形成光信號選擇的閉環(huán)自動控制。所述的電學(xué)參考信號產(chǎn)生模塊400的控制面板403的輸入端通過反饋控制線505 與所述計算機主機503輸出端相連，以形成電信號選擇的閉環(huán)自動控制。所述的光學(xué)成像模塊100對遠處的目標(biāo)物體光信號進行收集并成像，由圖像探測模塊300接收，對于外界雜光較強的情形，可經(jīng)第一轉(zhuǎn)接環(huán)1與第二轉(zhuǎn)接環(huán)2將所述光學(xué)選擇透過模塊200放置于光學(xué)成像模塊100與圖像探測模塊300之間，光信號經(jīng)過光電探測器陣列301之后轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)轉(zhuǎn)移電路302被傳輸至電信號轉(zhuǎn)換元件303處，之后電信號轉(zhuǎn)化為模數(shù)轉(zhuǎn)換元件305可識別的電信號，所述的電信號比較器304位于感光的光電探測器陣列301之后、電信號轉(zhuǎn)移電路302之后或電信號轉(zhuǎn)換元件303之后，接收兩路信號一路來自由光電探測器陣列轉(zhuǎn)換得到的電信號，另一路電信號來自參考信號產(chǎn)生模塊400提供的參考信號；扣除參考閾值之下的圖像強度信息，將扣除之后的圖像信息傳輸至所述模數(shù)轉(zhuǎn)換元件305處，與所述參考信號產(chǎn)生模塊400產(chǎn)生的可調(diào)節(jié)參考信號同時進入電信號比較器304，經(jīng)過比較器之后，滿足條件的電信號經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸線傳輸至圖像顯示模塊500中，并通過數(shù)字圖像采集卡502以及計算機主機503的處理，最終圖像通過圖像顯示器504輸出。本發(fā)明的基于光學(xué)杜比的圖像降噪裝置的優(yōu)點如下1、由于本發(fā)明的裝置中基于硬件的降噪處理，直接通過電學(xué)信號比較器降低背景輻射和散射背景的干擾，提升現(xiàn)有成像裝置在復(fù)雜環(huán)境下成像的信噪比。如圖1-1所示，相對于一般無像增強的圖像探測裝置，避免了數(shù)字圖像處理的復(fù)雜性。2、由于本發(fā)明的裝置電信號比較器位于模數(shù)轉(zhuǎn)換元件之前，通過電學(xué)參考信號產(chǎn)生模塊對A/D轉(zhuǎn)換前的信號進行扣除，由于參考電信號可以連續(xù)調(diào)節(jié)，即可以通過連續(xù)調(diào)節(jié)的背景扣除實現(xiàn) 顯示效果的最優(yōu)化。采用光學(xué)杜比前后的圖像分別如圖1-2與圖1-3所示，相比只有特定比例的衰減的光學(xué)灰度濾色鏡，無須增加曝光時間，便于記錄快速運動的目標(biāo)，同時也消除了長時間曝光時本底噪聲如暗電流等因素對圖像質(zhì)量的影響。3、通過硬件改變閾值，有利于通過顯示效果，避免了數(shù)字圖像處理的滯后性，能夠滿足對目標(biāo)觀察的高實時性的需求，從而可以從不同的灰度值進行更為有效的目標(biāo)區(qū)分。為提高響應(yīng)速度，對光學(xué)杜比降噪后的圖像進行二值化，即特定閾值之下為0，反之為1，在設(shè)定閾值較低時，突出的主體是圖片中較近距離的橋，而設(shè)定閾值較高時，則突出了左側(cè)較遠距離的建筑物，分別為如圖1-4和圖1-5所示。4、由于本發(fā)明中電位器扣除的原始信號強度可與電位計進行量化標(biāo)定，因此，可以配合計算機系統(tǒng)進行相應(yīng)的信號補償，還原顯示部分的原始信號強度。5、本發(fā)明可以與現(xiàn)有的距離選通、光學(xué)或電學(xué)信號增強技術(shù)很好地配合，實現(xiàn)綜合信噪比的提升。綜上所述，本發(fā)明采用了光學(xué)杜比技術(shù)實現(xiàn)圖像降噪，在電信號模數(shù)轉(zhuǎn)換之前，利用電學(xué)參考信號產(chǎn)生模塊的調(diào)節(jié)，改變光學(xué)圖像記錄模塊記錄信號的強度閾值，對光電轉(zhuǎn)換的信號進行強度分辨和選擇性記錄；最終通過圖像顯示模塊輸出；該裝置基于硬件的信號選擇能力可實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的圖像降噪顯示，緩解了后續(xù)圖像處理的壓力，有利于目標(biāo)快速定位與特征識別。


圖1-1傳統(tǒng)圖像降噪與光學(xué)杜比降噪的區(qū)別；圖1-2未采用光學(xué)杜比方案的成像效果；圖1-3采用光學(xué)杜比方案之后的成像效果；圖1-4采用光學(xué)杜比加圖像二值化(高閾值)之后的成像效果(模擬黑白顯示)；圖1-5采用光學(xué)杜比加圖像二值化(低閾值)之后的成像效果(模擬黑白顯示)；圖2-1具有電學(xué)參考信號產(chǎn)生模塊的整體模塊示意圖；圖2-2具有電學(xué)參考信號產(chǎn)生模塊和光學(xué)選擇透過模塊系統(tǒng)整體模塊示意圖；圖3基于CXD的被動成像的光學(xué)杜比裝置示意圖；圖4基于ICXD主動探測成像的光學(xué)杜比降噪裝置；圖5基于EMCXD主動探測成像的光學(xué)杜比降噪裝置；圖6-1基于0PA+C⑶主動探測成像的光學(xué)杜比降噪系統(tǒng)示意圖；圖6-2基于OPA的圖像放大裝置示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明做詳細的說明。實施例一種基于光學(xué)杜比的CXD被動探測的圖像降噪裝置。參考圖2-1及圖3，制作一本發(fā)明的基于光學(xué)杜比的圖像降噪裝置，用于實現(xiàn)CXD 在干擾條件下被動探測及圖像降噪顯示。該成像系統(tǒng)100利用焦距為300毫米的長焦成像透鏡組101配合相應(yīng)的光闌102， 基于自然光照明，對霧霾環(huán)境下對約500米外的目標(biāo)物體0成像，成像至所述光學(xué)圖像探測模塊300中的光電探測器陣列301 (本實施中301為電荷耦合器件CCD)表面，光電探測器陣列301為CCD，金屬氧化物半導(dǎo)體MOS結(jié)構(gòu)，其將光信號轉(zhuǎn)換為電荷信號，然后經(jīng)過所述電信號轉(zhuǎn)移電路302進行信號轉(zhuǎn)移并通過所述信號轉(zhuǎn)換電路303將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號， 經(jīng)信號線傳輸至所述電信號比較器304中作為第一路輸入，同時在電學(xué)參考信號發(fā)生模塊 400中，開關(guān)及電源子模塊401為參考信號產(chǎn)生與調(diào)節(jié)子模塊402提供所需能量，402產(chǎn)生的參考信號(本實施例中為電壓信號)通過信號線輸入至控制面板403進行顯示，同時亦接收由控制面板403提供的控制信號，對402產(chǎn)生的參考電壓進行調(diào)節(jié)，然后經(jīng)所述的參考信號輸出接口 404以及信號傳輸線將信號輸出至電信號比較器304中，作為第二路輸入；控制信號比較器304，本實施例中為電壓比較器，將參考信號電壓以下的信號扣除，此時處理之后的電壓信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換元件305進行模數(shù)轉(zhuǎn)換之后作為數(shù)字信號通過輸出，并通過數(shù)據(jù)傳輸線將數(shù)據(jù)傳輸至所述圖像顯示模塊500進行實時控制，該圖像顯示裝置為所述的圖像采集卡502 (本實施例中為CXD圖像采集卡)及計算機主機503，最終通過圖像顯示器 504實現(xiàn)光學(xué)杜比降噪顯示輸出。在實際應(yīng)用中，根據(jù)顯示效果，通過手動調(diào)節(jié)控制面板403，對參考信號產(chǎn)生與調(diào)節(jié)子模塊402的輸出電壓進行實時調(diào)節(jié)，得到優(yōu)化的光學(xué)杜比降噪圖像輸出。對于本實施例中的基于光學(xué)杜比的直接圖像探測降噪裝置，改變成像輸出的閾值，有效地降低了背景信號強度，對于有助于在物體與背景反射率存在差異時的普遍情形， 實現(xiàn)有效的目標(biāo)圖像記錄與目標(biāo)的快速識別。實施例2 —種基于光學(xué)杜比的ICXD主動探測的圖像降噪裝置。參考圖2-2和圖4，制作一本發(fā)明的基于光學(xué)杜比的圖像降噪裝置，本實施例在實施例1的基礎(chǔ)之上，采用了主動照明的激光光源，用于實現(xiàn)低照底環(huán)境下主動探測及圖像增強及降噪顯示。并且結(jié)合距離選通技術(shù)，在實現(xiàn)圖像信號的距離分辨的同時，可以排除前景與后景干擾，結(jié)合光學(xué)杜比的光學(xué)與電學(xué)信號選擇，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下成像信噪比的有效提升。本實施例中采用300毫米成像透鏡組101對1000米外的目標(biāo)進行主動探測成像， 相對于實施例1，新增了主動探測子模塊，包括探測光源104 (本實施例中為lkHz532nm納秒 ns脈沖激光器)，本實施例中的探測光源104為1kHz，激光經(jīng)倍頻后輸出532nm垂直偏振激光，激光束經(jīng)過光束整形發(fā)射元件105之后，極少部分光(約為InJ)經(jīng)過分光元件106入射到高速響應(yīng)光電探測器109處，產(chǎn)生觸發(fā)信號，此時記為T0，電信號經(jīng)過信號電纜110，進入高精度數(shù)字延遲器111，在考慮信號傳輸時間之后，數(shù)字延遲器通過內(nèi)部電路對光電探測器陣列301進行觸發(fā)，此時記為Tl，使得Tl與TO的時間間隔等于探測激光的從發(fā)射到由目標(biāo)反射回來的往返時間。由高精度數(shù)字延遲器確定的延遲時間為激光在空間中傳播的往返時間，大約為6. 667 μ s.由于光學(xué)圖像的采用預(yù)放大方案，成像模塊的第一次成像位置在預(yù)放大子模塊 306的前表面，增強之后的圖像再通過像傳遞系統(tǒng)成像至光電探測器陣列301處。本實施例中大部分激光經(jīng)偏振分光棱鏡(PBS) 107-a后發(fā)生全反射，經(jīng)放置在其后的四分之一波片 (QWP) 107-b經(jīng)過成像透鏡組101，此時為接收望遠鏡(本實施例中發(fā)射與接收共用一個望遠鏡系統(tǒng))，進行發(fā)射，經(jīng)目標(biāo)0表面返回來的信號經(jīng)接成像透鏡組101之后再次通過四分之一波片107-b，此時偏振方向相對于首次入射時改變90度，則偏振方向變成水平方向，則完全通過偏振分光棱鏡(PBS) 107-a，實現(xiàn)接收信號與發(fā)射信號的分離，該方案為激光主動探測中的一種常見方案，可以實現(xiàn)相對更加緊湊的結(jié)構(gòu)，為本領(lǐng)域相關(guān)人員所熟悉。

本實施例采用激光作為主動探測光源，考慮到ICXD運轉(zhuǎn)在高增益模式下，較強的輸入信號導(dǎo)致像增強器損毀；本實施例中光學(xué)選擇透過模塊200加入了窄帶濾光波201，本實施例中采用532nm窄帶濾光片，可飽和吸收濾光片203，本實施例中采用基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡工藝針對532nm設(shè)計制作的SESAM透射鏡；以及透過強度可選的中性密度濾光片 204-b，本實施例中采用圓形金屬膜中性密度漸變?yōu)V光片的組合；并通過機電裝置205，本實施例中采用帶旋轉(zhuǎn)軸的步進電機及配套的電源驅(qū)動組成，可根據(jù)實時顯示的效果，利用計算機自動控制中性密度濾光片204-b的轉(zhuǎn)動角度，實現(xiàn)可調(diào)的衰減比率，保證系統(tǒng)的安全性的顯示效果的優(yōu)化；控制信號比較器304，本實施例中為電壓比較器，將參考信號電壓以下的信號扣除，此時處理之后的電壓信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換元件305進行模數(shù)轉(zhuǎn)換之后作為數(shù)字信號通過輸出。由于存在較高的光學(xué)增益，且讀出速率很快，為避免記錄與數(shù)據(jù)讀出環(huán)節(jié)的噪聲影響，探測裝置還包括探測器本底噪聲控制元件310，本實施中為TEC制冷，以及讀出噪聲控制電路311，這些都是高靈敏度圖像傳感器人員所熟知的。其后的實施方式同實施例1。本實施例中的，探測光源104還可選用探照燈(氣體/LED等)以及其他各種類型的激光器。實施例3 —種基于光學(xué)杜比的EMCXD主動探測的圖像降噪裝置。參考圖2-2與圖5，制作一本發(fā)明的基于光學(xué)杜比的圖像降噪裝置，用于實現(xiàn)存在散射介質(zhì)干擾條件下生物樣品信號的圖像降噪顯示。本實施例采用主動探測光源為倍頻后的飛秒寬調(diào)諧激光源，中心波長為400nm，研究不同的激發(fā)波長產(chǎn)生的樣品熒光圖像，成像透鏡組101為顯微鏡組合，圖像放大率為500 倍，光學(xué)圖像信號經(jīng)過光闌102和反射鏡組103進入感光的光電探測器陣列301，本實施例采用EMCXD。為節(jié)約系統(tǒng)成本，EMCXD感光面積較小且像元數(shù)目有限，為256x256像素，將相應(yīng)的不同范圍的數(shù)據(jù)進行整合、處理，能實現(xiàn)大視場范圍的圖像重建.為實現(xiàn)快速的圖像信號獲取，激光器的重頻為IkHz.，脈寬為150fs，利用掃描式成像方案，并采用機械掃描元件108實現(xiàn)大范圍進行主動探測。在得到視場范圍內(nèi)的圖像信息之后，掃描振鏡移動，對另一位置進行圖像采樣，信號的采集和轉(zhuǎn)換同實施例1，直至掃描振鏡完成視場整體掃描。本實施例采用光電探測器陣列301為EMCCD，所述的EMCCD的觸發(fā)信號由所述的高精度數(shù)字延遲器111來提供，通過圖像探測器觸發(fā)信號接口 309導(dǎo)入。輸出時刻由激光器自身的發(fā)射時刻和所感興趣的成像距離共同決定，EMCXD被觸發(fā)后，對進行成像.信號通過電信號轉(zhuǎn)移電路302本實施例為讀出寄存器之后，再經(jīng)過電信號倍增子模塊307，本實施例為EMCCD的增益寄存器，實現(xiàn)對弱的回波光學(xué)信號進行顯著的圖像信號放大，增益可超過 IO30相應(yīng)的探測器本底噪聲控制元件310為采用液氮冷卻低溫控制電路，其后的實施方式同實施例2。電信號比較器304，與電學(xué)參考信號發(fā)生模塊400之間的連接關(guān)系如實施例2 所示。經(jīng)目標(biāo)0表面反射在來的光信號，通過成像模塊100和光學(xué)選擇透過模塊200，分別采用波段可調(diào)的濾色鏡201-b和400nm窄帶濾光片202，分別用于觀察激發(fā)熒光成像以及直接照明的激光輪廓，以及透過強度可選的中性密度濾光片204-b ；手動調(diào)節(jié)波段可調(diào)的濾色鏡201-b，本實施例中為六孔密度盤，分別裝有750 850nm濾色鏡，500 600nm濾色鏡，850 IOOOnm濾色鏡，使其透光波段分別與對應(yīng)于不同機制的激發(fā)熒光波段圖像；若要觀察直接照明的樣品輪廓，則將201-b換成202即可；為降低本底的強度，并考慮到EMCCD 具有超過3個量級的電學(xué)增益，手動調(diào)節(jié)204-b的光學(xué)密度值為1 2，即光信號衰減至入射信號的1/10 1/100。光譜選擇與光強選擇之后的圖像到達光學(xué)圖像預(yù)放大子模塊306 ；此后過程與實施例1，2相類似。控制信號比較器304，本實施例中為電壓比較器，將參考信號電壓以下的信號扣除，此時處理之后的電壓信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換元件305進行模數(shù)轉(zhuǎn)換之后作為數(shù)字信號通過輸出。本實施例還基于電信號調(diào)節(jié)的光學(xué)杜比降噪技術(shù)，通過計算機實現(xiàn)光學(xué)杜比閉環(huán)控制，計算機主機503可根據(jù)實際顯示的效果，調(diào)節(jié)光學(xué)杜比的閾值，并將反饋信號經(jīng)反饋控制線505輸出至控制面板403.然后，通過對參考電壓產(chǎn)生與調(diào)節(jié)子模塊402對輸出的參考電壓進行實時調(diào)節(jié)，將電壓信號輸入至所述電信號比較器304，從而實現(xiàn)了最佳的圖像輸出質(zhì)量。本實施例在實施例1的基礎(chǔ)上，引入主動探測技術(shù)，實現(xiàn)低照度復(fù)雜環(huán)境下成像質(zhì)量的提升。實施例4 一種基于光學(xué)杜比的OPA主動探測(+時間選通)的圖像降噪裝置。參考圖2-2與圖6-1，制作一本發(fā)明的基于光學(xué)杜比的圖像降噪裝置，用于實現(xiàn)存在環(huán)境干擾條件下立體目標(biāo)圖像信號的距離選通探測及圖像降噪顯示，并實現(xiàn)毫米 亞毫米級的縱向分辨精度。本實施例中為光參量放大即OPA模塊，探測光源104為可同時提供10Hz，皮秒全固態(tài)Nd =YAG倍頻和三倍頻激光，輸出波長為532nm和355nm的激光輸出，距離選通成像時間控制子模塊采用光學(xué)延遲方案。本實施例中，分光元件106為45度入射355nm高透射率 532nm高反射率的鍍膜鏡面，傳輸介質(zhì)112為空氣，光束傳輸元件113為一組光學(xué)反射鏡和一個像傳遞透鏡，可調(diào)光程的光學(xué)機械元件114為行程2英寸的光學(xué)平移臺，實施中通過平移臺的調(diào)節(jié)，使得532nm基頻探測激光與355nm泵浦激光經(jīng)歷相同的光程，二者同時到達光學(xué)像增強子模塊308處，基頻光為信號激光，倍頻激光為OPA過程提供泵浦激光，實現(xiàn)光學(xué)圖像信號的OPA放大。本實施例采用激光作為主動探測光源，考慮到EMCCD的高增益，本實施例與實施例2相似，光學(xué)選擇透過模塊200包括了窄帶濾光波201，本實施例中為532nm窄帶濾光片， 可飽和吸收濾光片203，本實施例中采用基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡工藝針對532nm設(shè)計制作的SESAM透射鏡；以及透過強度可選的中性密度濾光片204-b，本實施例中采用圓形金屬膜中性密度漸變?yōu)V光片的組合；并通過機電裝置205，本實施例中采用帶旋轉(zhuǎn)軸的步進電機及配套的電源驅(qū)動組成，可根據(jù)實時顯示的效果，利用計算機自動控制中性密度濾光片 204-b的轉(zhuǎn)動角度，實現(xiàn)可調(diào)的衰減比率，保證系統(tǒng)的安全性的顯示效果的優(yōu)化；此外，本實施例中還綜合了如實施例3中的基于電信號調(diào)節(jié)的光學(xué)杜比降噪技術(shù)，進一步優(yōu)化成像的對比度。與實施例2不同之處在于采用了光學(xué)圖像增強方案代替了實施例2中的電學(xué)圖像增強，光學(xué)圖像增強通過光參量放大技術(shù)來實現(xiàn)。光參量放大是指當(dāng)較微弱的信號光和較強的泵浦激光同時入射到非線性光學(xué)晶體上時，在滿足相位匹配條件和時間、空間匹配的條件下，信號光可以從泵浦光得到能量，該方案為非線性光學(xué)技術(shù)中的一種常見技術(shù)，可以實現(xiàn)信號光的高增益的放大，其增益倍數(shù)可達IO3 107，為本領(lǐng)域相關(guān)人員所熟悉。裝置示意圖如圖6-2所示，本實施例中光學(xué)像增強子模塊308包括泵浦激光器308-a、及其時空控制裝置308-b，非線性光學(xué)晶體308-c、以及耦合光學(xué)元件308-d。其中，泵浦激光器308_a 用于提供泵浦光，時空控制裝置308-b用于實現(xiàn)信號光與泵浦光之間精確的時間同步，非線性光學(xué)晶體308-c作為光參量放大作用產(chǎn)生的場所，成像模塊的第一次成像位置在光學(xué)像增強子模塊308的像增強器即非線性光學(xué)晶體308-c處。泵浦激光經(jīng)過同等的時間延遲與經(jīng)由目標(biāo)返回信號光之間的時間同步到達非線性光學(xué)晶體308-c處。如圖6-2所示，耦合光學(xué)元件308-d為雙色鏡，鍍有信號光532nm高透、355nm泵浦光高反的雙色膜層，用于實現(xiàn)泵浦光與信號光之間的空間耦合與信號增強之后的空間分離，這些都是為非線性光學(xué)領(lǐng)域?qū)I(yè)人員所熟悉的。增強之后的光學(xué)圖像通過像傳遞系統(tǒng)308-f成像至光電探測器陣列 301處，此后的實施方式與實施例2相同。由于采用了光學(xué)相互作用的圖像信號選通，其時間選通精度可以達到皮秒KT12S 飛秒KT15S的精度，遠超過電學(xué)增益手段的時間精度，因此，可以實現(xiàn)超高的縱向成像的距離分辨精度，可以應(yīng)用至在生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中對存在干擾的精細結(jié)構(gòu)成像。實施例中的光學(xué)放大模塊除了光參量放大器方案外，還可以采用包括激光光學(xué)放大器、摻雜光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器、受激喇曼放大器等，實現(xiàn)微弱光信號的直接增強。 當(dāng)然，本發(fā)明還可有其他多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明做出各種相應(yīng)的改變和變型，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于光學(xué)杜比的圖像降噪裝置，其包括對目標(biāo)物進行光學(xué)成像的成像模塊 (100)、光學(xué)圖像記錄模塊(300)、圖像顯示模塊(500)，其特征在于，還包括電學(xué)參考信號產(chǎn)生模塊G00)；所述的成像模塊(100)包括成像透鏡組(101)、成像反射鏡組(10 、成像透鏡組(101) 與成像反射鏡組(103)的組合、成像透鏡組(101)與用于調(diào)節(jié)光通量的光光闌/光闌組 (102)的組合、成像反射鏡組(10 與用于調(diào)節(jié)光通量的光闌/光闌組(10 的組合或成像透鏡組(101)、成像反射鏡組(103)和用于調(diào)節(jié)光通量的光闌/光闌組(102)的組合；所述的用于調(diào)節(jié)光通量的光闌/光闌組(102)位于成像透鏡組(101)內(nèi)透射組之間、成像反射鏡組(103)內(nèi)反射鏡組之間或成像透鏡組(101)與成像反射鏡組(10 光路之間；所述的光學(xué)圖像記錄模塊(300)包括用于感光的光電探測器陣列(301)、電信號轉(zhuǎn)移電路(302)、電信號轉(zhuǎn)換元件(303)、模數(shù)轉(zhuǎn)換元件(305)和電信號比較器(304)；其中，光電探測器陣列(301)、電信號轉(zhuǎn)移電路(30 、電信號轉(zhuǎn)換元件(30 和模數(shù)轉(zhuǎn)換元件(305) 依次串聯(lián)；所述的電學(xué)參考信號產(chǎn)生模塊G00)由開關(guān)及電源子模塊G01)、參考信號產(chǎn)生與調(diào)節(jié)子模塊002)、控制面板(40 和參考信號輸出接口(404)組成，參考信號產(chǎn)生與調(diào)節(jié)子模塊G02)由開關(guān)及電源子模塊(401)提供能量，其產(chǎn)生穩(wěn)定輸出的電流/電壓參考信號通過參考信號輸出接口(404)和信號傳輸線輸入至電信號比較器(304)；所述的電信號比較器(304)位于感光的光電探測器陣列(301)之后、電信號轉(zhuǎn)移電路 (302)之后或電信號轉(zhuǎn)換元件(30 之后，且位于模數(shù)轉(zhuǎn)換元件(30 之前，接收兩路參考信號一路接收由光電探測器陣列(301)、電信號轉(zhuǎn)移電路(302)、或電信號轉(zhuǎn)換元件(303) 提供的電學(xué)信號；另一路接收由參考信號產(chǎn)生與調(diào)節(jié)子模塊(40 產(chǎn)生信號通過參考信號輸出接口(404)和信號傳輸線輸入至電信號比較器(304)的參考信號；同時，所述的圖像信號經(jīng)電信號比較器(304)將低于參考信號閾值之下的扣除之后進入所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換元件 (305)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出給圖像顯示模塊(500)；所述的圖像顯示模塊(500)包括帶數(shù)字圖像采集卡(502)的計算機主機(50 和圖像顯示器(504)；數(shù)字圖像采集卡(50 裝于計算機主機(50 主板上，通過數(shù)據(jù)傳輸線接收由模數(shù)轉(zhuǎn)換器件(30 輸出的數(shù)字信號，數(shù)字圖像采集卡(502)的輸出信號經(jīng)計算機主機(50 處理之后最終在圖像顯示器(504)上顯示降噪圖像。
2.按權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)杜比的圖像降噪裝置，其特征在于，還進一步包括光學(xué)選擇透過模塊000)、第一轉(zhuǎn)接環(huán)(1)和第二轉(zhuǎn)接環(huán)O)；所述的光學(xué)選擇透過模塊(200)為濾色鏡001)、窄帶濾光片002)、可飽和吸收濾光片003)、中性密度濾光片004)、波段可調(diào)的濾色鏡ΟΟΙ-b)、透過窄帶波長可調(diào)的窄帶濾光片O02-b)、飽和光強可調(diào)的可飽和吸收濾光片O03-b)、透過強度可選的中性密度濾光片Q04-b)或它們中的任意組合；所述的光學(xué)選擇透過模塊(200)位于所述成像模塊 (100)與光學(xué)圖像記錄模塊(300)的光路之間，用于對光信號進行頻域和強度的選擇；所述的第一轉(zhuǎn)接環(huán)(1)用于實現(xiàn)成像模塊(100)與光信號選擇透過模塊(200)之間相互連接；所述第二轉(zhuǎn)接環(huán)( 用于實現(xiàn)光學(xué)圖像記錄模塊(300)與光學(xué)選擇透過模塊 (200)之間相互連接。
3.按權(quán)利要求1或2所述的基于光學(xué)杜比的圖像降噪裝置，其特征在于，所述成像裝置成像模塊(100)還包括發(fā)射激光的探測光源(104)和位于其出射光路中的光束整形發(fā)射元件(105)，探測光源(104)對目標(biāo)物體進行主動照明，由成像透鏡組(101)、成像反射鏡組 (103)或其組合對該目標(biāo)物進行成像，由光學(xué)圖像記錄模塊(300)接收。
4.按權(quán)利要求3所述的基于光學(xué)杜比的圖像降噪裝置，其特征在于，所述成像裝置成像模塊(100)還包括偏振控制元件(107)或/和機械掃描元件(108)；偏振控制元件 (107)位于探測光源(104)和光束整形發(fā)射元件(105)之間，機械掃描元件(108)位于光束整形發(fā)射元件(105)之后，實現(xiàn)對目標(biāo)物的掃描式照明，并經(jīng)由成像透鏡組(101)對目標(biāo)物成像。
5.按權(quán)利要求3所述的基于光學(xué)杜比的圖像降噪裝置，其特征在于，所述成像模塊 (100)還包括用于進行距離選通成像時間控制子模塊，所述距離選通成像時間控制子模塊可采用電學(xué)延遲方案和光學(xué)延遲方案；采用電學(xué)延遲方案的距離選通成像時間控制子模塊由分光元件(106)、光電探測器 (109)、信號電纜(110)和數(shù)字延遲器(111)組成，探測光源(104)發(fā)出的光信號經(jīng)分光元件(106)由光電探測器(109)接收，所述的光電探測器(109)產(chǎn)生的觸發(fā)電平信號經(jīng)信號電纜(110)傳輸至數(shù)字延遲器(111)處；所述的光學(xué)圖像記錄模塊(300)還包括圖像探測器觸發(fā)信號接口(309)，經(jīng)數(shù)字延遲器(111)輸出的觸發(fā)電平通過該接口(309)為光電探測器陣列(301)提供觸發(fā)信號；采用光學(xué)延遲方案的距離選通成像時間控制子模塊由分光元件(106)、傳輸介質(zhì) (112)、光束傳輸元件(113)以及可調(diào)光程的光學(xué)機械元件(114)組成。
6.按權(quán)利要求1或2所述的基于光學(xué)杜比的圖像降噪裝置，其特征在于，所述的光學(xué)圖像記錄模塊(300)還包括放置于光電探測器陣列(301)之前的利用電信號放大實現(xiàn)圖像增強的電學(xué)像增強子模塊(306)、放置于光電探測器陣列(301)之后的利用電學(xué)增益實現(xiàn)信號增強的電信號倍增子模塊(307)或放置于光電探測器陣列301之前的利用光信號放大實現(xiàn)圖像增強的光學(xué)像增強子模塊(308)；所述的電學(xué)像增強子模塊(306)由電驅(qū)動的光信號增強元件以及光學(xué)圖像的像傳遞元件組成，光學(xué)圖像信號經(jīng)所述的電驅(qū)動的光信號增強元件實現(xiàn)光學(xué)增強，再經(jīng)像傳遞元件傳遞由光電探測器陣列(301)進行接收；所述的電信號倍增子模塊(307)由電信號倍增元件組成，將轉(zhuǎn)移電路(302)提供的電信號進行放大并傳輸至電信號轉(zhuǎn)換元件(303)；所述的光學(xué)增益的信號增強子模塊(308)由光學(xué)驅(qū)動的光信號放大元件和像傳遞元件組成，光學(xué)圖像信號經(jīng)所述的光信號放大元件實現(xiàn)光學(xué)增強，再經(jīng)像傳遞元件傳遞由光電探測器陣列(301)進行接收。
7.按權(quán)利要求6所述的基于光學(xué)杜比的圖像降噪裝置，其特征在于，所述的光電探測器陣列(301)還包括探測器本底噪聲控制元件(310)，所述的電信號轉(zhuǎn)移電路(302)還包括集成在其中的讀出噪聲控制元件(311)，以便在圖像增強的同時降低本底噪聲的影響。
8.按權(quán)利要求2所述的基于光學(xué)杜比的圖像降噪裝置，其特征在于，所述的光學(xué)選擇透過模塊(200)還進一步包括調(diào)節(jié)波段可調(diào)的濾色鏡(201-b)、透過窄帶波長可調(diào)的窄帶濾光片(202-b)、飽和光強可調(diào)的可飽和吸收濾光片(203-b)、透過強度可選的中性密度濾光片(204-b)或它們的任意組合的光學(xué)選擇參數(shù)的機電裝置(205)；該機電裝置(205)通過反饋控制線(50 接收由所述計算機主機(50 輸出的反饋控制信號，以形成光信號選擇的閉環(huán)自動控制。
9.按權(quán)利要求1或2所述的基于光學(xué)杜比的圖像降噪裝置，其特征在于，所述的電學(xué)參考信號產(chǎn)生模塊(400)的控制面板403的輸入端通過反饋控制線(50 與所述計算機主機 (503)輸出端相連，以形成電信號選擇的閉環(huán)自動控制。
全文摘要
一種基于光學(xué)杜比的圖像降噪裝置，其包括對目標(biāo)物進行光學(xué)成像的成像模塊、光學(xué)圖像記錄模塊、圖像顯示模塊和電學(xué)參考信號產(chǎn)生模塊；目標(biāo)物體的光信號經(jīng)過一定干擾介質(zhì)如薄霧、霾等之后通過成像模塊到達圖像記錄模塊中光電傳感器陣列表面，完成光信號的接收和光電轉(zhuǎn)換；在電信號模數(shù)轉(zhuǎn)換之前，利用電學(xué)參考信號產(chǎn)生模塊的調(diào)節(jié)，改變光學(xué)圖像記錄模塊記錄信號的強度閾值，對光電轉(zhuǎn)換的信號進行強度分辨和選擇性記錄；最終通過圖像顯示模塊輸出；該裝置基于硬件的信號選擇能力可實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的圖像降噪顯示，緩解了后續(xù)圖像處理的壓力，有利于目標(biāo)快速定位與特征識別。
文檔編號H04N5/357GK102316282SQ20111027888
公開日2012年1月11日 申請日期2011年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月20日
發(fā)明者崔大復(fù), 張景園, 彭欽軍, 杜仕峰, 楊晶, 許祖彥 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所