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CN110133865B - 成像方向选择设备及其方法 - Google Patents

成像方向选择设备及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学成像技术领域，公开一种成像方向选择设备及其方法，以一种新的光束偏转方式实现成像区域的选择和整体性能的提升。本发明成像方向选择设备包括：安装在图像传感器之前的光束过滤装置、旋转装置和至少一级偏振光栅；各所述偏振光栅，通过控制材料分子的周期性排布实现光束衍射及偏转，出射光束偏转角为光束入射角与偏振光栅衍射角的矢量叠加；所述旋转装置，用于驱动相应的单个或至少两个所述偏振光栅旋转，进而带动偏振光栅衍射角旋转，使得抵达所述图像传感器的光束随相应偏振光栅旋转而发生外部物象区域的切换；所述光束过滤装置，用于对外部非目标物象区域的入射光进行过滤。

Description

成像方向选择设备及其方法
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种成像方向选择设备及其方法。
背景技术
近年来，关于光束调控技术越来越受到人们的关注。特别是基于新型光学器件的光场调控技术研究最为热门。但是，依据现有的摄像头技术，能够实现超高清、大视场的设备价格通常都非常昂贵并存在诸多不足。
发明内容
本发明目的在于公开一种成像方向选择设备及其方法，以一种新的光束偏转方式实现成像区域的选择和整体性能的提升。
为达上述目的，本发明公开一种成像方向选择设备，包括：
安装在图像传感器之前的光束过滤装置、旋转装置和至少一级偏振光栅；
各所述偏振光栅，通过控制材料分子的周期性排布实现光束衍射及偏转，出射光束偏转角为光束入射角与偏振光栅衍射角的矢量叠加；
所述旋转装置，用于驱动相应的单个或至少两个所述偏振光栅旋转，进而带动偏振光栅衍射角旋转，使得抵达所述图像传感器的光束随相应偏振光栅旋转而发生外部物象区域的切换；
所述光束过滤装置，用于对外部非目标物象区域的入射光进行过滤。
为达上述目的，本发明还公开一种成像方向选择方法，包括：
在图像传感器之前的安装光束过滤装置、旋转装置和至少一级偏振光栅；各所述偏振光栅通过控制材料分子的周期性排布实现光束衍射及偏转，出射光束偏转角为光束入射角与偏振光栅衍射角的矢量叠加；
由所述旋转装置驱动相应的单个或至少两个所述偏振光栅旋转，进而带动偏振光栅衍射角旋转，使得抵达所述图像传感器的光束随相应偏振光栅旋转而发生外部物象区域的切换；同时，由所述光束过滤装置对外部非目标物象区域的入射光进行过滤。
本发明具有以下有益效果：
在光束过滤装置配合下，以偏振光栅的旋转同步带动外部成像区域的切换，并能以偏振光栅的多级部署来增加光束的偏转度，进而增加视场角。结构简单实用，部署及操作非常便捷，整体性能得以显著提升。
优选地，本发明偏振光栅还用于：在偏转过程中将入射的左旋圆偏振光偏转成出射的右旋圆偏振光；和/或将入射的右旋圆偏振光偏转成出射的左旋圆偏振光；和/或将入射非偏振光转变为衍射角度相反的左旋圆偏振光及右旋圆偏振光。
进一步地，本发明偏振光栅的透射光谱集中在：将入射的左旋圆偏振光偏转成负一衍射级；和/或将入射的右旋圆偏振光偏转成正一衍射级；和/或将入射非偏振光偏转为正一衍射级的左旋圆偏振光及负一衍射级的右旋圆偏振光。
藉此，本发明有效避免了传统光栅需考虑其他多级衍射而需额外增加更复杂的多级衍射处理装置而造成的诸多不便。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例公开的成像方向选择设备框架结构示意图；
图2是本发明实施例公开的成像方向选择的原理示意图；
图3是本发明实施例公开的偏振光栅表面结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
如图1所示，本实施例公开一种成像方向选择设备，包括：安装在图像传感器3之前的光束过滤装置2、旋转装置和至少一级偏振光栅1。其中，图像传感器可选用CCD、CMOS结构，并且图像传感器像素可根据特定应用选择任意像素规格。
各所述偏振光栅，通过控制材料分子的周期性排布实现光束衍射及偏转，出射光束偏转角为光束入射角与偏振光栅衍射角的矢量叠加。
所述旋转装置，用于驱动相应的单个或至少两个所述偏振光栅旋转，进而带动偏振光栅衍射角旋转，使得抵达所述图像传感器的光束随相应偏振光栅旋转而发生外部物象区域的切换。
所述光束过滤装置，用于对外部非目标物象区域的入射光进行过滤。
换言之，本实施例偏振光栅的数量可以是一级，也可以是两级或两级以上。各级偏振光栅在旋转装置的作用下，可以是单独旋转，也可同时与其他级的偏振光栅进行联动。相应的动力驱动装置可以采用步进电机、伺服电机、直线电机、磁悬浮电机或压电驱动电机等。相应的旋转装置可以由与需部署偏振光栅等数量的子旋转台进行联控。
优选地，本实施例偏振光栅还用于：在偏转过程中将入射的左旋圆偏振光偏转成出射的右旋圆偏振光；和/或将入射的右旋圆偏振光偏转成出射的左旋圆偏振光；和/或将入射非偏振光转变为衍射角度相反的左旋圆偏振光及右旋圆偏振光。
进一步地，所述偏振光栅的透射光谱集中在：将入射的左旋圆偏振光偏转成负一衍射级；和/或将入射的右旋圆偏振光偏转成正一衍射级；和/或将入射非偏振光偏转为正一衍射级的左旋圆偏振光及负一衍射级的右旋圆偏振光。藉此，能有效避免了传统光栅需考虑其他多级衍射而需额外增加更复杂的多级衍射处理装置而造成的诸多不便。
值得说明的是：上述表述中的“和/或”关系，针对临近外部物象的第一级偏振光栅而言，会同时存在非偏振态的入射光和左旋圆偏振光及右旋圆偏振光，而对该第一级偏振光栅与图像传感器之间的其他级偏振光栅则仅存在左旋和/或右旋的圆偏振光。由于不同目标区域还存在光源的差异性，从而导致内部各级偏振光栅所发挥的实际功能也存在不确定性；但此类描述对于本领域技术人员而言，其相应的技术其实是明确而非容易产生歧义的，后续不做赘述。
优选地，本实施例的光束过滤装置至少包括偏振态转换器以及线性偏振片。其中，偏振态转换器用于将入射左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别转换成偏振方向相互垂直的线偏振光。线性偏振片设置于所述图像传感器与所述偏振态转换器之间，且起偏方向与其中一束线性偏振光偏振方向垂直并使该线偏振光不能入射至所述图像传感器。
可选的，上述偏振态转换器可为1/4波片。具体部署时，当所述线性偏振光仅允许水平方向的线偏振光入射至所述图像传感器时，所述1/4波片快轴与所述线性偏振片偏振方向呈45°夹角。或者当所述线性偏振光仅允许竖直方向的线偏振光入射至所述图像传感器时，所述1/4波片快轴与所述线性偏振片偏振方向呈-45°夹角。
优选地，本实施例光束过滤装置还包括设置在所述图像传感器与所述线性偏振片之间的镜头，用于过滤掉穿透所述线性偏振片之后偏转过大的非目标物象区域的入射光。
在光束过滤装置配合下，本实施例以偏振光栅的旋转同步带动外部成像区域的切换的原理如图2所示：
当不同两个不同角度的光束经过偏振光栅1后均被分为两束，并被偏转至两个不同方向。图中实线光束为经过偏振光栅后转变的左旋圆偏振光，再经过1/4波片16后转变为水平偏振光；再经过线性偏振片17后进入镜头18。但是其中一束光束偏转方向过大，虽然能透过线性偏振片，但还是不能进入镜头完成成像。图中虚线光束为经过偏振光栅后转变的右旋圆偏振光，再经过1/4波片之后转变为竖直偏振光，最后被线性偏振片过滤，不能进入镜头完成成像。所以，每次只有偏振光栅选定方向光束才能进入成像镜头完成成像，不会由其他光束干扰。
藉此，基于本实施例，在光束的传递过程中，假设两个偏振光栅虚拟光栅刻线方向夹角为Φ。当入射光经过第一个偏振光栅后，出射光与入射光夹角为该偏振光栅衍射角θ1，并且出射光与入射光处于相同平面，且该平面与第一个偏振虚拟光栅刻线方向垂直；光束入射第二个偏振光栅时，光束入射角度可分为与第二个偏振光栅虚拟光栅刻线方向垂直方向上的角度分量θx＝θ1*cosΦ以及与第二个偏振光栅虚拟光栅刻线方向平行的角度分量θy＝θ1*sinΦ。经过第二个偏振光栅后，角度分量增加为θ1*cosΦ+θ2(θ2为第二个偏振光栅衍射角)。而θy角度保持不变。最终出射方向θ为θx与θy的矢量叠加，且：
θ2＝(θ1*cosΦ+θ2)2+(θ1*sinΦ)2。
可选的，本实施例偏振光栅光学性能改性材料可由液晶、液晶聚合物制成，其表面结构可参照附图3。或者，该偏振光栅光学性能改性材料可由金属超表面或介质超表面制成，其中，超表面是一种由一系列亚波长的人工微结构组成的超薄二维阵列平面，具有制作相对简单、损耗相对较低、体积小和厚度超薄等特性，可以实现对电磁波的振幅、相位、传播模式、偏振态等方面的有效调控。
综上，本实施例公开的成像方向选择设备，具有以下有益效果：
在光束过滤装置配合下，以偏振光栅的旋转同步带动外部成像区域的切换，并能以偏振光栅的多级部署来增加光束的偏转度，进而增加视场角。结构简单实用，部署及操作非常便捷，整体性能得以显著提升。
实施例2
与上述装置实施例相对应的，本实施例公开一种成像方向选择方法，包括：
步骤S1、在图像传感器之前的安装光束过滤装置、旋转装置和至少一级偏振光栅；各所述偏振光栅通过控制材料分子的周期性排布实现光束衍射及偏转，出射光束偏转角为光束入射角与偏振光栅衍射角的矢量叠加。
步骤S2、由所述旋转装置驱动相应的单个或至少两个所述偏振光栅旋转，进而带动偏振光栅衍射角旋转，使得抵达所述图像传感器的光束随相应偏振光栅旋转而发生外部物象区域的切换；同时，由所述光束过滤装置对外部非目标物象区域的入射光进行过滤。
优选地，本实施例方法还包括：
在偏转过程中，所述偏振光栅将入射的左旋圆偏振光偏转成出射的右旋圆偏振光；和/或将入射的右旋圆偏振光偏转成出射的左旋圆偏振光；和/或将入射非偏振光转变为衍射角度相反的左旋圆偏振光及右旋圆偏振光。
进一步地，所述偏振光栅的透射光谱集中在：将入射的左旋圆偏振光偏转成负一衍射级；和/或将入射的右旋圆偏振光偏转成正一衍射级；和/或将入射非偏振光偏转为正一衍射级的左旋圆偏振光及负一衍射级的右旋圆偏振光。
可选的，所述光束过滤装置至少包括偏振态转换器以及线性偏振片。其中，偏振态转换器用于将入射左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别转换成偏振方向相互垂直的线偏振光；线性偏振片设置于所述图像传感器与所述偏振态转换器之间，且起偏方向与其中一束线性偏振光偏振方向垂直并使该线偏振光不能入射至所述图像传感器。
具体的，上述偏振态转换器可为1/4波片，在具体部署时，当所述线性偏振光仅允许水平方向的线偏振光入射至所述图像传感器时，所述1/4波片快轴与所述线性偏振片偏振方向呈45°夹角；或者当所述线性偏振光仅允许竖直方向的线偏振光入射至所述图像传感器时，所述1/4波片快轴与所述线性偏振片偏振方向呈-45°夹角。
优选地，所述光束过滤装置还包括设置在所述图像传感器与所述线性偏振片之间的镜头，用于过滤掉穿透所述线性偏振片之后偏转过大的非目标物象区域的入射光。
可选的，所述偏振光栅光学性能改性材料由液晶、液晶聚合物制成。或者，所述偏振光栅光学性能改性材料由金属超表面或介质超表面制成。
同理，本实施例公开的成像方向选择方法，具有以下有益效果：
在光束过滤装置配合下，以偏振光栅的旋转同步带动外部成像区域的切换，并能以偏振光栅的多级部署来增加光束的偏转度，进而增加视场角。结构简单实用，部署及操作非常便捷，整体性能得以显著提升。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种成像方向选择设备，其特征在于，包括：
安装在图像传感器之前的光束过滤装置、旋转装置和至少一级偏振光栅；
各所述偏振光栅，通过控制材料分子的周期性排布实现光束衍射及偏转，出射光束偏转角为光束入射角与偏振光栅衍射角的矢量叠加；
所述旋转装置，用于驱动相应的单个或至少两个所述偏振光栅旋转，进而带动偏振光栅衍射角旋转，使得抵达所述图像传感器的光束随相应偏振光栅旋转而发生外部物象区域的切换；
所述光束过滤装置，用于对外部非目标物象区域的入射光进行过滤。
2.根据权利要求1所述的成像方向选择设备，其特征在于，所述偏振光栅还用于：在偏转过程中将入射的左旋圆偏振光偏转成出射的右旋圆偏振光；和/或
将入射的右旋圆偏振光偏转成出射的左旋圆偏振光；和/或
将入射非偏振光转变为衍射角度相反的左旋圆偏振光及右旋圆偏振光。
3.根据权利要求2所述的成像方向选择设备，其特征在于，所述偏振光栅的透射光谱集中在：
将入射的左旋圆偏振光偏转成负一衍射级；和/或
将入射的右旋圆偏振光偏转成正一衍射级；和/或
将入射非偏振光偏转为正一衍射级的左旋圆偏振光及负一衍射级的右旋圆偏振光。
4.根据权利要求2、或3所述的成像方向选择设备，其特征在于，所述光束过滤装置至少包括偏振态转换器以及线性偏振片：
所述偏振态转换器，用于将入射左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别转换成偏振方向相互垂直的线偏振光；
所述线性偏振片，设置于所述图像传感器与所述偏振态转换器之间，且起偏方向与其中一束线性偏振光偏振方向垂直并使该线偏振光不能入射至所述图像传感器。
5.根据权利要求4所述的成像方向选择设备，其特征在于，所述偏振态转换器为1/4波片，其中：
当所述线性偏振光仅允许水平方向的线偏振光入射至所述图像传感器时，所述1/4波片快轴与所述线性偏振片偏振方向呈45°夹角；或者
当所述线性偏振光仅允许竖直方向的线偏振光入射至所述图像传感器时，所述1/4波片快轴与所述线性偏振片偏振方向呈-45°夹角。
6.根据权利要求4所述的成像方向选择设备，其特征在于，所述光束过滤装置还包括设置在所述图像传感器与所述线性偏振片之间的镜头，用于过滤掉穿透所述线性偏振片之后偏转过大的非目标物象区域的入射光。
7.根据权利要求1、2、或3所述的成像方向选择设备，其特征在于，所述偏振光栅光学性能改性材料由液晶、液晶聚合物制成；或者
所述偏振光栅光学性能改性材料由金属超表面或介质超表面制成。
8.一种成像方向选择方法，其特征在于，包括：
在图像传感器之前的安装光束过滤装置、旋转装置和至少一级偏振光栅；各所述偏振光栅通过控制材料分子的周期性排布实现光束衍射及偏转，出射光束偏转角为光束入射角与偏振光栅衍射角的矢量叠加；
由所述旋转装置驱动相应的单个或至少两个所述偏振光栅旋转，进而带动偏振光栅衍射角旋转，使得抵达所述图像传感器的光束随相应偏振光栅旋转而发生外部物象区域的切换；同时，由所述光束过滤装置对外部非目标物象区域的入射光进行过滤。
9.根据权利要求8所述的成像方向选择方法，其特征在于，还包括：
在偏转过程中，所述偏振光栅将入射的左旋圆偏振光偏转成出射的右旋圆偏振光；和/或将入射的右旋圆偏振光偏转成出射的左旋圆偏振光；和/或将入射非偏振光转变为衍射角度相反的左旋圆偏振光及右旋圆偏振光。
10.根据权利要求9所述的成像方向选择方法，其特征在于，所述偏振光栅的透射光谱集中在：
将入射的左旋圆偏振光偏转成负一衍射级；和/或
将入射的右旋圆偏振光偏转成正一衍射级；和/或
将入射非偏振光偏转为正一衍射级的左旋圆偏振光及负一衍射级的右旋圆偏振光。
11.根据权利要求8、9或10所述的成像方向选择方法，其特征在于，所述光束过滤装置至少包括偏振态转换器以及线性偏振片：
所述偏振态转换器，用于将入射左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别转换成偏振方向相互垂直的线偏振光；
所述线性偏振片，设置于所述图像传感器与所述偏振态转换器之间，且起偏方向与其中一束线性偏振光偏振方向垂直并使该线偏振光不能入射至所述图像传感器。
12.根据权利要求11所述的成像方向选择方法，其特征在于，所述偏振态转换器为1/4波片，其中：
当所述线性偏振光仅允许水平方向的线偏振光入射至所述图像传感器时，所述1/4波片快轴与所述线性偏振片偏振方向呈45°夹角；或者
当所述线性偏振光仅允许竖直方向的线偏振光入射至所述图像传感器时，所述1/4波片快轴与所述线性偏振片偏振方向呈-45°夹角。
13.根据权利要求12所述的成像方向选择方法，其特征在于，所述光束过滤装置还包括设置在所述图像传感器与所述线性偏振片之间的镜头，用于过滤掉穿透所述线性偏振片之后偏转过大的非目标物象区域的入射光。
14.根据权利要求8、9或10所述的成像方向选择方法，其特征在于，所述偏振光栅光学性能改性材料由液晶、液晶聚合物制成；或者
所述偏振光栅光学性能改性材料由金属超表面或介质超表面制成。
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