一種共光路組合式光場光譜成像方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種共光路組合式光場光譜成像方法及裝置，目標(biāo)輻射信息射入到通過主鏡頭，通過主鏡頭內(nèi)部設(shè)置的濾光片陣列進(jìn)行調(diào)制后，由分光棱鏡進(jìn)行分光，得到透射光路與反射管路兩條光路；其中，透射光路通過微透鏡陣列與探測器A實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率光場成像；反射光路直接通過探測器B進(jìn)行高空間分辨率全色成像；且探測器A與探測器B將高光譜分辨率光場成像信息與高空間分辨率全色成像信息發(fā)送到計算機(jī)中進(jìn)行圖像配準(zhǔn)和重構(gòu)，采用多源數(shù)據(jù)融合法則，得到高空間分辨率和高光譜分辨率圖像。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為：實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的完整光譜圖像信息和高空間分辨率圖像信息的同時獲取，結(jié)構(gòu)簡單、輕量化、小型化。
【專利說明】一種共光路組合式光場光譜成像方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種對物體三維表面進(jìn)行成像的方法及設(shè)備，具體來說，是一種同時具有高空間分辨率和高光譜分辨率的組合式光譜成像方法及裝置，屬于光譜成像領(lǐng)域
【背景技術(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)的多光譜成像系統(tǒng)中，光譜數(shù)據(jù)的獲取方式分為凝視型、推掃型和快照型三類。凝視型光譜成像在一次成像過程中只能獲取目標(biāo)在某個波長下的二維圖像，再通過變換不同的波長范圍，經(jīng)多次曝光獲得完整的光譜信息，該凝視型光譜成像技術(shù)在快速運(yùn)動或變化目標(biāo)的監(jiān)測等方面的應(yīng)用，可能無法獲取準(zhǔn)確的實(shí)時數(shù)據(jù)。而推掃型光譜成像系統(tǒng)在一次曝光中獲取一維目標(biāo)的光譜信息，需要跨軌推掃完成對二維目標(biāo)的成像，該掃描運(yùn)動對其搭載的運(yùn)動平臺或自身掃描機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度和穩(wěn)定型都有很高要求，易受外部沖擊以及運(yùn)動平臺震動等影響，因此加大了運(yùn)動部件的加工難度和成本，同時對其搭載平臺的穩(wěn)定性都有較高的要求，不適用于復(fù)雜的工作環(huán)境。
[0003]利用光場成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的光譜成像探測，是一種快照型光譜探測模式。光場成像技術(shù)是通過在傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)中添加解調(diào)單元，將目標(biāo)二維空間分布信息和幾何光線傳播的二維方向信息同時記錄下來，可提取不同方向角下的目標(biāo)物體的二維光能量分布。然后利用特定的信息處理方法實(shí)現(xiàn)對不同方向信息的提取，因此可以實(shí)現(xiàn)多維信息的獲取，為瞬時獲取目標(biāo)的三維光譜數(shù)據(jù)立方體提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。
[0004]但上述的光場成像技術(shù)，多出的二維信息是以犧牲一定的空間分辨率為代價，因此現(xiàn)有的光場成像相機(jī)存在圖像空間分辨率降低的問題，從而制約光場成像技術(shù)在光譜探測方面的應(yīng)用。如何同時獲取高空間分辨率和高光譜分辨率，是必須解決的一個重點(diǎn)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明提供一種可同時獲取高空間分辨率全色圖像和高光譜分辨率光譜圖像的光譜成像方法，通過下述步驟實(shí)現(xiàn):
[0006]步驟1:對目標(biāo)輻射信息進(jìn)行調(diào)制；
[0007]步驟2:對調(diào)制后的目標(biāo)輻射信息進(jìn)行分光，形成透射光路與反射光路；
[0008]步驟3:對透射光路進(jìn)行高光譜分辨率光場成像，作為第一圖像；對反射光路進(jìn)行高空間分辨率全色成像，作為第二圖像；
[0009]步驟4:對第一圖像與第二圖像的圖像信息進(jìn)行圖像配準(zhǔn)和重構(gòu)，采用多源數(shù)據(jù)融合法則，得到高空間分辨率和高光譜分辨率圖像。
[0010]本發(fā)明還提出一種光學(xué)結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧和系統(tǒng)集成，并且抗振動能力強(qiáng)，可同時獲取高空間分辨率全色圖像和高光譜分辨率光譜圖像的光譜成像裝置，包括前置光學(xué)成像模塊、分光模塊、光場光譜成像模塊、全色成像模塊和圖像處理模塊。
[0011]其中，前置光學(xué)成像模塊包括主鏡頭與濾光片陣列；主鏡頭豎直設(shè)置，主鏡頭的鏡片間的孔徑光闌處設(shè)置濾光片陣列；分光模塊為分光棱鏡，分光棱鏡的中心位于主鏡頭中軸線上，且與主鏡頭夾角為45° ;目標(biāo)輻射信息由主鏡頭前側(cè)射入，通過線性漸變?yōu)V光片進(jìn)行調(diào)制后，后得到對應(yīng)的不同波長的光，并入射到分光棱鏡上，通過分光棱鏡進(jìn)行分光，形成透射光路和反射光路兩路光路。
[0012]所述光場光譜成像模塊包括微透鏡陣列、探測器A ;微透鏡陣列設(shè)置于分光棱鏡后方，與分光棱鏡同軸；透射光路經(jīng)過微透鏡陣列后，由探測器A實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率光場成像，作為第一圖像；且探測器A將第一圖像的高光譜分辨率光場成像信息，發(fā)送到計算機(jī)中進(jìn)行存儲。
[0013]所述全色成像模塊為探測器B，反射光路直接通過探測器B進(jìn)行高空間分辨率全色成像，作為第二圖像；且探測器B將第二圖像的高空間分辨率全色成像信息發(fā)送到計算機(jī)中進(jìn)行存儲。
[0014]所述圖像處理模塊為計算機(jī)，用來對存儲后的第一圖像與第二圖像的成像信息進(jìn)行圖像配準(zhǔn)和重構(gòu)，采用多源數(shù)據(jù)融合法則，得到高空間分辨率和高光譜分辨率圖像。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0016]1、本發(fā)明共光路組合式光場光譜成像方法，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的高光譜分辨率光譜信息和高空間分辨率圖像信息的同時獲取,經(jīng)過多源數(shù)據(jù)融合能獲取高空間分辨率和高光譜分辨率的融合圖像，且無需推掃或凝視成像，可應(yīng)用于快速變化或移動目標(biāo)的監(jiān)測與追蹤中；
[0017]2、本發(fā)明共光路組合式光場光譜成像裝置，采用光譜成像光路和全色成像光路共一條主光路，相互之間視角誤差極小，能降低后續(xù)數(shù)據(jù)校正的復(fù)雜性和數(shù)據(jù)處理的難度，以及降低多源數(shù)據(jù)融合誤差，能提高目標(biāo)成像探測的識別率；
[0018]3、本發(fā)明共光路組合式光場光譜成像裝置，基于微透鏡陣列的光場成像機(jī)構(gòu)與濾光片陣列作為光譜調(diào)制元件，具有一次曝光就可以獲取完整三維數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，經(jīng)過光場數(shù)據(jù)提取技術(shù)可獲取目標(biāo)的完整光譜信息，且能應(yīng)用于快速變化或移動目標(biāo)的成像探測；
[0019]4、本發(fā)明共光路組合式光場光譜成像裝置，沒有運(yùn)動部件，且容易實(shí)現(xiàn)儀器的輕量化和小型化，對自身及運(yùn)動平臺穩(wěn)定性要求低；
[0020]5、本發(fā)明共光路組合式光場光譜成像裝置，采用基于微透鏡陣列的光場成像機(jī)構(gòu)與濾光片陣列作為光譜調(diào)制元件，可以實(shí)現(xiàn)一次拍照獲得二維目標(biāo)的三維光譜圖像數(shù)據(jù)立方體。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明共光路組合式光場光譜成像方法流程圖；
[0022]圖2為本發(fā)明共光路組合式光場光譜成像裝置結(jié)構(gòu)框圖；
[0023]圖3為本發(fā)明共光路組合式光場光譜成像裝置具體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖中:
[0025]1-前置光學(xué)成像模塊 2-分光模塊3-光場光譜成像模塊
[0026]4-全色成像模塊5-圖像處理模塊101-主鏡頭
[0027]102-濾光片陣列201-分光棱鏡301-微透鏡陣列
[0028]302-探測器A401-探測器B【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0030]本發(fā)明共光路組合式光場光譜成像方法，如圖1所示，通過下述步驟完成:步驟1:對目標(biāo)輻射信息(目標(biāo)發(fā)射或反射的不同方向光)進(jìn)行調(diào)制后得到對應(yīng)的不同波長的光；
[0031]步驟2:對調(diào)制后的目標(biāo)輻射信息進(jìn)行分光，形成透射光路與反射光路，各占目標(biāo)輻射信息的50% ；
[0032]步驟3:對透射光路進(jìn)行高光譜分辨率光場成像，作為第一圖像(具有高光譜分辨率、低空間分辨率信息的光場圖像)，進(jìn)行存儲；同時對反射光路進(jìn)行高空間分辨率全色成像，作為第二圖像(具有高空間分辨率、低光譜分辨率信息的灰度圖像)，進(jìn)行存儲；
[0033]步驟4:對第一圖像與第二圖像的圖像信息進(jìn)行圖像配準(zhǔn)和重構(gòu)，采用多源數(shù)據(jù)融合法則，得到高空間分辨率和高光譜分辨率圖像。
[0034]本發(fā)明還提出一種基于上述方法的共光路組合式光場光譜成像裝置，包括前置光學(xué)成像模塊1、分光模塊2、光場光譜成像模塊3、全色成像模塊4和圖像處理模塊5，如圖2、圖3所示。
[0035]其中，前置光學(xué)成像模塊I包括主鏡頭101與濾光片陣列102 ;主鏡頭101豎直設(shè)置，主鏡頭101的鏡片間的孔徑光闌處設(shè)置有濾光片陣列102 ;所述濾光片陣列102由等寬的光譜連續(xù)的線性漸變?yōu)V光條帶間隙排列組成，等寬的光譜連續(xù)的線性漸變?yōu)V光條帶的數(shù)目由儀器設(shè)計的光譜探測范圍及濾光片的性能參數(shù)所決定；分光模塊2為分光棱鏡201，分光棱鏡201的中心位于主鏡頭101中軸線上，且與主鏡頭101夾角為45° ;分光棱鏡201一側(cè)鍍有半透半反(透射率為50%、反射率為50%)的膜層；由此，目標(biāo)輻射信息由主鏡頭101前側(cè)射入，通過線性漸變?yōu)V光片陣列102進(jìn)行調(diào)制后，后得到對應(yīng)的不同波長的光，并入射到分光棱鏡201上，通過分光棱鏡201進(jìn)行分光，形成透射光路和反射光路兩路光路。上述濾光片陣列102各個位置的譜段信息與光場內(nèi)光線方向為一一對應(yīng)。
[0036]所述光場光譜成像模塊3包括微透鏡陣列301、探測器A302。微透鏡陣列301設(shè)置于分光棱鏡201后方,與分光棱鏡201同軸；由此,透射光路經(jīng)過微透鏡陣列301后,分散到探測器A302的像元上，由探測器A302實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率光場成像，作為第一圖像。探測器A302設(shè)置于微透鏡陣列301的焦平面處，用來接收第一圖像的高光譜分辨率光場成像信息，發(fā)送到計算機(jī)中。
[0037]所述全色成像模塊4為探測器B401，探測器B401與微透鏡陣列301關(guān)于分光棱鏡201對稱設(shè)置，以保證透射光路和反射光路具有相同的像面位置；由此，反射光路直接通過探測器B401進(jìn)行高空間分辨率全色成像，作為第二圖像；且探測器B401將第二圖像的高空間分辨率全色成像信息發(fā)送到計算機(jī)中。
[0038]最終通過計算機(jī)對存儲后的第一圖像與第二圖像的成像信息進(jìn)行圖像配準(zhǔn)和重構(gòu)，采用多源數(shù)據(jù)融合法則，得到高空間分辨率和高光譜分辨率圖像。
【權(quán)利要求】
1.一種共光路組合式光場光譜成像方法，通過下述步驟實(shí)現(xiàn): 步驟1:對目標(biāo)輻射信息進(jìn)行調(diào)制； 步驟2:對調(diào)制后的目標(biāo)輻射信息進(jìn)行分光，形成透射光路與反射光路； 步驟3:對透射光路進(jìn)行高光譜分辨率光場成像，作為第一圖像；對反射光路進(jìn)行高空間分辨率全色成像，作為第二圖像； 步驟4:對第一圖像與第二圖像的圖像信息進(jìn)行圖像配準(zhǔn)和重構(gòu)，采用多源數(shù)據(jù)融合法則，得到高空間分辨率和高光譜分辨率圖像。
2.如權(quán)利要求1所述一種共光路組合式光場光譜成像方法，其特征在于:所述步驟2中透射光路與反射光路各占目標(biāo)輻射信息的50%。
3.一種共光路組合式光場光譜成像裝置，包括前置光學(xué)成像模塊、分光模塊、光場光譜成像模塊、全色成像模塊和圖像處理模塊； 其中，前置光學(xué)成像模塊包括主鏡頭與濾光片陣列；主鏡頭豎直設(shè)置，主鏡頭的鏡片間設(shè)置濾光片陣列；分光模塊為分光棱鏡，分光棱鏡的中心位于主鏡頭中軸線上，且與主鏡頭夾角為45° ;目標(biāo)輻射信息由主鏡頭前側(cè)射入，通過線性漸變?yōu)V光片進(jìn)行調(diào)制后，后得到對應(yīng)的不同波長的光，并入射到分光棱鏡上，通過分光棱鏡進(jìn)行分光，形成透射光路和反射光路兩路光路。 所述光場光譜成像模塊包括微透鏡陣列、探測器A ;微透鏡陣列設(shè)置于分光棱鏡后方，與分光棱鏡同軸；透射光路經(jīng)過微透鏡陣列后，由探測器A實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率光場成像，作為第一圖像；且探測器A將第一圖像的高光譜分辨率光場成像信息，發(fā)送到計算機(jī)中進(jìn)行存儲； 所述全色成像模塊為探測器B，反射光路直接通過探測器B進(jìn)行高空間分辨率全色成像，作為第二圖像；且探測器B將第二圖像的高空間分辨率全色成像信息發(fā)送到計算機(jī)中進(jìn)行存儲； 所述圖像處理模塊為計算機(jī)，用來對存儲后的第一圖像與第二圖像的成像信息進(jìn)行圖像配準(zhǔn)和重構(gòu)，采用多源數(shù)據(jù)融合法則，得到高空間分辨率和高光譜分辨率圖像。
4.如權(quán)利要求3所述一種共光路組合式光場光譜成像裝置，所述濾光片陣列由等寬的光譜連續(xù)的線性漸變?yōu)V光條帶間隙排列組成。
5.如權(quán)利要求3所述一種共光路組合式光場光譜成像裝置，所述分光棱鏡一側(cè)鍍有半透半反的膜層。
6.如權(quán)利要求3所述一種共光路組合式光場光譜成像裝置，所述濾光片陣列各個位置的譜段信息與光場內(nèi)光線方向為 對應(yīng)。
7.如權(quán)利要求3所述一種共光路組合式光場光譜成像裝置，所述探測器A設(shè)置于微透鏡陣列的焦平面處。
8.如權(quán)利要求3所述一種共光路組合式光場光譜成像裝置，所述探測器B與微透鏡陣列關(guān)于分光棱鏡對稱設(shè)置。
【文檔編號】G01J3/28GK103471715SQ201310392584
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月2日
【發(fā)明者】袁艷, 胡亮, 蘇麗娟 申請人:北京航空航天大學(xué)