一種基于自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器的數(shù)字變焦光譜成像儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型公布了一種基于自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器的數(shù)字變焦光譜成像儀，包括電控帶通濾光片、光學(xué)成像鏡頭、自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器、色散自適應(yīng)成像控制器、圖像采集與處理終端。本實用新型可以在光譜成像系統(tǒng)光譜圖像時序掃描的同時，獲取每個光譜圖像的空間頻率光場信息，實現(xiàn)先曝光成像后對焦的數(shù)字變焦功能、并進行自適應(yīng)消色散提高數(shù)字變焦性能，最大程度上消除了大范圍光譜掃描帶來的色散影響，最大限度上保證了復(fù)雜地形地貌光譜圖像信息的獲取，在對復(fù)雜地形地貌進行遙感探測時，可以獲得更加清晰和圖像信息和更加準(zhǔn)確的光譜信息，拓展現(xiàn)有光譜成像儀的主要功能與應(yīng)用范圍。
【專利說明】
一種基于自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器的數(shù)字變焦光譜成像儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型涉及光譜成像技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種基于自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器 的數(shù)字變焦光譜成像儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 光譜成像系統(tǒng)可同時獲取目標(biāo)的圖像和光譜信息，是一種"性能完備"、圖譜合一 的光學(xué)傳感器，目前的光譜成像儀已經(jīng)可以實現(xiàn)可調(diào)波段多、光譜分辨率強和空間分辨率 高等優(yōu)點，適宜應(yīng)用于凝視成像的機載、星載等遙感領(lǐng)域，為相關(guān)部門提供礦產(chǎn)資源勘察、 生物醫(yī)學(xué)診斷、農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測等的新型技術(shù)手段。然而在實際的遙感應(yīng)用中，由于遙感對 象的地形地貌分布不均勻，為了獲得清晰的遙感圖像，需要根據(jù)地形地貌進行變焦操控。在 基于帶通濾光片的光譜成像技術(shù)中，光譜信息是通過帶通濾光片進行時序掃描，與需要時 間控制的變焦操控存在較大的沖突。
[0003] 目前的光譜成像系統(tǒng)在對復(fù)雜地形地貌進行遙感時，存在清晰度低、失真、以及大 范圍光譜成像帶來的色散影響的問題。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 本實用新型的目的在于提供一種基于自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器的數(shù)字變焦光譜 成像儀，實現(xiàn)先曝光成像后對焦、并消色散的光譜成像功能，達到在對復(fù)雜地形地貌進行遙 感探測時，可以獲得更加清晰和圖像信息和更加準(zhǔn)確的光譜信息，拓展現(xiàn)有光譜成像儀的 主要功能與應(yīng)用范圍的目的。
[0005] 本實用新型的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0006] -種基于自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器的數(shù)字變焦光譜成像儀，其特征在于包括：
[0007] 電控帶通濾光片:待測物體的光線經(jīng)過電控帶通濾光片的濾光作用后，送入到光 學(xué)成像鏡頭；
[0008] 光學(xué)成像鏡頭：用于將接收到的目標(biāo)光源轉(zhuǎn)換成光學(xué)圖像并輸送到自適應(yīng)微透鏡 陣列傳感器；
[0009] 自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器:來自待測物體的光線依次經(jīng)過電控帶通濾光片、光學(xué) 成像鏡頭到達自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器的焦平面，自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器采集最終光譜 圖像對應(yīng)的空間像素提供對應(yīng)的空間頻率光場信息，并傳輸給圖像采集與處理終端；
[0010] 色散自適應(yīng)成像控制器:實時采集電控帶通濾光片的掃描譜段，通過電控方式調(diào) 整自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器的焦距，然后持續(xù)輸出序列光譜圖像至圖像采集與處理終端；
[0011] 圖像采集與處理終端:在保持時序光譜圖像記錄與處理的同時，提取每個光譜圖 像像素的所有空間頻率光場信息，通過優(yōu)化整合每個光譜圖像像素中的不同空間頻率的光 場信息，并進行計算獲得光譜圖像的數(shù)字變焦功能，最終對時序光譜圖像進行處理以及三 維空間顯示。
[0012] 本實用新型的光譜成像儀，待測物體發(fā)出的光線經(jīng)過電控帶通濾光片的濾光作用 后，送入到光學(xué)成像鏡頭進行光學(xué)成像，然后將光學(xué)成像的圖像經(jīng)過自適應(yīng)微透鏡陣列傳 感器進行圖像信息的采集，同時獲得待測物體的空間圖像信息和每個像素的光場信息，傳 輸給圖像采集與處理終端，圖像處理終端利用每個像素的光場信息進行數(shù)字變焦操控，可 以在一次曝光采集的光譜成像數(shù)據(jù)中實現(xiàn)對不同距離處物體清晰圖像的提取。這種方法在 不影響時序光譜成像功能的同時，利用簡單的數(shù)字圖像處理功能和微透鏡陣列傳感器提供 的光場光譜圖像信息，實現(xiàn)了一次曝光成像后的數(shù)字變焦操控，提升了光譜成像系統(tǒng)對復(fù) 雜地貌、遠(yuǎn)近物體清晰光譜成像的功能；同時由于采用了自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器，在大光 譜范圍的光譜成像應(yīng)用中，由于采用色散校正，從而可以對不同距離處物體通過數(shù)字變焦 獲取清晰圖像。本實用新型采用自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器來進行圖像信息的分解，將光學(xué) 鏡頭對焦范圍外的圖像信息進行了像素的提升，可以在光譜成像系統(tǒng)光譜圖像時序掃描的 同時，獲取每個光譜圖像的空間頻率光場信息，實現(xiàn)先曝光成像后對焦的數(shù)字變焦功能、并 進行自適應(yīng)消色散提高數(shù)字變焦性能，這種基于微透鏡陣列傳感器的光譜成像儀在遙感應(yīng) 用時不需要進行光學(xué)鏡頭變焦操控、同時在大范圍光譜掃描時消除色散對數(shù)字變焦的影 響；克服了現(xiàn)有技術(shù)中的操控矛盾，而且基于自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器的數(shù)字變焦型光譜 成像系統(tǒng)，可以應(yīng)用于復(fù)雜地形地貌的光譜成像遙感應(yīng)用，最大程度上消除了大范圍光譜 掃描帶來的色散影響，最大限度上保證了復(fù)雜地形地貌光譜圖像信息的獲取，既保障了光 學(xué)鏡頭對焦區(qū)域外圖像信息的清晰度，又保障了光譜信息的準(zhǔn)確性，可以實現(xiàn)先曝光成像 后對焦、并消色散的光譜成像功能，在對復(fù)雜地形地貌進行遙感探測時，可以獲得更加清晰 和圖像信息和更加準(zhǔn)確的光譜信息，拓展現(xiàn)有光譜成像儀的主要功能與應(yīng)用范圍。
[0013] 所述自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器包括自適應(yīng)微透鏡陣列和面成像探測器，光學(xué)成像 鏡頭與面成像探測器相對于自適應(yīng)微透鏡陣列形成共輒。具體的講，通過將光學(xué)成像鏡頭 與面成像探測器相對于自適應(yīng)微透鏡陣列形成共輒，即光學(xué)成像鏡頭位于自適應(yīng)微透鏡陣 列的物平面上，面成像探測器位于自適應(yīng)微透鏡陣列的像平面上；自適應(yīng)微透鏡陣列上單 元微透鏡的尺寸與分布，將面成像探測器分割為與單元自適應(yīng)微透鏡一一對應(yīng)的區(qū)域，接 收最終通過帶通濾光片和自適應(yīng)微透鏡陣列的成像光線;與單元自適應(yīng)微透鏡一一對應(yīng)的 探測器子區(qū)域構(gòu)成最終圖像的一個像素，同時該子區(qū)域記錄該位置的所有空間頻率光場信 息;所述的色散自適應(yīng)成像控制器，實時采集電控帶通濾光片的掃描譜段，通過電控方式調(diào) 整自適應(yīng)微透鏡陣列的焦距，然后持續(xù)輸出序列光譜圖像至圖像采集與處理終端;所述的 圖像采集與處理終端在記錄時序光譜圖像的同時，記錄每個物空間的光場信息，根據(jù)光場 信息可以對記錄的時序光譜圖像進行數(shù)字變焦，從而獲得清晰的復(fù)雜地形地貌圖像，并實 現(xiàn)更加準(zhǔn)確的光譜信。
[0014] 所述其中自適應(yīng)微透鏡陣列的微透鏡單元數(shù)目為M*N，M與N均為自然數(shù)。將自適應(yīng) 微透鏡陣列其微透鏡單元數(shù)目為M*N，和傳統(tǒng)面成像探測器其像素數(shù)目為KM*KN，結(jié)合形成 新型面成像探測器，該面成像探測器在記錄原有光譜圖像信息的同時，其光譜圖像空間分 辨率為M*N，還可以記錄每個光譜圖像像素的空間頻率光場信息，即該光場信息由面成像探 測器的每個K*K陣列的子區(qū)記錄，利用這種新型傳感器可以實現(xiàn)數(shù)字變焦功能;利用自適應(yīng) 微透鏡陣列的電控可變焦性能，可以在大范圍光譜掃描的光譜成像時，消除微透鏡陣列傳 感器的帶來的色散影響。
[0015] 所述的自適應(yīng)微透鏡陣列為液晶自適應(yīng)微透鏡陣列。
[0016] 本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：
[0017] 1本實用新型一種基于自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器的數(shù)字變焦光譜成像儀，采用自 適應(yīng)微透鏡陣列傳感器來進行圖像信息的分解，同時獲得空間圖像信息和每個像素的光場 信息，實現(xiàn)不同距離處物體的清晰數(shù)字成像;可以在光譜成像系統(tǒng)光譜圖像時序掃描的同 時，獲取每個光譜圖像的空間頻率光場信息，實現(xiàn)先曝光成像后對焦的數(shù)字變焦功能、并進 行自適應(yīng)消色散提高數(shù)字變焦性能，這種基于微透鏡陣列傳感器的光譜成像儀在遙感應(yīng)用 時不需要進行變焦操控、同時在大范圍光譜掃描時消除色散對數(shù)字變焦的影響；克服了現(xiàn) 有技術(shù)中的操控矛盾，而且基于自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器的數(shù)字變焦型光譜成像系統(tǒng)，可 以應(yīng)用于復(fù)雜地形地貌的光譜成像遙感應(yīng)用，最大程度上消除了大范圍光譜掃描帶來的色 散影響，最大限度上保證了復(fù)雜地形地貌光譜圖像信息的獲取，既保障了圖像信息的清晰 度，又保障了光譜信息的準(zhǔn)確性，可以實現(xiàn)先曝光成像后對焦、并消色散的光譜成像功能， 在對復(fù)雜地形地貌進行遙感探測時，可以獲得更加清晰和圖像信息和更加準(zhǔn)確的光譜信 息，拓展現(xiàn)有光譜成像儀的主要功能與應(yīng)用范圍；
[0018] 2本實用新型一種基于自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器的數(shù)字變焦光譜成像儀，光學(xué)成 像鏡頭與面成像探測器相對于自適應(yīng)微透鏡陣列形成共輒，即光學(xué)成像鏡頭位于自適應(yīng)微 透鏡陣列的物平面上，面成像探測器位于自適應(yīng)微透鏡陣列的像平面上;面成像探測器被 自適應(yīng)微透鏡陣列分割為與單元微透鏡一一對應(yīng)的子區(qū)域，最終圖像的空間分辨率與自適 應(yīng)微透鏡陣列的單元數(shù)目一致;被單元微透鏡分割的面成像探測器子區(qū)域為最終光譜圖像 對應(yīng)的空間像素提供對應(yīng)的空間頻率光場信息。
【附圖說明】
[0019] 此處所說明的附圖用來提供對本實用新型實施例的進一步理解，構(gòu)成本申請的一 部分，并不構(gòu)成對本實用新型實施例的限定。在附圖中：
[0020] 圖1為本實用新型的原理框架結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]圖2為本實用新型的單點像素光場信息記錄原理示意圖；
[0022]圖3為本實用新型的數(shù)字變焦工作原理示意圖；
[0023]圖4為本實用新型進行空間頻率光場提取時的色散影響原理圖；
[0024]圖5為本實用新型消色散原理圖。
[0025] 附圖中標(biāo)記及相應(yīng)的零部件名稱：
[0026] 1-待測物體，2-電控帶通濾光片，3-光學(xué)成像鏡頭，4-自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器， 401-自適應(yīng)微透鏡陣列，402-面成像探測器，5-圖像采集與處理終端，6-紅色待測物點，7-綠色待測物點，8-藍(lán)色待測物點。
【具體實施方式】
[0027] 為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施例和附圖， 對本實用新型作進一步的詳細(xì)說明，本實用新型的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本 實用新型，并不作為對本實用新型的限定。 實施例
[0028] 如圖1所示，本實用新型一種基于自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器的數(shù)字變焦光譜成像 儀，包括電控帶通濾光片2、光學(xué)成像鏡頭3、自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器4、以及圖像采集與處 理終端5,其中自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器4由自適應(yīng)微透鏡陣列401和面成像探測器402組 成，自適應(yīng)微透鏡陣列401的微透鏡單元數(shù)目為M*N，自適應(yīng)微透鏡陣列401和傳統(tǒng)的面成像 探測器402結(jié)合形成新型面成像探測器，面成像探測器402的像素數(shù)目為KM*KN，該面成像探 測器在記錄原有光譜圖像信息的同時，光譜圖像空間分辨率為M*N，還可以記錄每個光譜圖 像像素的空間頻率光場信息，該光場信息由面成像探測器的每個K*K陣列的子區(qū)記錄;其 中，來自待測物體1的光線依次經(jīng)過電控帶通濾光片2、光學(xué)成像鏡頭3到達自適應(yīng)微透鏡陣 列傳感器4的焦平面，如圖1中的光線所示，待測物體經(jīng)過光學(xué)成像鏡頭成像在自適應(yīng)微透 鏡陣列的位置處，即自適應(yīng)微透鏡陣列處于光學(xué)成像鏡頭的像平面上;成像鏡頭與面成像 探測器相對于自適應(yīng)微透鏡陣列形成共輒，即成像鏡頭位于微透鏡陣列的物平面上，面成 像探測器位于自適應(yīng)微透鏡陣列的像平面上;面成像探測器被自適應(yīng)微透鏡陣列分割為與 單元微透鏡一一對應(yīng)的子區(qū)域，最終圖像的空間分辨率與自適應(yīng)微透鏡陣列的單元數(shù)目一 致;被單元自適應(yīng)微透鏡分割的面成像探測器子區(qū)域為最終光譜圖像對應(yīng)的空間像素提供 對應(yīng)的空間頻率光場信息，子區(qū)域的陣列為Κ*Κ，根據(jù)光譜圖像的空間分辨率要求，Κ取值范 圍在5至20之間較為適宜。
[0029] 如圖2是本實用新型基于自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器的光譜成像儀的單點像素光場 信息記錄原理示意圖，如圖2中所示，物方Α處紅色待測物點的光線經(jīng)過電控帶通濾光片2、 光學(xué)成像鏡頭3成像在自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器4中，自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器4中的面成 像探測器在以自適應(yīng)微透鏡陣列分辨率記錄光譜圖像信息的同時，記錄每個光譜圖像像素 的空間頻率光場信息；同理，數(shù)字變焦工作的原理如圖3中所示，物方A處紅色待測物點6、綠 色待測物點7、藍(lán)色待測物點8三處分別成像在自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器4上的三個單元微 透鏡處，自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器4中的面成像探測器在記錄紅色待測物點6、綠色待測物 點7、藍(lán)色待測物點8的光譜圖像信息的同時，根據(jù)單元微透鏡的位置同時以K*K陣列記錄其 空間頻率光場信息，這個Κ*Κ陣列子區(qū)域中每個像素都對應(yīng)待測物點不同的空間頻率光場 信息，通過為每個待測物點數(shù)字選取如圖3中所示的特定空間頻率光場，同時擯棄掉其它光 場信息，再組合成新的自適應(yīng)微透鏡陣列分辨率的光譜圖像，可以獲得物方Β處待測物體清 晰的像，這對于復(fù)雜地形地貌的遙感測量清晰度具有重大前景，同時這種更加精確的數(shù)字 變焦方式可以獲取待測物體更為準(zhǔn)確的光譜信息。
[0030] 圖4是大范圍光譜掃描中的色散效應(yīng)對空間頻率光場信息以及數(shù)字變焦的影響， 電控帶通濾光片2電控設(shè)置掃描譜段分別為4和:?時，由于普通的微透鏡陣列沒有進行消色 差工作，不同譜段的光線對應(yīng)的微透鏡陣列焦距不同，光學(xué)成像鏡頭3?譜段的光線可以經(jīng) 過微透鏡陣列成功聚焦在面成像探測器上，光學(xué)成像鏡頭3?譜段的光線經(jīng)過微透鏡陣列 無法聚焦在面成像探測器上，因此在離焦譜段無法完整獲取光譜圖像的空間頻率光場信 息，進而影響大范圍光譜掃描時的數(shù)字變焦性能與光譜圖像處理效果。
[0031] 圖5中是采用消色散自適應(yīng)成像控制器和自適應(yīng)微透鏡陣列進行消色散的工作原 理示意圖4時刻，當(dāng)電控帶通濾光片2的譜段設(shè)置為為時，通過消色散自適應(yīng)成像控制器9 實時采集電控帶通濾光片2的光譜譜段，設(shè)置自適應(yīng)微透鏡陣列4的加載電壓為將自適 應(yīng)微透鏡陣列的焦距設(shè)置為f〇,此時光學(xué)成像鏡頭3?譜段的光線可以經(jīng)過微透鏡陣列成 功聚焦在面成像探測器402上;時刻，當(dāng)電控帶通濾光片2的譜段設(shè)置為馬時，通過消色散 自適應(yīng)成像控制器9實時采集電控帶通濾光片2的光譜譜段，設(shè)置自適應(yīng)微透鏡陣列401的 加載電壓為巧，由于自適應(yīng)微透鏡陣列41焦距的電控可調(diào)特征，此時自適應(yīng)微透鏡陣列401 的焦距也可以調(diào)整為名，此時光學(xué)成像鏡頭％譜段的光線可以經(jīng)過微透鏡陣列成功聚焦在 面成像探測器上，進而消除了大范圍光譜成像中色散效應(yīng)對數(shù)字變焦和成像清晰度的影 響。
[0032]以上所述的【具體實施方式】，對本實用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進 一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實用新型的【具體實施方式】而已，并不用于限 定本實用新型的保護范圍，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替 換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器的數(shù)字變焦光譜成像儀，其特征在于包括： 電控帶通濾光片(2):待測物體(1)的光線經(jīng)過電控帶通濾光片(2)的濾光作用后，送入 到光學(xué)成像鏡頭(3); 光學(xué)成像鏡頭（3):用于將接收到的目標(biāo)光源轉(zhuǎn)換成光學(xué)圖像并輸送到自適應(yīng)微透鏡 陣列傳感器(4); 自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器(4):來自待測物體（1)的光線依次經(jīng)過電控帶通濾光片(2)、 光學(xué)成像鏡頭（3)到達自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器(4)的焦平面，自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器 (4) 采集最終光譜圖像對應(yīng)的空間像素提供對應(yīng)的空間頻率光場信息，并傳輸給圖像采集 與處理終端(5); 色散自適應(yīng)成像控制器(9):實時采集電控帶通濾光片的掃描譜段，通過電控方式調(diào)整 自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器(4)的焦距，然后持續(xù)輸出序列光譜圖像至圖像采集與處理終端 (5) ； 圖像采集與處理終端(5):在保持時序光譜圖像記錄與處理的同時，提取每個光譜圖像 像素的所有空間頻率光場信息，通過優(yōu)化整合每個光譜圖像像素中的不同空間頻率的光場 信息，并進行計算獲得光譜圖像的數(shù)字變焦功能，最終對時序光譜圖像進行處理以及三維 空間顯示。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器的數(shù)字變焦光譜成像儀， 其特征在于:所述自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器(4)包括自適應(yīng)微透鏡陣列(401)和面成像探測 器(402)，光學(xué)成像鏡頭（3)與面成像探測器(402)相對于自適應(yīng)微透鏡陣列（401)形成共 輒。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器的數(shù)字變焦光譜成像儀， 其特征在于:所述其中自適應(yīng)微透鏡陣列(401)的微透鏡單元數(shù)目為M*N，Μ與N均為自然數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自適應(yīng)微透鏡陣列傳感器的數(shù)字變焦光譜成像儀， 其特征在于:所述的自適應(yīng)微透鏡陣列(401)為液晶自適應(yīng)微透鏡陣列。
【文檔編號】G01J3/28GK205679316SQ201620413613
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月10日 公開號201620413613.2, CN 201620413613, CN 205679316 U, CN 205679316U, CN-U-205679316, CN201620413613, CN201620413613.2, CN205679316 U, CN205679316U
【發(fā)明人】趙祥杰, 沈志學(xué), 段佳著, 曾建成, 喬冉, 黃立賢, 駱永全, 王海峰, 劉海濤
【申請人】中國工程物理研究院流體物理研究所