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專利名稱：多光譜光場(chǎng)相機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種多光譜光場(chǎng)相機(jī)。
背景技術(shù)：
多光譜成像技術(shù)從20世紀(jì)70年代初開始發(fā)展，并隨著對(duì)地觀測(cè)、空間探測(cè)、軍事、民事的需求而發(fā)展。自美國(guó)加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室提出成像光譜儀的概念之后，當(dāng)代多光譜遙感技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。2000年，張淳民、相里斌和趙葆常等提出了時(shí)空混合調(diào)制偏振干涉成像光譜技術(shù)，提出了基于Savart偏光鏡的穩(wěn)態(tài)偏振干涉成像光譜儀和穩(wěn)態(tài)大視場(chǎng)偏振干涉成像光譜儀相關(guān)技術(shù)，并進(jìn)行了理論研究，以及實(shí)驗(yàn)裝置到樣機(jī)的研制工作，除了能獲知目標(biāo)的二維空間信息、一維光譜信息外，還能獲得目標(biāo)的偏振信息。Gershun在1936年提出光場(chǎng)的概念，將其定義為光輻射在空間各個(gè)位置向各個(gè)方向的傳播；20世紀(jì)六七十年代，0kosh1、Dudnikov等學(xué)者對(duì)IP技術(shù)進(jìn)行了不斷的改進(jìn),微透鏡陣列在成像方面的作用也得以凸顯；1995年，Berthon在光瞳面放置彩色濾光片，并在焦面上放置微透鏡陣列，成功獲得了彩色圖像；1996年,Marc Levoy>Pat Hanrahan等人引入了四維光場(chǎng)理論；2005年，Ng, Levoy等人提出了光場(chǎng)照相機(jī)的一個(gè)典型代表一plenoptic照相機(jī)；之后，Ren Ng> Marc Levoy等人提出了新的想法,在相機(jī)光瞳面直接放置各種光學(xué)濾光片，使得一次曝光后，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)光譜、偏振狀態(tài)和光強(qiáng)度的調(diào)制。然而現(xiàn)有的多光譜相機(jī)多采用分時(shí)探測(cè)的方法，利用旋轉(zhuǎn)濾光片、調(diào)節(jié)液晶調(diào)制器或聲光調(diào)制器，在一段時(shí)間內(nèi)順次采集多個(gè)譜段的圖像信息，這種方法的缺點(diǎn)是儀器在工作過(guò)程中需要外界介入調(diào)節(jié)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)部件以改變其工作譜段，其延時(shí)性導(dǎo)致無(wú)法實(shí)時(shí)探測(cè)，也無(wú)法對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo) 進(jìn)行動(dòng)態(tài)視頻探測(cè)，并且儀器的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性和穩(wěn)定性較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)μ綔y(cè)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)多光譜探測(cè)以及多光譜視頻探測(cè)的多光譜光場(chǎng)相機(jī)。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種多光譜光場(chǎng)相機(jī)，包括沿光路方向順次設(shè)置的濾光片陣列、成像主透鏡、微透鏡陣列、組合副透鏡、探測(cè)器和信號(hào)處理系統(tǒng)，其中組合副透鏡包括沿光路方向順次設(shè)置的第一透鏡和第二透鏡，組合副透鏡將微透鏡陣列的后焦面二次轉(zhuǎn)移到探測(cè)器的靶面上；所述濾光片陣列位于成像主透鏡的孔徑光闌處，微透鏡陣列位于成像主透鏡的像面上，微透鏡陣列的后焦面與第一透鏡的前焦面重合，探測(cè)器位于第二透鏡的后焦面上，信號(hào)處理系統(tǒng)與探測(cè)器相連；所有光學(xué)元件相對(duì)于基底同軸等高，即相對(duì)于光學(xué)平臺(tái)或儀器底座同軸等高。所述濾光片陣列I由MXN片共平面的不同波段的濾光片構(gòu)成，所有濾光片的尺寸均相同，M、N均為正整數(shù)。基于所述多光譜光場(chǎng)相機(jī)的成像方法，包括以下步驟:步驟一:來(lái)自目標(biāo)各點(diǎn)的入射光經(jīng)濾光片陣列，形成攜帶不同波段信息的光束并穿過(guò)成像主透鏡，在成像主透鏡像面處的微透鏡陣列上成像，形成攜帶不同波段信息的像點(diǎn)，各個(gè)像點(diǎn)在微透鏡陣列后焦面的空間上分開；步驟二:微透鏡陣列后焦面的各點(diǎn)光線射入第一透鏡，穿過(guò)第一透鏡后以平行光的形式進(jìn)入第二透鏡，并在第二透鏡后焦面處的探測(cè)器靶面上得到攜帶有不同波段信息的目標(biāo)圖像，并將攜帶有不同波段信息的目標(biāo)圖像轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)；步驟三:信號(hào)處理系統(tǒng)將收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)各點(diǎn)的不同波段光譜數(shù)據(jù)，對(duì)得到的不同波段光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，提取得到不同波段光譜圖像，從而獲得多光譜視頻。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn):(I)可獲取全視野范圍內(nèi)每一像素的多光譜信息；(2)可同時(shí)獲取多個(gè)波段的光譜圖像，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)多光譜成像；(3)內(nèi)部無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖1是本發(fā)明多光譜光場(chǎng)相機(jī)的光路結(jié)構(gòu)不意圖。圖2是本發(fā)明多光譜光場(chǎng)相機(jī)的光譜提取示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。

結(jié)合圖1，本發(fā)明多光譜光場(chǎng)相機(jī)，包括沿光路方向順次設(shè)置的濾光片陣列1、成像主透鏡2、微透鏡陣列3、組合副透鏡4、探測(cè)器5和信號(hào)處理系統(tǒng)6，其中組合副透鏡4包括沿光路方向順次設(shè)置的第一透鏡41和第二透鏡42，組合副透鏡4將微透鏡陣列3的后焦面二次轉(zhuǎn)移到探測(cè)器5的靶面上；所述濾光片陣列I位于成像主透鏡2的孔徑光闌處，微透鏡陣列3位于成像主透鏡2的像面上，微透鏡陣列3的后焦面與第一透鏡41的前焦面重合，探測(cè)器5位于第二透鏡42的后焦面上，信號(hào)處理系統(tǒng)6與探測(cè)器5相連；所有光學(xué)元件相對(duì)于基底同軸等高，即相對(duì)于光學(xué)平臺(tái)或儀器底座同軸等高。本發(fā)明多光譜光場(chǎng)相機(jī)，所述濾光片陣列I由MXN片共平面的不同波段的濾光片構(gòu)成，所有濾光片的尺寸均相同，M、N均為正整數(shù)。本發(fā)明多光譜光場(chǎng)相機(jī)的成像方法，包括以下步驟:步驟一:來(lái)自目標(biāo)各點(diǎn)的入射光經(jīng)濾光片陣列1，形成攜帶不同波段信息的光束并穿過(guò)成像主透鏡2，在成像主透鏡2像面處的微透鏡陣列3上成像，形成攜帶不同波段信息的像點(diǎn)，各個(gè)像點(diǎn)在微透鏡陣列3后焦面的空間上分開；步驟二:微透鏡陣列3后焦面的各點(diǎn)光線射入第一透鏡41，穿過(guò)第一透鏡41后以平行光的形式進(jìn)入第二透鏡42，并在第二透鏡42后焦面處的探測(cè)器5靶面上得到攜帶有不同波段信息的目標(biāo)圖像，并將攜帶有不同波段信息的目標(biāo)圖像轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)6 ；步驟三:信號(hào)處理系統(tǒng)6將收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)各點(diǎn)的不同波段光譜數(shù)據(jù)，對(duì)得到的不同波段光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，提取得到不同波段光譜圖像，從而獲得多光譜視頻，具體過(guò)程為:目標(biāo)各點(diǎn)的入射光經(jīng)濾光片陣列I后入射到成像主透鏡2上，經(jīng)過(guò)成像主透鏡2在微透鏡陣列3的一個(gè)微透鏡上形成像點(diǎn)，再經(jīng)過(guò)組合副透鏡4成像在探測(cè)器5的靶面上，形成一個(gè)像素單元；成像主透鏡2的光瞳面對(duì)微透鏡陣列3所成的像經(jīng)過(guò)組合副透鏡4，成像在探測(cè)器5的靶面上，探測(cè)器5接收的圖像是目標(biāo)像與微透鏡陣列3成像的疊加，把微透鏡陣列3中的任意一個(gè)微透鏡在探測(cè)器5的靶面上所成的像作為一個(gè)單元，則每個(gè)單元內(nèi)部又可分為MXN個(gè)子單元，每個(gè)子單元對(duì)應(yīng)一個(gè)波段，將每個(gè)單元中對(duì)應(yīng)位置的子單元以原有相對(duì)位置關(guān)系組成該波段的光譜圖像。實(shí)施例1以2X2濾光片陣列I為例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。結(jié)合圖1，本發(fā)明多光譜光場(chǎng)相機(jī)，包括沿光路方向順次設(shè)置的濾光片陣列1、成像主透鏡2、微透鏡陣列3、組合副透鏡4、探測(cè)器5和信號(hào)處理系統(tǒng)6，其中組合副透鏡4包括沿光路方向順次設(shè)置的第一透鏡41和第二透鏡42，組合副透鏡4將微透鏡陣列3的后焦面二次轉(zhuǎn)移到探測(cè)器5的靶面上；所述濾光片陣列I由2X2片共平面的不同波段的濾光片構(gòu)成，所有濾光片的尺寸均相同，從左上開始，沿著順時(shí)針?lè)较蛞来问遣ǘ螢?00 450nm的濾光片LA、波段為450 500nm的濾光片LB、波段為500 550nm的濾光片LC、波段為550 600nm的濾光片LD的濾光片；所述濾光片陣列I位于成像主透鏡2的孔徑光闌處，微透鏡陣列3位于成像主透鏡2的像面上，微透鏡陣列3的后焦面與第一透鏡41的前焦面重合，探測(cè)器5位于第二透鏡42的后焦面上，信號(hào)處理系統(tǒng)6與探測(cè)器5相連；所有光學(xué)元件相對(duì)于基底同軸等高，即相對(duì)于光學(xué)平臺(tái)或儀器底座同軸等高。所述多光譜光場(chǎng)相機(jī)的工作過(guò)程為:來(lái)自目標(biāo)各點(diǎn)的入射光經(jīng)濾光片陣列1，形成攜帶不同波段信息的光束并穿過(guò)成像主透鏡2，在成像主透鏡2像面處的微透鏡陣列3上成像，形成攜帶不同波段信息的像點(diǎn)，各個(gè)像點(diǎn)在微透鏡陣列3后焦面的空間上分開；微透鏡陣列3后焦面的各點(diǎn)光線射入第一透鏡41，穿過(guò)第一透鏡41后以平行光的形式進(jìn)入第二透鏡42，并在第二透鏡42后焦面處的探測(cè)器5靶面上得到攜帶有不同波段信息的目標(biāo)圖像，并將攜帶有不同波段信息的目 標(biāo)圖像轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)6 ;信號(hào)處理系統(tǒng)6將收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)各點(diǎn)的不同波段光譜數(shù)據(jù)，對(duì)得到的不同波段光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，提取得到不同波段光譜圖像，從而獲得多光譜視頻。結(jié)合圖2，本多光譜光場(chǎng)相機(jī)對(duì)探測(cè)器5接收的圖像處理如下，以N=2，M=2為例:探測(cè)器5接收的圖像是目標(biāo)像與微透鏡陣列成像的疊加，若把微透鏡陣列3中的任意一個(gè)微透鏡在探測(cè)器5的靶面上所成的像作為一個(gè)單元，如圖2左圖顯示了第一單元、第二單元、第三單元、第四單元四個(gè)單元，每個(gè)單元內(nèi)部又各自分為A、B、C、D四個(gè)子單元:A子單元對(duì)應(yīng)400 450nm波段，B子單元對(duì)應(yīng)450 500nm波段，C子單元對(duì)應(yīng)500 550nm波段，D子單元對(duì)應(yīng)550 600nm波段。因此，通過(guò)對(duì)子單元的順序進(jìn)行以下重新排列，可以得到四個(gè)完整的光譜圖像:將每個(gè)單元中處于第一象限的子單元A以原有相對(duì)位置關(guān)系組成400 450nm波段的光譜圖、第二象限的子單元B組成450 500nm波段的光譜圖，第三象限的子單元C組成500 550nm波段的光譜圖，第四象限的子單元D組成550 600nm波段的光譜圖。
權(quán)利要求
1.一種多光譜光場(chǎng)相機(jī)，其特征在于，包括沿光路方向順次設(shè)置的濾光片陣列(I)、成像主透鏡(2)、微透鏡陣列(3)、組合副透鏡(4)、探測(cè)器(5)和信號(hào)處理系統(tǒng)(6)，其中組合副透鏡(4)包括沿光路方向順次設(shè)置的第一透鏡(41)和第二透鏡(42)，組合副透鏡(4)將微透鏡陣列(3)的后焦面二次轉(zhuǎn)移到探測(cè)器(5)的靶面上；所述濾光片陣列(I)位于成像主透鏡(2)的孔徑光闌處，微透鏡陣列(3)位于成像主透鏡(2)的像面上，微透鏡陣列(3)的后焦面與第一透鏡(41)的前焦面重合，探測(cè)器(5)位于第二透鏡(42)的后焦面上，信號(hào)處理系統(tǒng)(6)與探測(cè)器(5)相連；所有光學(xué)元件相對(duì)于基底同軸等高，即相對(duì)于光學(xué)平臺(tái)或儀器底座同軸等高。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜光場(chǎng)相機(jī)，其特征在于，所述濾光片陣列(I)由MXN片共平面的不同波段的濾光片構(gòu)成，所有濾光片的尺寸均相同，M、N均為正整數(shù)。
3.一種基于權(quán)利要求1所述的多光譜光場(chǎng)相機(jī)的成像方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:來(lái)自目標(biāo)各點(diǎn)的入射光經(jīng)濾光片陣列(1)，形成攜帶不同波段信息的光束并穿過(guò)成像主透鏡(2)，在成像主透鏡(2)像面處的微透鏡陣列(3)上成像，形成攜帶不同波段信息的像點(diǎn)，各個(gè)像點(diǎn)在微透鏡陣列(3)后焦面的空間上分開； 步驟二:微透鏡陣列(3)后焦面的各點(diǎn)光線射入第一透鏡(41)，穿過(guò)第一透鏡(41)后以平行光的形式進(jìn)入第二透鏡(42)，并在第二透鏡(42)后焦面處的探測(cè)器(5)靶面上得到攜帶有不同波段信息的目標(biāo)圖像，并將攜帶有不同波段信息的目標(biāo)圖像轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)(6)； 步驟三:信號(hào)處理系統(tǒng)(6)將收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)各點(diǎn)的不同波段光譜數(shù)據(jù)，對(duì)得到的不同波段光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，提取得到不同波段光譜圖像，從而獲得多光譜視頻。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多光 譜光場(chǎng)相機(jī)的成像方法，其特征在于，步驟三中所述對(duì)得到的不同波段光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì) 算，提取得到不同波段光譜圖像的具體過(guò)程為:目標(biāo)各點(diǎn)的入射光經(jīng)濾光片陣列(I)后入射到成像主透鏡(2 )上，經(jīng)過(guò)成像主透鏡(2 )在微透鏡陣列(3)的一個(gè)微透鏡上形成像點(diǎn)，再經(jīng)過(guò)組合副透鏡(4)成像在探測(cè)器(5)的靶面上，形成一個(gè)像素單元；成像主透鏡(2)的光瞳面對(duì)微透鏡陣列(3)所成的像經(jīng)過(guò)組合副透鏡(4)，成像在探測(cè)器(5)的靶面上，探測(cè)器(5)接收的圖像是目標(biāo)像與微透鏡陣列(3)成像的疊加，把微透鏡陣列(3)中的任意一個(gè)微透鏡在探測(cè)器5的靶面上所成的像作為一個(gè)單元，則每個(gè)單元內(nèi)部又可分為MXN個(gè)子單元，每個(gè)子單元對(duì)應(yīng)一個(gè)波段，將每個(gè)單元中對(duì)應(yīng)位置的子單元以原有相對(duì)位置關(guān)系組成該波段的光譜圖像。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多光譜光場(chǎng)相機(jī)，包括沿光路方向順次設(shè)置的濾光片陣列、成像主透鏡、微透鏡陣列、組合副透鏡、探測(cè)器和信號(hào)處理系統(tǒng)；成像方法為首先，在成像主透鏡的光瞳面上放置濾光片陣列，采用孔徑分割的方法引入目標(biāo)各個(gè)光譜段的信息；其次，利用位于成像主透鏡像面上的微透鏡陣列對(duì)多光譜信息進(jìn)行空間上的分離；并引入組合副透鏡將微透鏡焦平面二次轉(zhuǎn)移到探測(cè)器光敏面上；最后信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，提取得到不同波段光譜圖像。本發(fā)明可以在同一時(shí)間獲得全視野范圍內(nèi)每一像素的多光譜信息，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)多光譜成像，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。
文檔編號(hào)G01C11/36GK103234527SQ20131011856
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月7日
發(fā)明者李建欣, 徐婷婷, 孟鑫, 孫宇聲, 張磊, 沈燕, 高金銘, 周偉, 馬駿, 郭仁慧, 沈華, 朱日宏 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)