專利名稱：多光譜光場相機(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、空間探測、軍事、民事的需求而發(fā)展。自美國加州理工學(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理論；2005年，Ng, Levoy等人提出了光場照相機(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)致無法實(shí)時(shí)探測，也無法對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo) 進(jìn)行動(dòng)態(tài)視頻探測，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目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)多光譜探測以及多光譜視頻探測的多光譜光場相機(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，探測器位于第二透鏡的后焦面上，信號(hào)處理系統(tǒng)與探測器相連；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相機(jī)的成像方法，包括以下步驟:步驟一:來自目標(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)一步說明本發(fā)明。

結(jié)合圖1，本發(fā)明多光譜光場相機(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)明多光譜光場相機(jī)的成像方法，包括以下步驟:步驟一:來自目標(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)過組合副透鏡4成像在探測器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)過組合副透鏡4，成像在探測器5的靶面上，探測器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)針方向依次是波段為400 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。所述多光譜光場相機(jī)的工作過程為:來自目標(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，本多光譜光場相機(jī)對(duì)探測器5接收的圖像處理如下，以N=2，M=2為例:探測器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所述的多光譜光場相機(jī)的成像方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:來自目標(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)過組合副透鏡(4)成像在探測器(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)過組合副透鏡(4)，成像在探測器(5)的靶面上，探測器(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)移到探測器光敏面上；最后信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)探測器得到的數(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)