基于光场成像技术的多光谱成像仪

摘要

本发明涉及一种基于光场成像技术的多光谱成像仪。解决现有多光谱成像仪无法对视场范围内不同距离目标同时对焦成像和对失焦图像无法恢复的技术问题。该多光谱成像仪包括：可见光镜头、可见光微透镜阵列、可见光图像探测器、近红外镜头、近红外微透镜阵列、近红外图像探测器、紫外镜头、紫外微透镜阵列、紫外图像探测器、图像采集与控制装置、以及图像处理与显示装置。本发明通过在各波段图像探测器前端添加微透镜阵列，将4维光场图像信息代替传统2维图像信息进行记录保存，无需任何硬件调焦辅助装置，即可通过图像处理模块的二维图像重建实现视场范围内不同检测目标的重新对焦，进一步提高了多光谱成像仪多目标多波段图像分析性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种成像设备，特别涉及一种基于光场成像技术的多光谱成像 仪。

背景技术

现有的多光谱成像仪主要包括光学镜头，探测器，图像采集与控制装置， 及图像处理与显示装置。它多用于对大视场范围内多个目标进行勘察和监测。 若想实现对大视场范围内不同距离的多个监测目标进行多光谱波段分析，需要 通过调整光学系统参数或探测器靶面位置，分别对准每个监测目标依次进行机 械对焦拍摄。多光谱成像仪是将监测目标发出的各个方向的光场信息投影到探 测器靶面上，经过光电转换实现对拍摄目标的二维成像。由于这种投影成像方 式为各方向光线的积分叠加，在投影的过程中只保留了各光线的总体光强信息， 而丢失了光线的方向信息，因此无法利用采集到的单幅图像重建出其他像平面 图像。此种情况下，一旦探测器未调整到有效对焦平面，就会造成成像模糊而 失去了分析或欣赏价值。还有就是对于运动目标，则可能因为失焦而导致拍摄 失败，无法恢复。

发明内容

本发明要解决现有多光谱成像仪无法对视场范围内不同距离目标同时对焦 成像和对失焦图像无法恢复的技术问题，提供一种利用光场成像技术对整个视 场进行多波段成像的，基于光场成像技术的多光谱成像仪。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

基于光场成像技术的多光谱成像仪，其包括：

同光轴对准的可见光镜头、可见光微透镜阵列及可见光图像探测器；

同光轴对准的近红外镜头、近红外微透镜阵列及近红外图像探测器；

同光轴对准的紫外镜头、紫外微透镜阵列及紫外图像探测器；

所述可见光、近红外及紫外微透镜阵列分别接收来自所述可见光、近红外 及紫外镜头的光，通过二次折射，将不同方向的光束根据空间角度的不同，分 别投射到所述可见光、近红外及紫外图像探测器像元中，分别生成具有光场方 向和位置信息的相应光场图像；

图像采集与控制装置，其通过输出同步信号，实现所述可见光、近红外及 紫外图像探测器光电转换帧频的同步触发，对各波段图像数据进行采集、存储 或传输；

图像处理与显示装置，其根据采集到的具有光场方向和位置信息的光场图 像进行二维图像重建、图像处理及显示。

在上述技术方案中，根据预定成像范围，可见光微透镜阵列固定于可见光 镜头像面或附近位置，可见光图像探测器靶面固定于可见光微透镜阵列焦平面 位置；可见光微透镜阵列中的每个微透镜通光孔径d相同，焦距f相等，其光圈F 数与可见光镜头光圈F数相等。

在上述技术方案中，根据预定成像范围，近红外微透镜阵列固定于近红外 镜头像面或附近位置，近红外图像探测器靶面固定于近红外微透镜阵列焦平面 位置；近红外微透镜阵列中的每个微透镜通光孔径d相同，焦距f相等，其光圈F 数与近红外镜头光圈F数相等。

在上述技术方案中，根据预定成像范围，紫外微透镜阵列固定于紫外镜头 像面或附近位置，紫外图像探测器靶面固定于紫外微透镜阵列焦平面位置；紫 外微透镜阵列中的每个微透镜通光孔径d相同，焦距f相等，其光圈F数与紫 外镜头光圈F数相等。

在上述技术方案中，所述镜头、微透镜阵列、图像探测器还可以扩展至其 他波段。

本发明提供的基于光场成像技术的多光谱成像仪的有益效果是：

1、本发明提供的多光谱成像仪是在传统多光谱成像仪的基础上，在各波段 图像探测器前端添加了微透镜阵列。通过微透镜阵列的二次折射，将不同方向 的光束根据空间角度的不同，分别投射到微透镜阵列的不同微透镜所覆盖的不 同波段的图像探测器像元中，将4维光场图像信息代替传统的2维图像信息进 行记录保存。无需任何硬件调焦辅助装置及复杂的对焦算法，即可通过图像处 理模块的二维图像重建实现多光谱成像仪视场范围内不同检测目标的重新对 焦，进一步提高了多光谱成像仪多目标多波段图像分析性能。

2、本发明提供的多光谱成像仪是利用光场成像技术，对整个视场进行多波 段光场成像，通过对光场图像的光线追迹实现不同对焦平面的二维图像重建， 变相的增加光学系统景深。并且通过单次拍摄即可实现在有效景深范围内不同 目标在多个波段下的清晰成像。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的多光谱成像仪示意图。

图2为本发明的多光谱成像仪结构框图。

图3为本发明的多光谱成像仪一个波段的光场成像光路原理图。

图4为本发明实施例1多光谱成像仪的结构框图。

图1中的附图标记表示为：

1-可见光镜头，2-可见光微透镜阵列，3-可见光图像探测器，4-近红外镜头， 5-近红外微透镜阵列，6-近红外图像探测器，7-紫外镜头，8-紫外微透镜阵列， 9-紫外图像探测器，10-图像采集与控制装置，11-图像处理与显示装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做以详细说明。

参见附图1和附图3：本发明提供的基于光场成像技术的多光谱成像仪包括 同光轴对准的可见光镜头1、可见光微透镜阵列2及可见光图像探测器3，同光轴 对准的近红外镜头4、近红外微透镜阵列5及近红外图像探测器6，同光轴对准的 紫外镜头7、紫外微透镜阵列8及紫外图像探测器9，图像采集与控制装置10，图 像处理与显示装置11。

根据预定成像范围，可见光微透镜阵列2固定于可见光镜头1像面或附近位 置，可见光图像探测器3靶面固定于可见光微透镜阵列2焦平面位置；可见光微 透镜阵列2中的每个微透镜通光孔径d相同，焦距f相等，其光圈F数与可见光镜头 1光圈F数相等。近红外微透镜阵列5固定于近红外镜头4像面或附近位置，近红 外图像探测器6靶面固定于近红外微透镜阵列5焦平面位置；近红外微透镜阵列5 中的每个微透镜通光孔径d相同，焦距f相等，其光圈F数与近红外镜头4光圈F数 相等。紫外微透镜阵列8固定于紫外镜头7像面或附近位置，紫外图像探测器9靶 面固定于紫外微透镜阵列8焦平面位置；紫外微透镜阵列8中的每个微透镜通光 孔径d相同，焦距f相等，其光圈F数与紫外镜头7光圈F数相等。

图3为本发明的多光谱成像仪其中一个波段的光场成像光路原理图。图中 的D为物镜的通光孔径，v为物距，u为像距，F为物镜焦距，d为微透镜 通光孔径，f为微透镜焦距，A为待成像目标，A’为经过光学系统后在探测器上 所成的像。其光路原理为，目标A经物镜成像在微透镜阵列上，被微透镜阵列 分割为一系列子图像阵列，每个子图像又经其相应的微透镜的发散作用，按照 入射光角度的不同散射到若干各探测器单元上，进而在探测器靶面上形成一幅 具有光场信息的光场图像A’。

参见附图2：可见光微透镜阵列、近红外微透镜阵列及紫外微透镜阵列分别 接收来自可见光镜头、近红外镜头及紫外镜头的光，微透镜阵列通过二次折射， 将不同方向的光束根据空间角度的不同，分别投射到相应微透镜阵列的不同微 透镜所覆盖的可见光图像探测器、近红外图像探测器及紫外图像探测器的像元 中，分别生成具有光场方向和位置信息的相应光场图像。图像采集与控制装置 通过输出同步信号，实现可见光图像探测器、近红外图像探测器及紫外图像探 测器的光电转换帧频的同步触发后，通过相应的图像采集模块，对各波段图像 数据进行采集、存储或传输。图像处理与显示装置，其根据采集到的具有光场 方向和位置信息的光场图像进行二维图像重建、图像处理及显示。

实施例1

结合附图4所示，本发明实施例提供了一种基于光场成像技术的多光谱成 像仪。所述的多光谱成像仪包括：可见光镜头、可见光微透镜阵列、可见光图 像探测器、近红外镜头、近红外微透镜阵列、近红外图像探测器、紫外镜头、 紫外微透镜阵列、紫外图像探测器、图像采集及控制板卡、以及图像处理与显 示装置。具体参数如下：

可见光镜头为可透过波长范围400nm-700nm的定光圈定焦镜头，焦距为 60mm，F数为20。紫外镜头为可透过波长范围300nm-400nm的定光圈定焦镜 头，焦距为60mm，F数为20。近红外镜头为可透过波长范围700nm-1000nm的 定光圈定焦镜头，焦距为60mm，F数为20。

可见光微透镜阵列、紫外微透镜阵列、近红外微透镜阵列均为K9材料的 透镜阵列，微透镜阵列数均为270x206，焦距为500μm。由于图像探测器靶面 应置于微透镜阵列焦平面处，因此在与图像探测器连接前，应去掉图像探测器 前段蒙片窗口玻璃。

可见光图像探测器为黑白可见光工业相机，有效像元分辨率为1620x1236， 像元尺寸为4.4μm，通过CameraLink数据接口与图像采集及控制板卡进行数据 通信。紫外图像探测器为紫外工业相机，有效像元分辨率为1620x1236，像元 尺寸为4.4μm，通过CameraLink数据接口与图像采集及控制板卡进行数据通信。 近红外图像探测器为丹麦JAI公司的近红外工业相机，有效像元分辨率为1620x 1236，像元尺寸为4.4μm，通过CameraLink数据接口与图像采集及控制板卡进 行数据通信。

图像采集及控制板卡，主要由1片FPGA芯片及若干附属芯片组成，用以 实现三个波段图像数据的采集、外触发同步信号的输出以及图像数据格式的转 换。并通过标准千兆网口将转换后的图像数据按照TCP/IP协议进行打包传输。

图像处理与显示装置为具有千兆网卡的远程计算机。计算机利用与多光谱 设备配套的处理软件，对采集到的各波段图像数据进行光场图像二维重建、保 存、显示及其他分析处理。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的 限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其 它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由 此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。