紅外變焦光場相機的製作方法

2023-12-11 19:39:12

專利名稱：紅外變焦光場相機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種紅外相機，特別是一種紅外變焦光場相機，所述相機利用微透鏡陣列記錄成像光線的位置和角度的四維光場信息，對相機得到的場景信息進行重新對焦得到新的圖像，最終實現先成像後對焦的目的。
背景技術：
傳統成像方式在拍攝高速運動的目標或者相機的平臺發生抖動時，容易出現失焦、跑焦現象。對於高速運動物體來說，想抓住精彩一瞬的同時並且保證圖片清晰是非常困難的。所以，要減少高速運動物體帶來的運動模糊，一般利用縮短曝光時間或者增大相機的孔徑兩種方法，然而縮短曝光時間會導致圖像灰暗，增大相機孔徑會減小景深，使得成像背景模糊。傳統數位相機成像時是在感光原件上記錄光強度分布，丟失了光波場的方向信息。當拍攝多個目標時，焦點往往對準在某一個目標上，其它目標可能景深過小造成局部圖像模糊。所以傳統數位相機在成像的中不能捕捉目標的大量光學信息，失去了光線的方向信息，因此傳統相機得到的圖像後期無法進行重新聚焦。光場輻射密度函數表示在四維空間中所有光線的光能量流動的密度，光場實質就是攜帶二維位置信息(U，V)和二維方向信息(Θ，Φ)的四維光場函數，光場相機的成像核心就是捕捉目標完整的四維光場分布信息。光場相機成像時，光線從不同的角度到達物鏡，聚焦在不同的微透鏡上。每個微鏡頭將光線轉變成一個微小的模糊圖像，被CCD感光元件接收。而那些微小的模糊圖像不同部分的光線，則通過物鏡的不同部位傳遞。通過這種方式，在一次成像中，CXD感光元件記錄了通過物鏡的每條光線的位置和它的角度。因此光場相機成像時不僅記錄落在每個感光單元所有光線的總和，還記錄光線的方向和強度。光場相機作為一種新型的成像裝置，在物鏡與感光元件之前加入了微透鏡陣列，每個微透鏡對應若干個CCD感光 元件的像素。它成像的核心問題就是獲得完整的四維光場分布信息，光場相機通過記錄光輻射在傳播過程中的四維位置和方向的信息，相比只記錄二維的傳統成像方式多出2個維度，故在圖像重建過程中，能夠獲得更加豐富的圖像信息，獲得不同景深的圖像，利用軟體對圖片進行對焦處理，達到先拍攝後對焦的目的，提高對目標的成像清晰度。因此光場相機可以對原始拍攝時因物體移動或者平臺抖動，造成焦點未對準的圖像重新進行聚焦，以獲得許多不同聚焦點的圖片，獲取目標的更多信息，解決了傳統相機丟失信息，離焦等問題。光場相機突破了傳統幾何成像技術的局限，比具有相同景深的相機圖像信噪比更高，在光學測量、遙感探測等方面有重要的意義。
發明內容本實用新型主要是為了解決容易出現失焦、跑焦現象，提供一種先拍攝，後對焦的紅外變焦光場相機。本實用新型的解決方案是在變焦物鏡I的像面處放置微透鏡陣列2，CXD感光元件3放置在微透鏡的焦面處。物體上一點經過變焦物鏡I聚焦於微透鏡陣列平面2上，然後光線經單個微透鏡分散出光強度和不同的方向分量，分別到達探測器的不同像元位置處，即得到該物點的光場信息。為達到最大的角解析度，需保證主透鏡系統的像方F數(相機的光圈數)與微透鏡陣列的F數一致，否則會造成光場方向信息和目標空間分布的混疊。目標物體上一點經過變焦物鏡I後聚焦於微透鏡陣列2的平面上，而後經單個微透鏡分散出強度和方向分量，到達CCD感光元件3的不同像素點，即在像素點上得到該物點的光場信息，最終在CCD感光元件上產生一個微小的圖像陣列，每個微透鏡對目標物成一幅圖像。每副圖像記錄了到達像面某個微透鏡的光線位置，由於入瞳孔徑有限，所以每個微透鏡都有一定的視場範圍，不同微透鏡之間有一定的視差，從而得到物體的光強度和光線方向的四維空間信息。在光場相機中，微透鏡不再限制圖像的有效解析度。得到的圖像理論上可以接近傳感器的完全解析度，即奈奎斯特頻率。如果把微透鏡看作成像器件，變焦物鏡的主面與CCD感光器件滿足物像關係。所以，變焦物鏡系統的光瞳經過單個微透鏡所成的像正好覆蓋光電探測器的若干像素點，為達到最大的角解析度，需保證變焦物鏡的F數與微透鏡陣列的F數一致，否則會造成光場方向信息和目標空間分布的混疊。微透鏡的作用是將變焦物鏡得到的像成像在探測器CXD感光元件上並覆蓋若干個像元，相當於將整個成像系統的光瞳分割成若干個子孔徑。如果微透鏡陣列中含有NXN個微透鏡，每個微透鏡又覆蓋了 MXM個CXD像元，那麼主鏡光瞳則被分割為MXM個子孔徑，此時能夠得到比傳統相機清晰M2倍的數字對焦圖像。微透鏡將成像系統內的光場分布轉化為CCD的像元輸出信號，且與微透鏡位置反映的兩維空間位置信息和微透鏡覆蓋的像元位置反映的兩維方向信息分別相對應，實現了四維光場的解析。然後對光場數據進行採集後並處理能獲得不同深度截面的清晰圖像。本實用新型和現有的紅外成像技術相比，具有如下優點:(I)紅外變焦光場相機拍攝照片時，無需對焦。(2)避免的傳統相機因為物體晃動或者因為平臺震動造成拍攝的圖片模糊，利用紅外變焦光場相機可以得到一系列不同焦點的圖片。(3)紅外變焦光場相機中的變焦物鏡保證光場相機既可拍攝遠處的物體，又可拍攝近距離的目標。(4)紅外變焦光場相機的光學系統利用光學被動式實現無熱化設計，使得相機可在大溫度範圍內使用，避免高溫或者低溫對成像質量的影響。(5)紅外變焦光場相機不受光照條件的限制，可全天候使用。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。


圖1是紅外光場相機在短焦、中焦、長焦位置處的光學系統圖。圖2是微透鏡陣列的結構示意圖。圖3是數據採集的框圖。圖4是圖像清晰度評價的步驟圖。圖中I表示變焦物鏡，11表示物鏡中的前固定組，12表示物鏡中的變倍組，13表示物鏡中的補償組，14表不物鏡中的後固定組,2表不微透鏡陣列，3表不(XD感光兀件,4表示不同入射角的光線，5表示變倍組的移動軌跡,6表示補償組的移動軌跡。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明作進一步說明，但本發明並不限於一下實施例。下述實施例中，如無特殊說明，均為常規方法。實施例中使用的各種單位，統一採用國家標準。實施例1:光學系統的組成紅外變焦光場相機的光學系統結構見
圖1，包括變焦物鏡1、微透鏡陣列2和CXD感光元件3三個部分。在變焦物鏡I的像面處放置微透鏡陣列2，CCD感光元件放置在微透鏡的焦面處。物體上一點經過變焦物鏡I聚焦於微透鏡陣列平面2上，然後光線經單個微透鏡分散出光強度和不同的方向分量，分別到達探測器的不同像元位置處。(I)變焦物鏡變焦物鏡的結構如
圖1所示，變焦物鏡包括前固定組11，變倍組12，補償組13和後固定組14四部分，各個組分的玻璃材料均採 用矽或者鍺，用於透射紅外光線。變焦過程就是光學系統的焦距在一定範圍內可連續變化而物像的共軛距不變，也就是保持像面位置恆定不變和成像質量良好的過程。變焦距光學鏡頭在一定範圍內可以改變焦距從而得到不同大小的視場角、不同大小的影像和不同大小的景物範圍，因此為了即能拍攝遠處的目標，又能獲取近處的場景，需要對物鏡進行變焦設計。為了能使設計出的物鏡連續變焦，採用機械補償法設計鏡頭。機械補償法的變焦距鏡頭，無論結構簡單或複雜，一般包括前固定組11、變倍組12、補償組13和後固定組14四部分。當系統由短焦位置向長焦位置運動時，可以看到變倍透鏡組11按照直線5向右移動，補償透鏡12組按照曲線6向左移動，兩透鏡組在中部靠攏。這需要高精度的凸輪帶動實現連續變焦。(2)微透鏡陣列，其放置在變焦物鏡和CXD感光元件之間，微透鏡陣列與感光元件之間的距離為f，即微透鏡陣列的焦距。微透鏡陣列有NXN個獨立的微透鏡，每個微透鏡下面覆蓋著MXM個探測器像元，微透鏡陣列可以看做是一個散焦元件，使目標通過前置光學系統所成的聚焦像點散焦到若干個探測器單元上，形成模糊像；另外，微透鏡陣列把變焦物鏡的光瞳成像在CCD感光元件上並覆蓋若干個探測器像元，相當於整個光瞳被探測器單元分割成了若干個子孔徑。每個微透鏡記錄相同位置不同視角的場景圖像，即CCD感光元件上即得到NXN個圖像。這樣C⑶像元輸出的信號不是目標通過整個光瞳的能量積分變換，而是對應於目標通過微透鏡的某個子孔徑的能量積分變換，即對應了目標的方向信息。這樣CCD感光元件上所獲得的圖像是目標輻射的空間分布和方向信息，即得到的圖像就能展現出更多的目標信息。為了充分利用方向解析度，使得微透鏡能儘可能覆蓋更多的探測器像元，保證變焦物鏡的角解析度與微透鏡陣列的角解析度一致，因此微透鏡陣列的F數須等於變焦物鏡的F數，從而能使微透鏡覆蓋最大的成像範圍，且不相互重疊。如果微透鏡陣列的F數小於變焦物鏡的F數，則微透鏡下覆蓋CXD感光元件的範圍將會發生重疊，產生信號串擾。如果微透鏡陣列的F數大於變焦物鏡的F數，則微透鏡陣列不能覆蓋CCD感光元件的所有範圍，會導致部分像元浪費。其中微透鏡陣列的結構示意圖如圖2所示，它可以利用光刻或者溶膠-凝膠技術獲得。[0032](3) C⑶感光元件，其放置在微透鏡陣列的焦平面上，捕捉經過變焦物鏡和微透鏡陣列成像在感光元件上的像。每個微透鏡陣列覆蓋若干個CCD感光元件像元。如果把微透鏡看作成像器件，變焦物鏡I的主面與探測器陣列3滿足物象共軛關係。所以變焦物鏡系統的光瞳經過單個微透鏡所成的像正好覆蓋光電探測器的若干像素點。實施例2:系統的無熱化設計一般設計出的相機是假設在常溫下工作的，當系統所處的環境溫度發生改變時，光學系統中的所有元件都會隨著溫度的變化而變化，如玻璃材料折射率、曲率半徑、厚度等都會發生變化，繼而使系統的像面發生漂移，引起離焦，使成像質量大大降低。尤其是所本實用新型相機的光學系統工作在紅外波段，由於紅外材料的熱膨脹係數比可見光高1-2個數量級，對溫度的變化非常敏感，因此非常有必要研究紅外光學系統的無熱化技術。為了保證光場相機的成像質量不受溫度的影響，需要對系統進行無熱化設計，從而保證系統在一個較大的溫度範圍內保持焦距、像質不變或變化很小。系統的無熱化技術包括:機械被動式、電子主動式以及光學被動式。其中光學被動式的無熱化設計是將不同溫度特性的光學玻璃相匹配，校正色差和熱差，然後匹配機械結構材料的熱膨脹，來消除溫度對像質的影響。光學被動式溫度補償的性能很好，可靠性極高，重量輕，成本低，無需供電，所以對於相機來說比較適合。上述無熱化設計方法都屬於本領域技術人員的常用選擇，例如《紅外光學系統的無熱化設計》。實施例3:數據採集系統目標光線通過鏡頭進入相機，將目標聚焦到CCD光電耦合器件上，並將光信號轉換成電信號；然後經模/數轉換器(A/D)轉換成數位訊號；再由微處理器(MPU)對信號進行壓縮並轉換成特定的圖像文件格式儲存在存儲卡上，其中存儲卡可反覆使用；存儲的圖像，可立即在相機的液晶顯示器上顯現，並可以及時進行修改或刪除，還可以通過輸出接口傳輸到計算機中，進行圖像處理和編輯。目前數字圖像採集主要有兩種方式，一種是專用的數據採集卡，配合PC機的各種高速數據線等採集數據。另一種方法是基於嵌入式DSP或者FPGA的採集方法，利用DSP的數據通道來採集數據。光場相機的數據採集方法選擇第二種，其數據採集系統如圖3所示，就是將目標信號固化到相機主機板的一個大型的集成電路晶片，在成像過程中對CCD蓄積下的電荷信息進行採集處理，對得到的場景圖像進行壓縮、顯示和存儲。相機採用先進的數據採集和處理系統，能夠提升相機整體的操作響應速度，使相機具備更先進的運算能力，能夠在短時間內處理大量影像數據，有效抑制噪聲操作，速度更快，對焦速度及準確性大幅提聞。電源部分包括內置電池和外置電源接口，隨時為相機充電，延長其使用時間。外接設備接口包括是各種外部接口，比如USB，各種卡插槽等，方便電腦與相機連接，獲取存儲到相機的圖像數據等。實施例4:圖像清晰度的評價流程。如圖4所示，具體評價過程包括以下四步:(I)首先利用光場相機獲得二維光場圖像二重積分轉化為四維光場數據。(2)在空域或頻域內，選定相應的對焦參量對四維光場數據重構，得到一幅二維光場圖像。(3)在得到的 二維光場圖像中選定一個窗口(區域)，利用Tenengard函數、圖像變換等函數作為評價函數，對選中的圖像內容進行清晰度評價，得到該對焦參數下的目標評價函數值，對焦函數的選擇對圖像清晰度的評價至關重要。(4)改變對焦參量，重複對選定的區域進行清晰度評價，可得到對焦評價曲線。最終，通過改變對焦參量，對光場數據進行處理實現數字對焦，從而得到一系列清晰的不同聚焦點的圖片。此外，本實用新型中的紅外變焦光場相機能實現先拍攝後對焦，凡是利用本實用新型中光場相機的設計精神所做出的形狀、構造以及特徵上的等效變化或修飾實現先拍攝後對焦的光場相機，均認為落入·本實用新型的保護範圍內。
權利要求1.一種紅外變焦光場相機，包括變焦物鏡(I)、微透鏡陣列(2)和C⑶感光元件(3)三個部分，並在光路上依次放置，其特徵在於系統的分光裝置為微透鏡陣列。
2.根據權利要求1所述的紅外變焦光場相機，其特徵在於:變焦物鏡為連續變焦物鏡，包括前固定組(11)，變倍組(12)，補償組(13)和後固定組(14)四部分，各個組分的玻璃材料均採用矽或者鍺。
3.根據權利要求1或2所述的紅外變焦光場相機，其特徵在於:CCD感光元件放置在微透鏡陣列的焦平面上，位置固定不變。
4.根據權利要求3所述的紅外變焦光場相機，其特徵在於:每個微透鏡覆蓋若干個CCD感光元件的像元。
5.根 據權利要求4所述的紅外變焦光場相機，其特徵在於:微透鏡陣列的F數與變焦物鏡的F數相等。
專利摘要一種紅外變焦光場相機，具有高空間解析度，且能實現先成像後對焦。所述相機的光學系統包括變焦物鏡1、微透鏡陣列2和CCD感光元件3三個部分。變焦物鏡1相當於傳統相機的物鏡，在變焦物鏡1的像面處放置微透鏡陣列2，CCD感光元件3放置在微透鏡的焦面處。物體上一點經過變焦物鏡1聚焦於微透鏡陣列2上，然後光線經微透鏡分散出光強度和不同的方向分量，分別到達CCD感光元件3的不同像元處，即得到該物點的光場信息。為達到最大的角解析度，需保證變焦物鏡的F數與微透鏡陣列的F數一致，否則會造成光場方向信息和目標空間分布的混疊。後期圖像處理改變對焦參量後對圖像進行清晰度評價，並可以得到一系列不同焦距的圖像。
文檔編號G02B15/163GK203101791SQ20122072428
公開日2013年7月31日 申請日期2012年12月26日 優先權日2012年12月26日
發明者孫小玲, 周斌, 許光, 宋苗苗 申請人:山東省科學院海洋儀器儀表研究所