CN101371116A - 波前相差和距离测量相位相机 - Google Patents
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Abstract
一种由具有微透镜的相位相机组成的系统,微透镜置于会聚透镜的焦点处,其中采用组合的傅立叶“切片”和快速傅立叶转换边缘探测技术处理的相机数据,在宽的体积范围内,提供了三维波前图和真实场景深度图。本发明适用于任何波前需要确定的领域,比如地面的天文观测、眼科等;以及需要度量的领域,比如真实场景、CCD抛光、汽车机械等。应用本发明的具体情况为利用ELT(大直径望远镜:50或100米)的大气X线断层摄影术。
Description
发明目的
本发明的系统由具有微透镜的相位相机组成,微透镜置于会聚透镜的焦点处,采用组合的傅立叶“切片”和快速傅立叶转换边缘探测技术处理的相机数据,在宽的体积范围内,提供了三维波前图和真实场景深度图(depth map)。
本发明适用于任何波前需要确定的领域,比如基于地面的天文观测、眼科等;以及需要度量的领域,比如真实场景、CCD抛光、汽车机械等。应用本发明的具体情况为利用ELT(大直径望远镜:50或100米)的大气X线断层摄影术。
技术领域
本发明属于光学和图像处理领域。
背景技术
本发明涉及两方面需求:获得与图像质量最重要的任何光学问题(例如:诊断)相关的三维波前测量的需求,以及在从几微米到几公里大的体积范围内以获得足够可靠且精确的深度图的需求。
尽管一般的方法可应用于其它领域,但是本发明的分析集中于大孔径望远镜和景深测量。
现有技术
大气X线断层摄影术
对于现有的大口径望远镜(GRANTECAN,Keck,...)和未来的超大望远镜(直径为50或100米),其自适应光学系统已经采用称为多重共轭自适应光学的X线断层摄影术形式来测量大气相位的三维分布。在天空中缺乏足够数量的自然点源,使得在由望远镜观察的目标视场中只有一个点源出现,为此必须使用人工点源,比如Na星(90千米高)。
为了对影响来自天空中目标的光束的整个大气进行纠正(避免焦点的非等晕性),需要使用几个假星(至少5个)。为了产生假星,每个假星均需要一台分辨率很高且高功率的脉冲激光器,这导致该技术成本非常昂贵。而且,在这种高成本之后,多重共轭自适应光学只能测量最多三个水平湍流层的大气相位(运用同时测量的三个相位传感器),即,其扫描影响图像的三维圆柱的微小部分。他们还通过计算来复原相位估计,该计算很复杂,为此他们将危及在可见光谱中的大气稳定的时间内的光束的自适应校正(10ms)。
但是,本文提出的该技术将允许:
-在每个大气稳定的时间内,限于单个测量和单个传感器。
-通过基于傅立叶变换运算法则来复原与每个水平湍流层相关的相位,即,整个大气的X线断层摄影术,其本身自动地快速,并且能够通过对图形处理单元(GPU)或者例如FPGA(现场可编程门阵列)的电子硬件单元智能调整来加速。
-防止需要使用假激光星,因为这种新的技术不需要以然后将被分解(deconvolute)的点信号来校准,因而在目标到达地球大气时,它将实时复原目标的图像。
人眼X线断层摄影术
为了做出更可靠的诊断,进行人眼X线断层摄影术的主要兴趣基本上基于得到和具有对于医学专家可用的、病人的视网膜底的清晰图像。水状液、玻璃体液和晶状体在眼睛中用作消除可从视网膜底产生的像差的工具。
事实上,人眼不需要如同地球大气一样频繁地(每隔10ms一次)测量,这是因为它是稳定的变换;但是,为了不但要得到视网膜底的好图像、而且要检测眼睛可能损害的空间位置,它需要足够的三维分辨率。
在上述领域中,少数把微透镜放在焦点处的作者,并非采用傅立叶“切片”技术来测量光学像差值、纠正图像或者测距。另外,与焦点中的微透镜相关的傅立叶“切片”技术只被用于在几立方米的体积范围内获得真实场景聚焦的图像,其质量显然超过了普通的场深技术。总之,其他作者的这些贡献与本文描述的专利内容无关。
发明内容
微透镜的单个阵列(形成CCD上具有足够分辨率的图像并且置于会聚透镜的焦点处),可对目标三维空间进行X线断层摄影术的测量。
测量只进行一次,即,单个图像包含足够的信息以复原三维环境。该图像可理解为由4维组成:CCD上与每个微透镜的内侧相关的两个坐标,以及与微透镜阵列相关的其它两个坐标。
本发明基于广义的傅立叶“切片”定理,CCD拍到的图像是4维傅立叶变换,然后对图像进行旋转和“切片”操作,该操作决定目标将被复原的深度并将4维问题降低到仅为2维。本发明的目的是确定目标所在的深度;最后,通过在变换的范围内工作并且以边缘检测算法识别目标(高空间频率),可以识别场景中所处的距离预先已知的元件。
另外,Shack-Hartmann传感器由以阵列形式设置的透镜装配组成,以在2维的探测器上形成相同数量的图像。它们中的每一个相对于与平面波前对应的位置的位移测量了波前的局部梯度。可以通过多种方法来复原原始的波前。本发明提出的相位相机包括Shack-Hartmann,其处于会聚透镜的焦点中(这就是为什么该设计也称作波前相位相机),但置于透镜的焦点处,具有与迄今已和Shack-Hartmann传感器相关的完全不同的数据处理。因而波前相位和深度都可以复原。
附图说明
图1:组成相位相机的孔径透镜(1)、透镜(2)以及CCD(3)的排列图。(5)是会聚透镜的焦点,(6)是透镜阵列的每一微透镜的焦距。(7)是波前的局部倾角。(4)是相对于无像差的波前,由湍流波前经过的光程位移。
图2:本发明应用于带有较大主镜(1)的望远镜的原理图。以自适应光学在星(8)的大气观测中进行大气X线断层摄影术。大气中单独的湍流层对应(9)和(10)。相位相机可扫描影响望远镜最终图像的大气湍流(13)的完整圆柱。
图3:采用与大气中的两个湍流层(9)和(10)多重共轭的自适应光学、对星(8)进行传统天体观测的原理图。它只能获得很少量的单独湍流层(最多三个)。(11)和(12)表示与每一湍流层共轭地相关的波前传感器。(1)对应望远镜。
具体实施方式
考虑了以下具体情况,即,应用直径超过大气的相干直径r0(在可见光谱中约20厘米)的望远镜进行天体观测。大气湍流导致用望远镜获得的图像中的分辨率的损失,即,高空间频率信息的损失。为了防止该损失,需要知道大气湍流使来自所研究星体的光的波前劣化的方式。可始终应用自然或者人工的点星(可表现出大气在波前中造成的变形)。
应用传统的多重共轭自适应光学(图3),波前相位传感器必须用于每个与单独的湍流层共轭的可变形的镜,即,在使用中必须平行排列并放置在光轴不同位置的两个不同的相位传感器(WFS)。由于大气在可见光谱内每隔10毫秒变化一次,因而计算的复杂性和速度的要求,使得它不可能克服现在仅三个空气湍流层的修正。
应用具有如图1所示设计的相位相机,在这种情况下其操作如图2所示,只用到了一个传感器,该传感器置于光轴上的单个位置,并且此后基本上通过傅立叶切片技术进行的单个测量可获得与整个大气柱相关的湍流层(波前相位)的三维图,该湍流层影响本发明的望远镜的观测以及湍流层所在的位置处的高度。
Claims (17)
1.一种在不同环境下采用傅立叶切片技术的波前相差和距离测量相位相机,其特征在于,微透镜置于会聚透镜的焦点处,所述微透镜的数据运用傅立叶“切片”和快速傅立叶变换边缘检测技术的结合来解释。
2.根据权利要求1所述的在不同环境下采用傅立叶切片技术的波前相差和距离测量相位相机,用于获得与影响地面望远镜天体观测的大气湍流层集合相关的三维相位图。
3.根据权利要求1所述的在不同环境下采用傅立叶切片技术的波前相差和距离测量相位相机,用于获得与影响病人的视网膜底的眼科观测的湍流组相关的三维相位图。
4.根据权利要求1所述的在不同环境下采用傅立叶切片技术的波前相差和距离测量相位相机,用于获得与一组真实场景的成分组相关的三维相位图。
5.根据权利要求1所述的在不同环境下采用傅立叶切片技术的波前相差和距离测量相位相机,用于获得与CCD表面相关的三维相位图。
6.根据权利要求1所述的在不同环境下采用傅立叶切片技术的波前相差和距离测量相位相机,用于获得与汽车工业中的必要机械部件的表面相关的三维相位图。
7.根据权利要求1所述的在不同环境下采用傅立叶切片技术的波前相差和距离测量相位相机,用于获得与影响地面望远镜天体观测的大气湍流层组相关的距离图。
8.根据权利要求1所述的在不同环境下采用傅立叶切片技术的波前相差和距离测量相位相机,用于获得与影响病人视网膜底的眼科观测的湍流组相关的距离图。
9.根据权利要求1所述的在不同环境下采用傅立叶切片技术的波前相差和距离测量相位相机,用于获得与真实场景中的成分组相关的深度图。
10.根据权利要求1所述的在不同环境下采用傅立叶切片技术的波前相差和距离测量相位相机,用于获得与CCD的表面相关的深度图(抛光)。
11.根据权利要求1所述的在不同环境下采用傅立叶切片技术的波前相差和距离测量相位相机,用于获得与汽车工业中的必要机械部件的表面相关的深度图。
12.一种用于获得深度和波前相位图的方法,通过使用在不同环境下采用傅立叶切片技术的波前相差和距离测量相位相机,所述相位相机的特征在于根据权利要求1所述,开发于GPU上。
13.一种用于获得深度和波前相位图的方法,通过使用在不同环境下采用傅立叶切片技术的波前相差和距离测量相位相机,所述相位相机的特征在于根据权利要求1所述,开发于FPGA上。
14.一种用于获得深度和波前相位图的方法,通过使用在不同环境下采用傅立叶切片技术的波前相差和距离测量相位相机,所述相位相机的特征在于根据权利要求1所述,开发于GPU和FPGA的组合上。
15.一种利用具有GPU控制的可变形镜的自适应光学的天体观测的方法,通过使用在不同环境下采用傅立叶切片技术的波前相差和距离测量相位相机,所述相位相机的特征在于根据权利要求1所述,用于获得与影响地面望远镜天体观测的大气湍流层组相关的三维相位图。
16.一种利用具有FPGA控制的可变形镜的自适应光学的天体观测的方法,通过使用在不同环境下采用傅立叶切片技术的波前相差和距离测量相位相机,所述相位相机的特征在于根据权利要求1所述,用于获得与影响地面望远镜天体观测的大气湍流层组相关的三维相位图。
17.一种利用具有GPU控制和FPGA控制的可变形镜的自适应光学的天体观测的方法,通过使用在不同环境下采用傅立叶切片技术的波前相差和距离测量相位相机,所述相位相机的特征在于根据权利要求1所述,用于获得与影响地面望远镜天体观测的大气湍流层组相关的三维相位图。
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