CN106813777A - 基于相邻孔径交叉传递的极大视场复眼多光谱相机 - Google Patents
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Abstract
为了解决现有多光谱相机存在的视场小的问题，实现极大视场上的多光谱成像，本发明提出一种切实可行的基于曲面仿生复眼的极大视场多光谱相机设计方案。该大视场多光谱相机，包括三个子系统：带有不同滤光片的曲面微透镜阵列、光学变换子系统、带有图像传感器的数据处理单元。本发明基于相邻孔径交叉传递的大视场复眼多光谱相机能够实现极大视场上物体的多光谱成像，视场角可达120度以上。除了输出多光谱图像，该相机还可以实现大视场图像超分辨率重构、景深扩展以及3D成像等功能。
Description
技术领域
本发明属于光谱成像及光学元件的机械加工领域，尤其涉及一种基于相邻孔径交叉传递的极大视场复眼多光谱相机的设计。
背景技术
多光谱相机是在可见光的基础上向红外光和紫外光两个方向扩展，并通过各种滤光片或分光器与多种感光器的组合，使其同时分别接受同一目标在不同窄光谱带上所辐射或反射的信息，以此得到目标的不同光谱带图像。多光谱相机主要分为三类：一种是多镜头多光谱相机，这种相机具有多个镜头，每个镜头各有一个滤光片对应一种窄光谱带，多个镜头同时拍摄同一场景，用同一接收器记录几种不同光谱带的图像；另一种是多相机组成的多光谱系统，是由多台带有不同滤光片的相机，同时拍摄同一场景，分别接受不同光谱带的成像信息；还有一种是光束分离型多光谱相机，这种多光谱相机只有一个镜头拍摄，采用分光器或者滤光片把采集到的场景光线分离为若干波段，并记录下不同波段的图像信息。由于第三种光束分离型多光谱相机结构简单，应用最为广泛，常见光谱仪也多为这种类型。但一般多光谱相机和普通相机一样，成像范围较小，很难做到大视场拍摄。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种基于仿生复眼的极大视场多光谱相机，该多光谱相机模仿自然界昆虫类眼睛-即复眼结构，采用多孔径镜头配合滤光片，以一种相邻孔径交叉传递的方式可实现对超过120度视场上的目标场景进行多光谱成像。
本发明的发明思想为：
本发明基于相邻孔径交叉传递的大视场复眼多光谱相机受启于自然界中的生物复眼结构，采用多孔径排列成曲面以获取大视场场景信息。而为了获取大视场范围内的多光谱信息，采用相邻孔径交叉排列的方式扩散至整个孔径阵列，配合适当的算法就可提取出大视场场景的多光谱图像。该多光谱相机主要由三个子系统组成：带有不同滤光片的球面透镜阵列、光学变换系统、带有图像传感器的数据处理单元。
一、带有不同滤光片的球面透镜阵列：该子系统也包含三个组成部分，分别为支撑球壳、微透镜和滤光片。支撑球壳是一个带有六边形排列阶梯孔的树脂或金属半球壳，该半球壳通过3D打印或5轴数控机床制作。支撑球壳除了起到支撑微透镜的作用外还可以防止相邻孔径间的串扰，起到孔径光阑的作用。微透镜安装在半球壳的阶梯孔内。在每个透镜下方各放置一片透过波长不同的滤光片。球壳上每个包含微透镜和滤光片的孔都称为一个子通道，即一个成像孔径，整个系统共包含一百多个成像孔径。各成像孔径间成六边形排列，每个孔径周边都有六个相邻的对不同波段透过的子通道，称为一个光谱成像单元。每个单元中的7个成像孔径都可以对场景中的同一个物体成像，从而获得其多光谱图像信息。
二、光学变换子系统：光学变换子系统主要负责把曲面复眼所成的像变换到图像传感器上进行接收。本发明系统采用远心视光路设计，共包含7个镜片，物面在不同视场的出射光线与像平面垂直，能够最大限度消除探测器离焦对不同视场角的影响差别。利用第四透镜的前表面作为一个控制面，对镜头的象散进行有效的控制。其中只有ZF6和H-ZK9B两种玻璃，且均为价格便宜、经常使用、易于加工的材料。另外，采用一片曲面非均匀厚度的或者渐变折射率的透镜也可以实现相同的图像变换作用。
三、带有图像传感器的数据处理单元：数据处理单元子系统包含图像传感器可以把光学连续图像采样为离散数字图像。除此之外，该大视场复眼多光谱相机系统是一种计算成像系统，最终图像需要通过重构算法计算得出。计算成像中最终图像的重构是相机系统成像的逆过程，必须根据相机结构或图像特性设计合适的算法才能得出较好的最终图像。
本发明的技术解决方案是提供一种基于相邻孔径交叉传递的极大视场复眼多光谱相机，包括依次设置的透镜阵列、光学变换系统及带有图像传感器的数据处理单元；其特殊之处在于：
上述透镜阵列为带有不同滤光片的曲面透镜阵列；
上述带有不同滤光片的曲面透镜阵列包括支撑球壳、微透镜和透过波长不同的滤光片；
上述支撑球壳为半球壳，上述半球壳壳体上设置有阶梯孔阵列；
上述微透镜安装在所述阶梯孔内，上述微透镜下方各放置一片透过波长不同的滤光片；包含微透镜和滤光片的阶梯孔视为一个成像孔径，每个成像孔径周边有六个相邻的对不同波段透过的成像孔径；
上述光学变换系统将曲面透镜所成的像变换至带有图像传感器的数据处理单元进行接收处理。
优选的，上述阶梯孔阵列为蜂窝状六边形排列；每七个阶梯孔以一个阶梯孔为中心成六边形排列，再以其余周边的六个阶梯孔为中心，每个阶梯孔周围都排列六个阶梯孔成六边形排列；
上述系统中的带有不同滤光片的球面透镜阵列子系统主要负责采集大视场场景内物体反射(或发射)的光线。该子系统是整个多光谱相机系统的核心，也是该多光谱系统与传统多光谱相机最主要的区别。球面透镜阵列子系统采用仿生复眼方式设计，模仿生物复眼中子眼排列成曲面来对大范围场景成像。
上述球面透镜阵列中各透镜的排列按照蜂窝状六边形紧密排列，以尽可能提高整个光学系统的光通量。
上述支撑球壳通过3D打印或五轴数控机床制作。
优选的，上述光学变换系统包括七个透镜，上述七个透镜采用远心视光路设计。
上述光学变换系统还可以是一片曲面非均匀厚度的或者渐变折射率的透镜。
上述光学变换系统把球面透镜阵列所成的像变换到平面基的图像传感器上并进行接收，以此解决了成像焦曲面和平面图像传感器不匹配的问题。
优选的，上述光学变换系统的焦距为3mm，最大视场为120度，相对孔径约为1/3，最大口径小于22mm，光学总长为48.6mm。
本发明具有以下有益效果：
本发明基于相邻孔径交叉传递的极大视场复眼多光谱相机能够实现大视场上物体的多光谱成像，视场可达到120度以上。除了输出多光谱图像，该相机还可以实现图像超分辨率重构、扩展景深以及3D成像。
附图说明
图1是滤光片排布模式图。
图2是基于相邻孔径交叉传递的大视场复眼多光谱相机结构示意图。
图3是基于相邻孔径交叉传递的大视场复眼多光谱相机系统各部分组成详图。
图4是基于相邻孔径交叉传递的大视场复眼多光谱相机功能图。
图中附图标记为：1-第一子系统，11-支撑球壳，12-阶梯孔，13-微透镜，14-滤光片，2-第二子系统，21-第一透镜，22-第二透镜，23-第三透镜，24-第四透镜，25-第五透镜，26-第六透镜，27-第七透镜，3-第三子系统，31-图像传感器。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明做进一步的描述。
本发明基于相邻孔径交叉传递的大视场复眼多光谱相机系统设计主要涉及两个问题：一是通过模仿自然界中生物复眼结构进行大视场成像；一是通过相邻孔径交叉传递的工作模式对大视场上的目标进行多光谱成像。这两个问题通过两种方式解决却又相互联系，组成一套能够进行大视场成像的多光谱相机系统。
图1是该大视场多光谱相机相邻孔径交叉传递模式的示意图。图中每个小圆代表一个孔径，每种图示代表一种波段的滤光片，共λ0-λ6七个波段。七个波段孔径以其中一个为中心成六边形排列，组成一个单元，再以其余周边六个为中心，每个四周都排列有六个不同波段的孔径，依次按这种方式分布开来。这个分布满足无论以哪个孔径为中心，其周边都有六个不同波段的孔径与其组成一个单元，每个单元相互交叉分布。如图1中是以λ0为中心的一个单元，周边λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6以六边形排列。若以周边的λ1为中心，图中所标示出单元的中心λ0以及λ6、λ2成为新单元的周边，和另外的λ3、λ4、λ5共同组成新单元。
图2为本发明大视场多光谱相机系统结构示意图。该相机系统包含三个子系统：第一子系统1为带有不同滤光片的球面微透镜阵列、第二子系统2为光学变换子系统、第三子系统3为带有图像传感器的数据处理单元。该大视场多光谱相机的结构和果蝇复眼结构类似，果蝇复眼也包含三个部分：一个小的镜头、一个晶锥和一个带有感光细胞的导波杆。从而该相机可以具有果蝇复眼的一些优点，比如可以获取较大的视场。该大视场多光谱相机中的球面透镜阵列按照图1中相邻孔径交叉传递模式分布，每个单元中的七个孔径可以同时捕获同一场景中的同一物体的图像和光谱信息。配合适当的算法即可提取出大视场范围内的多光谱图像。
图3给出了基于相邻孔径交叉传递的大视场复眼多光谱相机的详细组成。第一子系统1由三个部分组成，带有六边形排列孔径的支撑球壳11，微透镜阵列，滤光片阵列。支撑球壳11是一个带有六边形排列阶梯孔的树脂或金属半球壳，可以通过3D打印或者机械加工制作。支撑球壳11除了起到支撑透镜的作用外还可以起到孔径光阑的作用以相邻孔径间的串扰。微透镜阵列中的每个透镜13安装在支撑球壳11的阶梯孔12内。在每个透镜下方各放置一片透过波段不同的滤光片14，形成滤光片阵列。第二子系统2为光学变换子系统包含7块镜片分别为第一透镜21，第二透镜22，第三透镜23，第四透镜24，第五透镜25，第六透镜26，第七透镜27，第二子系统2是一个中间转换系统，把透镜阵列所成的焦曲面转换为焦平面。典型第二子系统2的焦距为3mm，最大视场为120度，相对孔径约为1/3，最大口径小于22mm，光学总长为48.6mm。第三子系统3包括图像传感器31与数字电路驱动，图像传感器31可以为CMOS或CCD，数字处理电路驱动CMOS或CCD完成图像采集并进行前期图像处理。图4给出了该大视场复眼多光谱相机所能提供的功能图，较之普通多光谱相机，该大视场复眼多光谱相机不仅扩大了视场、增加了景深，而且还获得了提取深度信息和三维成像的新功能。
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。
Claims (6)
1.一种基于相邻孔径交叉传递的极大视场复眼多光谱相机，包括依次设置的透镜阵列、光学变换系统及带有图像传感器的数据处理单元；其特征在于：
所述透镜阵列为带有不同滤光片的曲面透镜阵列；
所述曲面透镜阵列包括支撑球壳、微透镜和可透过不同波长的滤光片；
所述支撑球壳为半球壳，所述半球壳壳体上设置有阶梯孔阵列；
所述微透镜安装在所述阶梯孔内，所述微透镜下方各放置一片可透过不同波长的滤光片；
每个阶梯孔内的微透镜和滤光片构成一个成像孔径，任一成像孔径的滤光片与其周边相邻的所有成像孔径的滤光片的波长均不相同；
所述光学变换系统将曲面透镜所成的像变换至带有图像传感器的数据处理单元进行接收处理。
2.根据权利要求1所述的基于相邻孔径交叉传递的极大视场复眼多光谱相机，其特征在于：所述阶梯孔阵列为蜂窝状六边形排列。
3.根据权利要求1所述的基于相邻孔径交叉传递的极大视场复眼多光谱相机，其特征在于：所述支撑球壳通过3D打印或五轴数控机床制作。
4.根据权利要求1所述的基于相邻孔径交叉传递的极大视场复眼多光谱相机，其特征在于：所述光学变换系统包括基于远心视光路设计的七个透镜光学结构。
5.根据权利要求1所述的基于相邻孔径交叉传递的极大视场复眼多光谱相机，其特征在于：所述光学变换系统采用一片曲面非均匀厚度的或者渐变折射率的透镜。
6.根据权利要求4或5所述的基于相邻孔径交叉传递的极大视场复眼多光谱相机，其特征在于：所述光学变换系统的焦距为3mm，最大视场为120度，相对孔径约为1/3，最大口径小于22mm，光学总长为48.6mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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