CN108375839A - 基于光调制器件区域分割的三维图像模拟装置和方法 - Google Patents

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田义
李凡
李艳红
李奇
孟宇麟
张小威
杨扬
张励
杜江鹏
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images

Abstract

本发明提供了一种基于光调制器件区域分割的三维图像模拟装置和方法，对目标的第三维信息进行图像切片处理，按照次序对单个光调制器件进行区域分割，每个分割的区域模拟一个图像切片。对分割的区域采用不同的光源照明，分割区域内按照调制信号对入射光调制成光辐射图像，不同分割区域的光辐射图像再复合生成一幅三维图像。光源照明形式决定了第三维度的信息是距离、光谱或偏振。通过单个光调制器进行区域分割模拟所需的三维图像信息，集成度高，结构紧凑。根据所要模拟目标的特征信息例如距离信息、光谱信息或偏振信息，仅需要对光源阵列进行适应性的替换或进行不同的信息调制，该装置即可模拟所需的三维图像信息，易用灵活。

Description

基于光调制器件区域分割的三维图像模拟装置和方法
技术领域
本发明涉及一种图像模拟装置，特别是涉及一种基于光调制器件区域分割的三维图像模拟装置。
背景技术
传统的成像设备将三维空间的物体投影到二维焦平面上，在焦平面上对二维图像进行空间采样，获得二维图像。一些新兴光电传感器例如激光雷达、多光谱相机、偏振相机等，能够在原有二维图像的基础上增加一个维度，例如：距离维度、光谱维度、偏振维度等。增加一个维度后可获得对所拍摄的目标更加丰富的信息。在实验室内，为了能够对这些传感器进行仿真测试，需要一套能够输出对应三维图像的目标模拟装置。而传统的图像模拟装置一般采用光调制器件，例如液晶、硅基液晶、数字微镜阵列等器件对输入均匀光场按照输入的二维图像进行调制，最终输出二维灰度或彩色图像，不具备三维图像输出能力。为此提出一种基于光调制器件区域分割的三维图像模拟装置用于模拟目标的三维图像信息。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于光调制器件区域分割的三维图像模拟装置。
根据本发明提供的一种基于光调制器件区域分割的三维图像模拟装置或方法，对目标的第三维信息进行图像切片处理，按照次序对光调制器件进行区域分割，每个分割的区域模拟一个图像切片。
优选地，对分割的区域采用不同的光源照明，分割区域内按照调制信号对入射光调制成光辐射图像，不同分割区域的光辐射图像再复合生成一幅三维图像；
光源照明形式决定了第三维度的信息是距离、光谱或偏振。
优选地，将调制器进行区域分割，获得二维分割区域布局；将目标的第三维信息进行图像切片处理，并根据分割区域排序后驱动光调制器；对应的光源阵列发射的特征光，含有一维信息，其中，所述一维信息包括距离维度、光谱维度或偏振维度，对应的光源阵列发射的特征光被准直微透镜阵列准直成平行光照亮对应的照明区域；调制器按照预置的调制图案对入射光进行调制生成一个辐射图像切片；每个图像切片含有特征光具备的一维信息；图像切片被对应的复合微透镜阵列准直；复合透镜将所有的图像切片进行复合在光阑处生成一幅含有光源阵列中所有特征光的一维信息，得到的图像是一幅三维信息图，投影镜头将该三维信息图进行投影给被测试的传感器；被测试的传感器感知到模拟目标的三维图像信息。
优选地，包括：光源阵列、准直微透镜阵列、光调制器、复合微透镜阵列、复合镜头、光阑和投影镜头；
光源阵列距离准直微透镜阵列的距离是准直微透镜阵列中微透镜的焦距f。光源阵列中的每个光源均位于准直微透镜阵列中对应微透镜的焦点上；
准直微透镜阵列发出的平行光照明光调制器对应的分割区域；
光调制器按照分割区域对入射光进行调制，输出调制光信号；
每个复合微透镜阵列中的微透镜将对应分割区域调制的光信号准直。复合微透镜阵列距离光调制器的距离是复合微透镜阵列的微透镜的焦距f；
复合微透镜阵列输出的平行光由复合镜头进行复合，并在距离复合镜头的焦距f位置放置光阑；
光阑与投影镜头的距离是透镜镜头的焦距f，且光阑位于投影镜头的焦面上。
优选地，所述光源阵列由多个光源以二维阵列的形式组成，与光调制器的分割区域对应；所述光源阵列所含的信息是维度信息。
优选地，二维阵列是方形，环形、圆形或者螺旋形布局；所述的光源阵列是光纤阵列、LED阵列或者LD阵列。
优选地，维度信息是目标的距离维度、光谱维度或者偏振维度信息。
优选地，所述的准直微透镜阵列是球面或非球面微透镜阵列。
优选地，所述的光调制器是数字微镜阵列、液晶调制器、硅基液晶调制器或者可变形镜。
优选地，所述的复合镜头是透射式、折射式或折返式镜头；所述的光阑与被测试的传感器匹配。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过单个光调制器进行区域分割，不同的分割区域所调制出的图像含有不同的特征信息，再进行复合就可模拟所需的三维图像信息，集成度高，结构紧凑。根据所要模拟目标的特征信息例如距离信息、光谱信息或偏振信息，仅需要对光源阵列进行适应性的替换或进行不同的信息调制，该装置即可模拟所需的三维图像信息，易用灵活。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是基于光调制器件区域分割的三维图像模拟装置原理图。
图2是光调制器件区域分割示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提出了一种基于光调制器件区域分割的三维图像模拟装置，原理如图1所示：所述基于光调制器件区域分割的三维图像模拟装置，包括：光源阵列1、准直微透镜阵列2、光调制器3、复合微透镜阵列4、复合镜头5、光阑6和投影镜头7。
光源阵列1距离准直微透镜阵列2的距离是准直微透镜阵列2中微透镜的焦距f1。光源阵列1中的每个光源均位于准直微透镜阵列2中对应微透镜的焦点上。
准直微透镜阵列2发出的平行光照明光调制器3对应的分割区域8。
光调制器3按照分割区域8对入射光进行调制，输出调制光信号。
每个复合微透镜阵列4中的微透镜将对应分割区域8调制的光信号准直。复合微透镜阵列4距离光调制器3的距离是复合微透镜阵列4的微透镜的焦距f2。
复合微透镜阵列4输出的平行光由复合镜头5进行复合，并在距离复合镜头5的焦距f3位置放置光阑6。
光阑6与投影镜头7的距离是透镜镜头7的焦距f4，且光阑6位于投影镜头7的焦面上。
优选的，所述的光源阵列1由多个光源以二维阵列的形式组成，二维阵列可以是方形，环形、圆形、螺旋形等布局，与光调制器3的分割区域对应。请参看图2，本例中将光调制器3的有效调制区域分割均分为4行4列。
所述的光源阵列1可以是光纤阵列，LED阵列、LD阵列等。
所述的光源阵列1所含的信息可以是目标的距离维度、光谱维度、偏振维度等维度信息。例如光源阵列1模拟距离维度信息，则每个光源具有不同的延时；若光源阵列1模拟光谱维度信息，则每个光源具有不同的光谱特性；光源阵列1模拟偏振维度信息，则每个光源具有不同的偏振特性。
所述的准直微透镜阵列2可以是平凸、双凸等球面或非球面微透镜阵列，也可以是所有能够起到对光源准直作用的各种形式的微透镜阵列。
所述的光调制器3可以使数字微镜阵列、液晶调制器、硅基液晶调制器、可变形镜等能够对入射光进行图像调制的器件。
所述的复合微透镜阵列4可以是平凸、双凸等球面或非球面微透镜阵列，也可以是所有能够起到对图像投影作用的各种形式的微透镜阵列。
所述的复合镜头5可以是透射式、折射式或折返式镜头。
所述的光阑6可以是方形、圆形等开孔，需要与被测试的传感器匹配。
所述的投影镜头7可以是透射式、折射式或折返式镜头，需要与被测试的传感器匹配光学系统匹配。
工作过程如下：
请结合图1并参看图2，将调制器3进行区域4×4分割，获得二维分割区域布局。将目标的第三维信息进行图像切片处理，并根据分割区域排序后驱动光调制器3。对应的光源阵列1同样由4×4个光源组成，发射的特征光含有距离维度、光谱维度或偏振维度等一维信息。被准直微透镜阵列2准直成平行光。照亮对应的照明区域9，同时调制器3按照预置的调制图案对入射光进行调制生成一个图像切片10。每个图像切片10就含有了特征光具备的一维信息。图像切片10被对应的复合微透镜阵列4准直。复合透镜5将所有的图像切片10进行复合在光阑6处生成一幅含有光源阵列1中所有特征光的一维信息，此时该图像是一幅三维信息图，投影镜头7将该图进行投影给被测试的传感器。被测式的传感器就可以感知到该装置模拟目标的三维图像信息。
首先以模拟距离维度为例说明，每个光源发射脉冲间隔Δt，可模拟目标细节的回波距离间隔是c×Δt/2，其中c是光速。将目标按照上述距离间隔进行回波图像切片计算，每个切片含有M×N个像元，并将切片图案信号按照空间次序一次性传入光调制器3，每个光源按照次序以时间间隔Δt照明对应的照明区域9，调制器3对入射光进行调制输出，由于先后生成的16幅切片图像空间上必定不重合，为此先后生成的图像经过复合微透镜阵列4和复合镜头5在光阑处生成一帧具有M×N×16像元的三维图像，再经过投影镜头7，使被测试的传感器能够按照既定的时间序列“看”到来自同一方向的图像序列，这样就实现了距离维的模拟。
再以模拟光谱维度为例说明，假设每个光源发射光波的光谱分别为λn(n＝1～16)。按照光源的光谱模拟范围，将目标的高光谱或多光谱数据立方体在光谱维度进行图像切片计算，每个切片含有M×N个像元，并将切片图案信号按照空间次序一次性传入光调制器3，每个光源照明对应的照明区域9，调制器3对入射光进行调制输出，生成的图像经过复合微透镜阵列4和复合镜头5在光阑处生成一帧具有M×N×16像元的三维多光谱图像，再经过投影镜头7，使被测试的传感器能够“看”到来自同一目标不同光谱范围的复合图像，这样就实现了光谱维的模拟。
最后以模拟偏振维度为例说明，假设每个光源发射光波的偏振分别为pn(n＝1～16)。按照光源的偏振模拟范围，将目标的偏振数据立方体在偏振维度进行图像切片计算，每个切片含有M×N个像元，并将切片图案信号按照空间次序一次性传入光调制器3，每个光源照明对应的照明区域9，调制器3对入射光进行调制输出，生成的图像经过复合微透镜阵列4和复合镜头5在光阑处生成一帧具有M×N×16像元的三维偏振复合图像，再经过投影镜头7，使被测试的传感器能够“看”到来自同一目标不同偏振态的复合图像，这样就实现了偏振维的模拟。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于光调制器件区域分割的三维图像模拟装置或方法，其特征在于，对目标的第三维信息进行图像切片处理，按照次序对光调制器件进行区域分割，每个分割的区域模拟一个图像切片。
2.根据权利要求1所述的基于光调制器件区域分割的三维图像模拟装置或方法，其特征在于，对分割的区域采用不同的光源照明，分割区域内按照调制信号对入射光调制成光辐射图像，不同分割区域的光辐射图像再复合生成一幅三维图像；
光源照明形式决定了第三维度的信息是距离、光谱或偏振。
3.根据权利要求2所述的基于光调制器件区域分割的三维图像模拟装置或方法，其特征在于，将调制器进行区域分割，获得二维分割区域布局；将目标的第三维信息进行图像切片处理，并根据分割区域排序后驱动光调制器；对应的光源阵列发射的特征光，含有一维信息，其中，所述一维信息包括距离维度、光谱维度或偏振维度，对应的光源阵列发射的特征光被准直微透镜阵列准直成平行光照亮对应的照明区域；调制器按照预置的调制图案对入射光进行调制生成一个辐射图像切片；每个图像切片含有特征光具备的一维信息；图像切片被对应的复合微透镜阵列准直；复合透镜将所有的图像切片进行复合在光阑处生成一幅含有光源阵列中所有特征光的一维信息，得到的图像是一幅三维信息图，投影镜头将该三维信息图进行投影给被测试的传感器；被测试的传感器感知到模拟目标的三维图像信息。
4.根据权利要求1所述的基于光调制器件区域分割的三维图像模拟装置，其特征在于，包括：光源阵列(1)、准直微透镜阵列(2)、光调制器(3)、复合微透镜阵列(4)、复合镜头(5)、光阑(6)和投影镜头(7)；
光源阵列(1)距离准直微透镜阵列(2)的距离是准直微透镜阵列(2)中微透镜的焦距f1；光源阵列(1)中的每个光源均位于准直微透镜阵列(2)中对应微透镜的焦点上；
准直微透镜阵列(2)发出的平行光照明光调制器(3)对应的分割区域(8)；
光调制器(3)按照分割区域(8)对入射光进行调制，输出调制光信号；
每个复合微透镜阵列(4)中的微透镜将对应分割区域(8)调制的光信号准直；复合微透镜阵列(4)距离光调制器(3)的距离是复合微透镜阵列(4)的微透镜的焦距f2；
复合微透镜阵列(4)输出的平行光由复合镜头(5)进行复合，并在距离复合镜头(5)的焦距f3位置放置光阑(6)；
光阑(6)与投影镜头(7)的距离是透镜镜头(7)的焦距f4，且光阑(6)位于投影镜头(7)的焦面上。
5.根据权利要求4所述的基于光调制器件区域分割的三维图像模拟装置，其特征在于，所述光源阵列(1)由多个光源以二维阵列的形式组成，与光调制器(3)的分割区域对应；所述光源阵列(1)所含的信息是维度信息。
6.根据权利要求4所述的基于光调制器件区域分割的三维图像模拟装置，其特征在于，二维阵列是方形，环形、圆形或者螺旋形布局；所述的光源阵列是光纤阵列、LED阵列或者LD阵列。
7.根据权利要求4所述的基于光调制器件区域分割的三维图像模拟装置，其特征在于，维度信息是目标的距离维度、光谱维度或者偏振维度信息。
8.根据权利要求4所述的基于光调制器件区域分割的三维图像模拟装置，其特征在于，所述的准直微透镜阵列是球面或非球面微透镜阵列。
9.根据权利要求4所述的基于光调制器件区域分割的三维图像模拟装置，其特征在于，所述的光调制器是数字微镜阵列、液晶调制器、硅基液晶调制器或者可变形镜。
10.根据权利要求4所述的基于光调制器件区域分割的三维图像模拟装置，其特征在于，所述的复合镜头是透射式、折射式或折返式镜头；所述的光阑与被测试的传感器匹配。
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