CN110174176B - 一种分块式多波段滤镜的掩膜板成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分块式多波段滤镜的掩膜板成像系统。包括掩膜板相机和分块式多波段滤镜，所述的掩膜板相机为由掩膜板和光电传感器阵列组成的无透镜相机，光电传感器阵列是有多个光电传感器紧密阵列排布而成，掩膜板置于光电传感器阵列的探测面前方，光电传感器阵列的探测面布置有分块式滤镜；分块式多波段滤镜采用滤光片分块式布置，每个波段对应的滤光片连续排列。本发明提高了掩膜板相机的多波段成像质量，简化了多波段滤镜加工工艺，为掩膜板相机多波段成像奠定基础。

Description

一种分块式多波段滤镜的掩膜板成像系统
技术领域
本发明属于数字成像技术领域的一种掩膜板成像系统，具体涉及一种分块式多波段滤镜的掩膜板成像系统。
技术背景
传统相机由于存在复杂的镜头，导致整个相机体积庞大，这便限制了相机的应用。例如，在航天遥感成像中通常要求相机要有较小的质量，在生物医学成像(医疗胃镜等)中常常要求相机有较小的体积，在这些情况下传统相机便无能为力。因此，如何实现超薄无透镜成像是光学成像领域的一个重要研究方向。掩膜板相机由掩膜板和光电传感器阵列组成，是一种新型超薄无透镜相机。其厚度只有几个毫米。因此，掩膜板相机在科学探索、航天遥感、监视侦察和生物医学成像等领域中具有重大研究价值和重要的科学意义。
然而，传统多波段滤镜为马赛克滤镜，即各波段滤光片交替排列。这种排列方式，使同一波段的像元间隔增大一倍，限制了编码图像的像元角分辨率。导致复原图像清晰度低，图像质量差。因此，针对掩膜板相机的多波段滤镜设计仍有很大改进空间。
掩膜板相机研究涉及的文献有许晓锋.光学压缩编码成像及其复原算法研究[D].西安电子科技大学,2011；邵晓鹏,钟宬,杜娟,饶存存.多值压缩编码孔径超分辨率成像方法[J],光电子.激光,2012,23(06):1189-1195；DeWeert M J,Farm B P.Lensless coded-aperture imaging with separable Doubly-Toeplitz masks[J].Optical Engineering,2015,54(2):023102；Asif M S,Ayremlou A,Sankaranarayanan A,et al.Flatcam:Thin,lensless cameras using coded aperture and computation[J].IEEE Transactions onComputational Imaging,2017,3(3):384-397.
上述文献中许晓锋设计最优化迭代复原算法，实现图像的超分辨率重建；邵晓鹏等用多值掩膜板代替二值掩膜板来增强编码质量；DeWeert等人设计了可分离掩膜编码，降低了运算复杂度；Asif等人设计了条纹标定方法，提高了编码矩阵的准确度。这些研究分别从图像复原算法、掩膜板设计、标定方法方面改善了系统成像质量，但均未在多波段滤镜设计方面提出改进。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种分块式多波段滤镜的掩膜板成像系统，提升了掩膜板相机多波段成像质量，针对多波段滤镜进行特殊设计，在多波段滤镜的滤光片排布方式上提出了新的设计构思。
本发明采用的技术方案如下：
掩膜板成像系统包括掩膜板相机和分块式多波段滤镜，掩膜板相机结构如图1所示，其中1为掩膜板，2为光电传感器阵列，掩膜板由一块透明玻璃镀上金属膜制作而成，如图2所示，黑色区域为镀膜区域，镀膜区域不透光，白色区域为透光区域。光电传感器阵列是有多个光电传感器紧密阵列排布而成，掩膜板置于光电传感器阵列的探测面前方，光电传感器阵列的探测面布置有分块式滤镜；分块式滤镜具体为：将光电传感器的探测面划分为若干个区域，每个区域设置多个同一波段的滤光片，滤光片的数量和像元的数量相同，每个像元布置一个滤光片，如图3所示，其中3为滤光片，4为像元。
光电传感器探测面的每个像元通过掩膜板上的矩形孔阵列接收物方场景光线形成对物方场景的编码，经由分块式多波段滤镜滤光分出颜色光，再由光电传感器阵列接收获得编码图像，使用编码矩阵对编码图像进行解码复原出物方场景。
单个波段的编码图像可由公式(1)表示：
Y＝φLXφR T (1)
其中，Y为编码图像，X为物方图像，φL、φR为编码矩阵。
依据公式1可利用编码矩阵φL、φR从编码图像Y中复原出物方图像X。编码矩阵通过掩膜板、光电传感器和分块式多波段滤镜之间关系标定获得。
图4示出了传统的马赛克滤镜，单个波段的像元间隔是像元尺寸的2倍，对比下，本发明的多波段滤镜(如图3所示)，各波段滤光片连续分布，单个波段的像元间隔与像元尺寸相等。跟据光学成像原理，本发明能使编码图像具有更优的角分辨能力。
图5示出了本发明最小分辨角与马赛克滤镜最小分辨角。其中5为本发明多波段滤镜，6为马赛克滤镜，7为掩膜板。δ1为本发明单波段的最小分辨角，δ2为马赛克滤镜单波段的最小分辨角，可以看出本发明的最小分辨角较小，因此本发明获得的编码图像具有更高的角分辨率，进而使复原图像质量更高。
本发明与现有技术相比的优点在于：
一、相比传统的马赛克滤镜的结构，本发明能够充分利用光电传感器阵列像元分辨率，保障了编码图像的角分辨率，提高掩膜板相机多波段成像质量。
二、本发明为分块式滤镜，各波段滤光片连续排布，相比于各波段滤光片交替排布的马赛克滤镜，简化了滤镜加工工艺。
附图说明
图1是掩膜板相机结构示意图；
图2是掩膜板示意图；
图3是本发明多波段滤镜示意图；
图4是对比的马赛克滤镜示意图；
图5是本发明最小分辨角与马赛克滤镜最小分辨角示意图；
图6是示例性实施例1的物方图像；
图7是实施例1采用本发明滤镜设计的掩膜板相机对物方图像的成像结果；
图8是实施例1采用马赛克滤镜设计的掩膜板相机对物方图像的成像结果；
图中：1为掩膜板，2为光电传感器阵列。
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。
本发明具体实施包括掩膜板相机和分块式多波段滤镜，掩膜板相机结构如图1所示，其中1为掩膜板，2为光电传感器阵列，掩膜板由一块透明玻璃镀上金属膜制作而成，如图2所示，黑色区域为镀膜区域，镀膜区域不透光，白色区域为透光区域。光电传感器阵列是有多个光电传感器紧密阵列排布而成，掩膜板置于光电传感器阵列的探测面前方，光电传感器阵列的探测面布置有分块式滤镜。
光电传感器探测面的每个像元通过掩膜板上的矩形孔阵列接收物方场景光线形成对物方场景的编码，经由分块式多波段滤镜滤光分出颜色光，再由光电传感器阵列接收获得编码图像，使用编码矩阵对编码图像进行解码复原出物方场景。编码矩阵通过掩膜板、光电传感器和分块式多波段滤镜之间关系标定获得。
光电传感器阵列的像元只能通过掩膜板透光区域接收物方光线，因此在光电传感器阵列上形成了物方光线的编码：
Y＝φLXφR T (2)
其中，Y为光电传感器阵列输出的编码图像，X为物方图像，φL、φR为编码矩阵。依据公式1可利用编码矩阵φL、φR从编码图像Y中复原出物方图像X。
分块式滤镜具体为：将光电传感器的探测面划分为若干个区域，每个区域设置多个同一波段的滤光片，滤光片的数量和像元的数量相同，且光电传感器的探测面区域的每个像元布置一个滤光片，具体实施中不同的区域设置不同波段的滤光片。
具体实施中，将光电传感器阵列的探测面均匀划分为四个区域，四个区域分别设置红色波段、绿色波段、蓝色波段、全色波段的滤光片，每个区域的每个像元均布置一个滤光片，滤光片的数量和像元的数量相同，如图3所示。其中红色波段范围为：630～680nm；绿色波段范围为：525～600nm；蓝色波段范围为：450～515nm；全色波段范围为：500～680nm。
本发明方法实施的具体实施例和对比如下：
本发明使用图3所示分块式多波段滤镜作为掩膜版相机的滤镜，分别对图6所示三个物方图像成像，并以图4所示的马赛克滤镜为对比，说明本发明的有益效果。
对比的拜耳滤镜为马赛克滤镜，如图4所示，红色、绿色、蓝色和白色方块分别代表红色波段、绿色波段、蓝色波段和全色波段的滤光片，各波段滤光片交替排布。
本实施例中使用的掩膜板相机由VT-Nep1300GC相机的光电传感器阵列和金属光刻掩膜板组成。光电传感器阵列的像元间隔为10.6微米，分辨率为640*512。掩膜板尺寸为15mm*15mm。光电传感器阵列和掩膜板之间缝隙宽3.5mm。
首先对图6所示的物方图像成像，本实例将图6所示图像显示在一块显示屏上，图像尺寸为14.2cm*14.2cm，显示屏到掩膜板相机之间距离为39cm。使用本发明多波段滤镜的成像结果如图7所示，作为对比，使用图4所示马赛克滤镜的成像结果如图8所示。
使用结构相似性(SSIM)和峰值信噪比(PSNR)来评价成像质量，图像SSIM和PSNR定义如下：
Figure BDA0002056718040000041
其中x表示待评价图像，y表示参考图像，即显示在屏幕上的图像。μx、μy分别表示图像x和y的均值，σx、σy分别表示图像x和y的标准差，σxy代表图像x和y协方差。C1＝6.5025,C2＝58.5225。
Figure BDA0002056718040000051
其中，x表示待评价图像，y表示参考图像，即显示在屏幕上的图像。MSE为图像x和y的均方差。
SSIM和PSNR反映了待评价图像与参考图像的接近程度，值越大表示越接近，成像质量越好。马赛克滤镜成像结果和本发明成像结果的评价结果如表1所示。从表1中可以看出，对于图6中的a)、b)、c)三幅图像，本发明的成像结果优于马赛克滤镜成像结果。
表1马赛克滤镜成像结果和本发明成像结果对比
Figure BDA0002056718040000052
在光电传感器前放置拜耳滤镜，使每个像元只接受一个波段的光线，实现多波段成像。再从各个波段的编码图像中分别解码出物方图像的各波段分量，例如从红色波段的编码图像中解码出物方红色波段图像。
单个波段的滤光片阵列依然为矩形阵列，符合掩膜板相机成像原理。然而，单波段的像元间隔较原来增大了一倍，导致编码图像的角分辨率下降，影响图像复原质量。对比下，本发明的拜耳滤镜设计方案如图4所示，各波段滤光片连续分布，单个波段的滤光片阵列依然为矩形阵列，但是单波段的像元间隔较原来减小了一倍，依据掩膜板相机编码成像各波段像元仍可以获得编码图像，并由编码矩阵复原出更高分辨率质量的物方图像的各波段分量。
在上述实施例中，使用本发明的多波段滤镜作为掩膜板相机的拜耳滤镜可以对物方图像进行多波段成像。与同等条件下使用马赛克滤镜成像相比，成像质量更高。

Claims (4)

1.一种分块式多波段滤镜的掩膜板成像系统，其特征在于：包括掩膜板相机和分块式多波段滤镜，所述的掩膜板相机为由掩膜板和光电传感器阵列组成的无透镜相机，光电传感器阵列是有多个光电传感器紧密阵列排布而成，掩膜板置于光电传感器阵列的探测面前方，光电传感器阵列的探测面布置有分块式滤镜；分块式多波段滤镜采用滤光片分块式布置，每个波段对应的滤光片连续排列；
所述分块式滤镜具体为：将光电传感器阵列的探测面划分为若干个区域，每个区域设置多个同一波段的滤光片，滤光片的数量和像元的数量相同，每个像元布置一个滤光片。
2.根据权利要求1所述的一种分块式多波段滤镜的掩膜板成像系统，其特征在于：所述的光电传感器探测面的每个像元通过掩膜板上的矩形孔阵列接收物方场景光线形成对物方场景的编码，经由分块式多波段滤镜滤光分出颜色光，再由光电传感器阵列接收获得编码图像，使用编码矩阵对编码图像进行解码复原出物方场景，所述的编码矩阵通过掩膜板、光电传感器和分块式多波段滤镜之间关系标定获得。
3.根据权利要求1所述的一种分块式多波段滤镜的掩膜板成像系统，其特征在于：所述波段包括但不限于黄色、红色、绿色、蓝色、紫色和全色波段。
4.根据权利要求1所述的一种分块式多波段滤镜的掩膜板成像系统，其特征在于：将光电传感器阵列的探测面均匀划分为四个区域，四个区域分别设置红色波段、绿色波段、蓝色波段、全色波段的滤光片，每个区域的每个像元均布置一个滤光片，滤光片的数量和像元的数量相同。
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