CN111650759A - 近红外光斑投影的多焦距微透镜阵列遥感光场成像系统 - Google Patents

近红外光斑投影的多焦距微透镜阵列遥感光场成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种近红外光斑投影的多焦距微透镜阵列遥感光场成像系统，其特征在于，包括近红外光斑投影装置(100)、光场成像组件(200)；其中，所述近红外光斑投影装置(100)，用于在观测目标上散布近红外光斑，增加目标图像的纹理信息；所述光场成像组件(200)，用于对附加了纹理信息的目标场景光线进行成像。本发明能够提高目标景深探测范围的新型遥感光场成像、特别是能够实现弱纹理目标的表面重构。

Description

近红外光斑投影的多焦距微透镜阵列遥感光场成像系统
技术领域
本发明涉及一种近红外光斑投影的多焦距微透镜阵列遥感光场成像系统，能够提高目标景深探测范围的新型遥感光场成像手段、特别是能够实现遥感弱纹理目标的表面重构，主要设计提出了一种近红外光斑投影的多焦距微透镜阵列的光场相机结构，可以有效地提升相机的观测景深范围。其次借助于近红外光斑的投影装置，在被测物体表面投影人眼安全的近红外波段纹理图案，可以在被探测目标表面缺乏纹理信息时增加纹理信息，提高对弱纹理探测目标三维重建的精度。
背景技术
在遥感与摄影测量领域，对目标三维重建的传统方法是基于单个成像设备对目标进行多角度拍摄，在获取的多角度图像上进行目标表面重构。多视角拍摄则意味着相机获取的数据量越大、数据信息越多，同时导致三维重建的耗时越久，效率更低。目前利用普通相机拍摄出的单张影像信息并不能提供完善且真实的三维信息，仍然不能满足当前工程化的应用要求，而光场相机不同于传统相机，它能够在同一个曝光周期内采样得到同一物点向空间反射或发射的多条光线，再通过这些光线信息构建出场景的三维模型。在内部结构上光场相机在主镜头与感光传感器之间置有数万小透镜的微透镜阵列，这一微透镜阵列可以接受来自主透镜的光线并成像于感光器件上，可以更快地实现三维重建。
现有遥感与摄影测量领域中，三维重建通常采用多视几何的手段，将相机看成小孔成像模型，获取同一物点的光线信息进行几何位置结构计算从而恢复物理世界的三维场景。即通过多个视角相机对物体的拍摄，借助多张包含二维信息的影像构建出原始三维信息，但是能够成功进行三维重建的前提则是必须保证二维信息的有效匹配，此外相机的相对位置姿态需要事先进行标定，而且使用单目相机进行多次观测来进行模拟多目相机则不能够有效地对运动目标进行三维重建。微透镜阵列光场相机则可以有效避免上述的情况，作为一种特殊结构的光学相机，通过微透镜对光线的重复采样，光场相机能够在同一个曝光周期内采样得到同一物点向空间反射或发射的多条光线，这些光线信息即组成物体的光场信息，借助光场信息实现单相机单影像的三维信息重建。
国外在2002年，阵列型光场相机的硬件原型是由MIT视觉实验室首次提出，使用64个相机构建出8*8的相机阵列，但是阵列型光场相机的体积过于庞大，不够便携。而在2011年，世界上第一台便携式微透镜光场相机LYTRO的原型则是由Ren Ng和Marc Levoy等人基于微透镜阵列的成像原理开发。
但是目前来看，传统的光场成像手段对于目标观测的景深范围仍然十分有限，同时在三维深度重建的过程中，纹理信息的缺乏一直是三维重建效果差的一个重要因素。而本发明通过借助于近红外的光斑投影装置，能够在自然条件下增加弱纹理目标的纹理信息，从而能够更好地重建出弱纹理目标的面型三维信息，同时能够保留物体的真实彩色。而另一方面借助于多焦距微透镜阵列，可以有效地拓展光场相机的观测景深范围。因而本发明可以广泛用于遥感三维成像领域，通过多焦距微透镜阵列对弱纹理目标光场信息的采样，实现单相机单影像的三维信息重建，在目标纹理信息较弱的情况下，更为准确地提取观测目标的三维信息和颜色信息。
单相机三维成像是未来遥感立体成像的最根本目标，光场成像方法可以实现立体成像的目标。但首先是其物理装置的实现，利用精密光场成像来实现遥感与摄影测量领域内弱纹理无纹理对象的精确三维重建，解决常规遥感摄影测量方法无法有效重建少纹理目标的难题。如今遥感与摄影测量领域的平台已经不再局限于卫星和高空载人飞机。随着轻小型无人机的发展，依靠小型无人机在贴近测量目标仅数米的距离内拍摄，对峡谷、建筑等的垂直面进行三维重建时有很大优势。本发明涉及的光场成像系统具有轻小型的特点，因此非常适合搭载于小型无人机上进行目标的三维重建与深度测量。
发明内容
为了实现光场相机对于较大物空间范围的高精度深度观测，以及提高对于弱纹理目标的三维重建效果，本发明提出了一种近红外光斑投影的多焦距微透镜阵列遥感光场成像系统，能够提高目标景深探测范围的新型遥感光场成像、特别是能够实现弱纹理目标的表面重构。本发明设计提出了一种基于多焦距微透镜阵列的光场相机结构，可以有效地提升相机的观测景深范围；其次借助于近红外光斑的投影装置，在被测物体表面投影人眼安全的近红外波段纹理图案，可以在被探测目标表面缺乏纹理信息时增加纹理信息，提高对探测目标三维重建的精度。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
近红外光斑投影的多焦距微透镜阵列遥感光场成像系统，主要包括：
近红外光斑投影装置，包括近红外LED光源、聚光球面反射镜、聚光透镜、投影薄片、投影物镜，用于在观测目标上散布近红外光斑，主动增加目标图像的纹理信息，光斑图样由投影薄片上的图案决定；
光场成像组件包括同时响应可见光和近红外波段的图像探测器、多焦距微透镜单元组合的微透镜阵列、成像物镜。主透镜可以将物方的成像景深有效的压缩至像方空间，这一像方景深空间能被微透镜与探测器结构组成的微型相机阵列所观测。同时工作时附加了投影图案的目标场景光线，经过成像物镜和微透镜阵列，成像于图像探测器上。所述图像探测器接收的图像为目标原本图像叠加近红外光斑图案。
所述光斑投影装置的近红外光源为高亮度的近红外波段的LED，且LED光源的一侧放置球面反射镜，为非输出侧，光源置于球面反射镜球心处，防止非出光侧光能浪费。光斑投影装置的聚光系统包括两个环节，球面反射镜和聚光透镜，球面反射镜将反向光线反射，增强出光方向的光亮度，聚光透镜将光源的光汇聚成像在投影薄片上，实现对投影薄片的照明。
所述光斑投影装置的投影物镜，将照明后的投影薄片成像于远处的观测目标上，布散投影薄片上的光斑图案。
本发明采用微透镜结构进行相机的搭建，可以有效的降低成本，且由于微透镜加工技术的进步，透镜的直径加工精度可以达到1微米，曲率半径的设计误差可以控制在5％以内，满足光场相机的生产的需求，所述多焦距微透镜阵列置于图像探测器的入光侧，而成像物镜置于微透镜阵列的入光侧，用于汇聚被观测物体的光并将其投射到所述微透镜阵列。
所述多焦距微透镜阵列，其特征在于不同阵列排布的三种焦距的微透镜单元，每个所述微透镜单元对应图像传感器上的多个感光单元，且所述微透镜阵列位置与CCD或CMOS的探测器之间的距离等于中焦距微透镜单元的焦距，这是为了能够让微透镜下覆盖的探测器单元恰好采集经过主透镜折射的光线，既不会造成探测器单元的浪费，也不会造成相邻两个微透镜覆盖的探测器单元发生成像发生混叠，从而导致像素不可用。
所述的多焦距微透镜阵列有三种满足要求的模式，包括：双焦距微透镜单元正交排布、双焦距微透镜阵列正六边形排布、三焦距微透镜单元正六边形排布。对于多焦距微透镜系统，通过设置合理的微透镜的焦长可以有效的拓展景深范围。因而通过全聚焦来计算物点深度时，可以还原比单焦距系统更加清晰的全聚焦影像。
本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：
1、光场相机的三维重建原理在于记录空间中光线的方向和颜色信息，特别是通过微透镜相机阵列能够对同一物点发射或者反射的光线进行采样从而形成光场分布，进而能够进行三维成像。而微透镜光场相机可以看成是一个二次成像系统，相机经过前置的主透镜完成物像的转换，通过微透镜与探测器组成的微相机系统对像方空间进行二次光场采样。本发明通过微透镜结构光场相机进行分析，构建一套进行三维成像的多焦距微透镜相机系统，主要元器件包括探测器阵列、多焦距微透镜阵列以及成像物镜。对于多焦距微透镜系统，通过设置合理的微透镜的焦长可以有效的拓展相机的景深范围。因而通过全聚焦计算时，可以还原比单焦距系统更加清晰的全聚焦影像。
2、本发明对利用光斑投影装置投射纹理图案在物体的表面，能主动地丰富物体表面的纹理信息，从而提升三维重建的匹配精度，进而提高光场相机深度测量的精度。利用投影装置投射纹理图案在物体的表面，能主动地丰富物体表面的纹理信息，提升匹配精度，进而提高光场相机的深度测量精度。为了保证使用时人眼安全，所用的光源为800nm左右的近红外波段。在此波段上普通的可见光CCD探测器也具有很好的响应，不必使用专门的红外探测器，从而能够有效节约成本。
3、本发明首先将微透镜技术、摄影测量、计算机视觉相关理论结合起来，本发明提出了一种主动投影和多焦距微透镜阵列的光场相机系统，该发明具有一定的开拓性与实用性，可以广泛用于弱纹理目标的三维重建。
附图说明
图1为本发明实施案例提供的多焦距微透镜阵列的近红外光场相机结构示意图；
图2为本发明实施案例提供的双焦距正交排列微透镜阵列结构示意图；
图3为本发明实施案例提供的双焦距正六边形排列微透镜阵列结构示意图；
图4为本发明实施案例提供的三焦距正六边形排列微透镜阵列结构示意图；
其中，10-多焦距微透镜阵列的近红外光斑投影光场相机；100-近红外光斑投影装置；110-球面反射镜；120-近红外LED光源；130-聚光透镜；140-投影图案薄片；150-投影物镜；200-光场成像系统；210-图像探测器；220-多焦距微透镜阵列；230-成像物镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，现对本发明实施例提供的多焦距微透镜阵列的近红外光斑投影光场相机进行说明：
近红外光斑投影装置100包括沿光路方向布置的球面反射镜110、近红外LED光源120、聚光透镜130、投影薄片140、投影物镜150，与光场成像组件(200)为组合固定在一起或可拆卸分离分别部署，这一装置主要将投影薄片上的图样投影到观测目标上，增加目标纹理信息。
进一步地，近红外光源120需要置于球面反射镜110的球心处，防止非出光侧光能浪费。所以光源的光经球面反射镜反射后成像于原光源位置。
进一步地，光源120和投影薄片140位于聚光透镜130的一对共轭像平面上，因此光源经聚光透镜成的像与投影薄片重合。光源120可以是一个LED光源或数个LED组成的阵列。聚光镜130可以是单片透镜或多透镜组。投影薄片140为不透明材料刻上镂空图案或者透明材料涂抹不透明涂料形成透光图案。
进一步地，投影物镜150将被照明的投影薄片140成像投影与远处的待观测目标物上。投影物镜150可为单片透镜或多透镜镜组。
参见图1，多焦距光场成像组件200由图像探测器210、多焦距微透镜阵列220以及成像物镜230组成。
其中，图像探测器210为对可见光和近红外光均有响应的CCD探测器或CMOS探测器。
多焦距微透镜阵列220可为图2的双焦距单元正交排列、图3的双焦距单元正六边形排列、图4的三焦距正六边形排列，其微透镜单元可为双凸结构或平凸结构。
成像物镜230为多透镜组，可为定焦镜组也可以为变焦镜组，用于收集目标环境的光线并将其投射到多焦距微透镜阵列。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种近红外光斑投影的多焦距微透镜阵列遥感光场成像系统，其特征在于，包括近红外光斑投影装置(100)、光场成像组件(200)；其中，所述近红外光斑投影装置(100)，用于在观测目标上散布近红外光斑，增加目标图像的纹理信息；所述光场成像组件(200)，用于对附加了纹理信息的目标场景光线进行成像。
2.如权利要求1所述的多焦距微透镜阵列遥感光场成像系统，其特征在于，所述近红外光斑投影装置(100)包括依次排列的球面反射镜(110)、近红外LED光源(120)、聚光透镜(130)、投影图案薄片(140)、投影物镜(150)，用于将投影图案薄片(140)上的图样投影到待观测目标上，增加目标纹理信息。
3.如权利要求2所述的多焦距微透镜阵列遥感光场成像系统，其特征在于，所述近红外LED光源(120)置于球面反射镜(110)的球心处，且近红外LED光源(120)和投影图案薄片(140)位于聚光透镜(130)的一对共轭像平面上，使得近红外LED光源(120)经球面反射镜(110)成的像与投影图案薄片(140)重合；投影物镜(150)用于将被照明的投影图案薄片(140)成像投影于待观测目标物上。
4.如权利要求3所述的多焦距微透镜阵列遥感光场成像系统，其特征在于，所述投影图案薄片(140)为不透明材料刻上镂空图案或者透明材料涂抹不透明涂料形成透光图案。
5.如权利要求1所述的多焦距微透镜阵列遥感光场成像系统，其特征在于，所述光场成像组件(200)包括依次排列的图像探测器(210)、多焦距微透镜阵列(220)和成像物镜(230)；其中，成像物镜(230)用于将待观测目标的成像景深压缩至像方空间，像方景深空间被图像探测器(210)与多焦距微透镜阵列(220)组成的微型相机阵列观测接收，将附加了纹理信息的目标场景光线依次经过成像物镜(230)、多焦距微透镜阵列(220)成像于图像探测器(210)上。
6.如权利要求5所述的多焦距微透镜阵列遥感光场成像系统，其特征在于，所述图像探测器(210)为对可见光和近红外光均有响应的CCD探测器或CMOS探测器；所述多焦距微透镜阵列(220)的微透镜单元为双凸结构或平凸结构，各微透镜单元为双焦距单元正交排列、双焦距单元正六边形排列或三焦距正六边形排列；所述成像物镜(230)为定焦镜组或变焦镜组构成的多透镜组，用于收集目标环境的光线并成像。
7.如权利要求1所述的多焦距微透镜阵列遥感光场成像系统，其特征在于，所述近红外光斑投影装置(100)与光场成像组件(200)为组合固定在一起或可拆卸分离分别部署。
8.一种用于三维成像的多焦距微透镜相机系统，其特征在于，包括依次排列的图像探测器(210)、多焦距微透镜阵列(220)和成像物镜(230)；成像物镜(230)用于将待观测目标的成像景深压缩至像方空间，完成物像的转换；像方景深空间被图像探测器(210)与多焦距微透镜阵列(220)组成的微型相机阵列观测接收，将附加了纹理信息的目标场景光线依次经过成像物镜(230)、多焦距微透镜阵列(220)成像于图像探测器(210)上，完成对像方空间的二次光场采样。
9.如权利要求8所述的多焦距微透镜相机系统，其特征在于，所述多焦距微透镜阵列(220)的微透镜单元为双凸结构或平凸结构，各微透镜单元为双焦距单元正交排列、双焦距单元正六边形排列或三焦距正六边形排列。
10.如权利要求8所述的多焦距微透镜相机系统，其特征在于，所述图像探测器(210)为对可见光和近红外光均有响应的CCD探测器或CMOS探测器；所述成像物镜(230)为定焦镜组或变焦镜组构成的多透镜组，用于收集目标环境的光线并成像。
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