CN115423713A - 高动态焦平面探测器的制作方法及高动态图像获取方法 - Google Patents

高动态焦平面探测器的制作方法及高动态图像获取方法 Download PDF

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CN115423713A CN202211071223.8A CN202211071223A CN115423713A CN 115423713 A CN115423713 A CN 115423713A CN 202211071223 A CN202211071223 A CN 202211071223A CN 115423713 A CN115423713 A CN 115423713A
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Abstract

本发明公开了一种高动态焦平面探测器的制作方法，通过设计基底、第1种中性密度衰减膜和第2种中性密度衰减膜的光学透过率，制作2×2栅格周期排布的四通道中性密度衰减片阵列光学器件，采用悬空式集成四通道中性密度衰减片阵列光学器件至探测器的焦平面，形成高动态焦平面探测器，对高动态焦平面探测器输出的四类通道的原始图像进行图像超分辨重构得到四幅全分辨率图像，对四类通道的全分辨率图像进行透过率归一化处理得到四幅归一化图像，最后由四幅归一化图像合成高动态场景图像，具有制造工艺简单、结构紧凑、集成度高、可快照式成像、成本低的优点。

Description

高动态焦平面探测器的制作方法及高动态图像获取方法
技术领域
本发明属于光电成像技术领域，具体涉及一种高动态焦平面探测器的制作方法及高动态图像获取方法。
背景技术
在户外高动态场景下，为了获得高动态照片，行业界常见的技术途径是多帧不同曝光图像融合方案。例如，文献(专利公布号：CN 105163047A)公开的方案中，先拍摄不同曝光设置的多帧图像作为输入(通常为短曝光、正常曝光、长曝光三帧图像)，再通过相机响应曲线将三帧输入图像转换为三帧场景的真实亮度图，然后进行配准鬼影检测操作将三帧图像合成为一帧高动态范围图像。例如，文献(专利公布号：CN 108391059A)公开的方案中根据对终端设备的状态信息和拍摄场景信息的判断结果，选择不同的图像处理模式，通过不同的曝光值和不同的图像融合模式来获得更好的合成图像。例如，文献(专利公布号：CN108419023A)公开的方案中通过获取针对同一拍摄场景的第一图像帧序列和第二图像帧序列，根据第一图像帧序列对第二图像帧序列进行合成得到高动态范围图像。多帧不同曝光图像融合方案，在运动场景条件下，由于用于合成高动态图像的多帧图像之间的运动偏移，导致合成后高动态图像存在鬼影和错位。
针对运动场景产生的鬼影问题，行业界给出技术方案。例如，文献(专利公开号：CN103546673B)提出利用运动矢量补偿的高动态范围成像方法，以预定间隔提取运动场景在预定间隔中的运动矢量，利用运动矢量对拍照图像进行运动补偿，利用多张运动补偿后的图像来合成高动态图像；所提方法由于运动场景中目标运动的速度和方向具有多样性，难以对场景的运动矢量精确估计，从而无法有效消除鬼影。文献(授权专利公开号：CN104702971B)提出利用多台相机分别优选不同的曝光时间，同时采集多帧图像来生成高动态图像；所述方法由于采用了多台相机，造成高动态成像装置的体积大和成本高。
但是，如何制造工艺简单、结构紧凑、集成度高、可快照式成像、成本低的高动态焦平面探测器成为了亟待解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高动态焦平面探测器的制作方法及高动态图像获取方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开一种高动态焦平面探测器的制作方法，包括如下步骤：
S11：设计基底的工作波段、第1种中性密度衰减膜和第2种中性密度衰减膜的光学透过率；
S12：利用所述基底、所述第1种中性密度衰减膜和所述第2种中性密度衰减膜制作2×2栅格周期排布的四通道中性密度衰减片阵列光学器件，所述四通道中性密度衰减片阵列光学器件包括多个呈阵列排布的四通道中性密度衰减片单元块，其中每个所述四通道中性密度衰减片单元块包括2×2个具有不同光学透过率的中性密度衰减片单元；
S13：将所述四通道中性密度衰减片阵列光学器件以悬空式集成至焦平面探测器的焦平面，形成高动态焦平面探测器。
作为本发明的一种优选实施方式：所述基底的工作波段、所述第1种中性密度衰减膜和所述第2种中性密度衰减膜的光学透过率满足的约束条件包括：
所述基底的工作波段范围覆盖探测器的工作波段范围；
所述第1种中性密度衰减膜的光学透过率高于所述第2种中性密度衰减膜的光学透过率。
作为本发明的一种优选实施方式：步骤S12包括：
S121：在基底上镀制呈梳状周期排布的多条所述第1种中性密度衰减膜；
S122：沿着所述第1种中性密度衰减膜延展方向的垂直方向，在所述基底上镀制呈梳状周期排布的所述第2种中性密度衰减膜，形成所述四通道中性密度衰减片阵列光学器件。
作为本发明的一种优选实施方式：所述四通道中性密度衰减片阵列光学器件中任意所述中性密度衰减片单元块中的四个通道具有不同的光学透过率。
作为本发明的一种优选实施方式：所述在基底上镀制呈梳状周期排布的所述第1种中性密度衰减膜和所述第2种中性密度衰减膜分布于所述基底的同一表面、不同表面中的任意一种。
作为本发明的一种优选实施方式：多条所述第1种中性密度衰减膜在所述基底表面呈梳状周期排布，其中单条所述第1种中性密度衰减膜的宽度等于其排布周期的1/2；多条所述第2种中性密度衰减膜在所述基底表面呈梳状周期排布，其中单条所述第2种中性密度衰减膜的宽度等于其排布周期的1/2。
作为本发明的一种优选实施方式：步骤S13包括：
S131：在所述焦平面探测器的焦平面的光敏面的周边设置凸台，将所述四通道中性密度衰减片阵列光学器件设置在所述焦平面探测器的凸台上，以使所述四通道中性密度衰减片阵列光学器件与所述焦平面探测器的像元阵列之间具有轴向间隙，其中，所述四通道中性密度衰减片阵列光学器件与所述焦平面探测器的像元阵列对齐，所述焦平面探测器的每个像元在空间上对准一个中性密度衰减片单元；
S132：在四通道中性密度衰减片阵列与焦平面探测器的像元阵列的相对位置对准状态下，通过在所述四通道中性密度衰减片阵列光学器件的侧面点胶固化，形成所述高动态焦平面探测器。
作为本发明的一种优选实施方式：所述高动态焦平面探测器包括四类通道的像元，所述四类通道的像元包括第1类通道像元、第2类通道像元、第3类通道像元、第4类通道像元，其中，所述第1类通道像元为未经所述第1种中性密度衰减膜作用且未经所述第2种中性密度衰减膜作用的像元，所述第2类通道像元为经过所述第1种中性密度衰减膜作用且未经所述第2种中性密度衰减膜作用的像元，所述第3类通道像元为未经所述第1种中性密度衰减膜作用且经过所述第2种中性密度衰减膜作用的像元，所述第4类通道像元为经过所述第1种中性密度衰减膜作用且经过所述第2种中性密度衰减膜作用的像元。
本发明实施例还提供一种高动态图像获取方法，包括如下步骤：
S21：标定上述任一项实施例所述的高动态焦平面探测器的制作方法所制备的所述高动态焦平面探测器的四类通道的相对光学透过率，其中，第c个通道像元对应的相对光学透过率τc的计算公式为：
Figure BDA0003830418810000041
其中，mc表示在白光照射条件下第c类通道所有像元像素值的平均值，mk表示在白光照射条件下第k类通道所有像元像素值的平均值；
S22：获取所述高动态焦平面探测器输出的四类通道的原始图像，其中，第1类通道在保持所有像元空间相对位置不变条件下所有的输出值构成原始图像A1，第2类通道在保持所有像元空间相对位置不变条件下所有的输出值构成原始图像A2，第3类通道在保持所有像元空间相对位置不变条件下所有的输出值构成原始图像A3，第4类通道在保持所有像元空间相对位置不变条件下所有的输出值构成原始图像A4；
S23：利用图像超分辨方法对所述原始图像A1、所述原始图像A2、所述原始图像A3、所述原始图像A4分别进行图像超分辨处理，对应得到全分辨率图像B1、全分辨率图像B2、全分辨率图像B3、全分辨率图像B4；
S24：对所述全分辨率图像B1、所述全分辨率图像B2、所述全分辨率图像B3、所述全分辨率图像B4分别进行透过率归一化处理，对应得到归一化图像J1、归一化图像J2、归一化图像J3、归一化图像J4，其中归一化图像Jc的计算公式为：
Jc(i,j)＝Bc(i,j)/τc，c∈{1,2,3,4}
其中，(i,j)表示像素在各通道图像中的坐标位置，Bc(i,j)表示全分辨率图像Bc在坐标(i,j)处的像素值，Jc(i,j)表示归一化图像Jc在坐标(i,j)处的像素值；
S25：由所述归一化图像J1、所述归一化图像J2、所述归一化图像J3、所述归一化图像J4合成为高动态图像F，其中所述高动态图像F的像素值F(i,j)的赋值规则为：
Figure BDA0003830418810000051
其中，b表示图像亮度的比特数。
作为本发明的一种优选实施方式：图像亮度的比特数b的取值为10。
作为本发明的一种优选实施方式：所述图像超分辨方法为基于图像插值、基于机器学习、基于深度学习三类方法中任何一种。
本发明有益效果是：
本发明通过设计基底、第1种中性密度衰减膜和第2种中性密度衰减膜的光学透过率，制作2×2栅格周期排布的四通道中性密度衰减片阵列光学器件，采用悬空式集成四通道中性密度衰减片阵列光学器件至探测器的焦平面，形成高动态焦平面探测器，对高动态焦平面探测器输出的四类通道的原始图像进行图像超分辨重构得到四幅全分辨率图像，对四类通道的全分辨率图像进行透过率归一化处理得到四幅归一化图像，最后由四幅归一化图像合成高动态场景图像，具有制造工艺简单、结构紧凑、集成度高、可快照式成像、成本低的优点。
附图说明
图1是本发明提出的一种高动态焦平面探测器制作方法和高动态图像获取方法的流程图；
图2是本发明提出的一种四通道中性密度衰减片阵列光学器件的分层示意图；
图3是本发明提出的一种高动态焦平面探测器的分层示意图。
附图标记说明：
101-基底；102-第1种中性密度衰减膜；103-第2种中性密度衰减膜；104-四通道中性密度衰减片阵列光学器件；105-焦平面探测器；106-探测器的像元阵列；107-凸台；108-高动态焦平面探测器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参见图1、图2和图3，图1是本发明提出的一种高动态焦平面探测器制作方法和高动态图像获取方法的流程图，图2是本发明提出的一种四通道中性密度衰减片阵列光学器件的分层示意图，图3是本发明提出的一种高动态焦平面探测器的分层示意图。本发明实施例提出一种高动态焦平面探测器的制作方法，针对工作波段范围为0.4-1.1μm的低照度焦平面探测器，用于设计一种高动态焦平面探测器，该高动态焦平面探测器制作方法包括以下步骤：
S11：设计基底的工作波段、第1种中性密度衰减膜和第2种中性密度衰减膜的光学透过率。
具体地，本实施例中焦平面探测器105选用工作波段为0.4-1.1μm的低照度焦平面探测器，基底101可选用工作波段范围覆盖0.4-1.1μm的玻璃基底，基底101优选K9玻璃作为基底，还可以选用K7或F5玻璃作为基底。第1种中性密度衰减膜102的光学透过率设计为0.4，第2种中性密度衰减膜103的光学透过率设计为0.1。
S12：制作2×2栅格周期排布的四通道中性密度衰减片阵列光学器件。
具体地，如图2所示，在透明玻璃的基底101的表面上镀制呈梳状周期排布的多条第1种中性密度衰减膜102、在镀制有第1种中性密度衰减膜102的表面上，沿着第1种中性密度衰减膜102延展方向的垂直方向上镀制呈梳状周期排布的多条第2种中性密度衰减膜103，第1种中性密度衰减膜102和第2种中性密度衰减膜103的延展方向相互垂直分布，形成四通道中性密度衰减片阵列光学器件104。
S13：采用悬空式集成四通道中性密度衰减片阵列光学器件至探测器的焦平面，形成高动态焦平面探测器。
具体地，如图3所示，作为本发明的一种优选实施方式：所述采用悬空式集成四通道中性密度衰减片阵列光学器件104至焦平面探测器105的焦平面，形成高动态焦平面探测器108，包括如下步骤：
S21：利用倒装芯片键合机设备保证四通道中性密度衰减片阵列光学器件104与焦平面探测器105的像元阵列106对齐，使得焦平面探测器的每个像元在空间上对准一个中性密度衰减片单元；
S22：在焦平面探测器的光敏面的周边设置陶瓷材料的凸台107，使得四通道中性密度衰减片阵列光学器件104与焦平面探测器的像元阵列106在集成后保持轴向间隙小于20μm(轴向间隙等于凸台的高度)；
S23：在微滤光片阵列与焦平面探测器的像元阵列106的相对位置对准状态下，通过在中性密度衰减片阵列光学器件104的侧面点胶固化。
本发明实施例中，焦平面探测器的工作波段为0.4-1.1μm，K9玻璃基底的工作波段为0.35-2.0μm。
本发明实施例中，多条第1种中性密度衰减膜102在基底101表面上呈梳状周期的排布，单条第1种中性密度衰减膜102的排布周期为24μm，单条第1种中性密度衰减膜102的宽度为12μm，单条第1种中性密度衰减膜102的宽度等于其排布周期的1/2，即第1种中性密度衰减膜102的宽度等于两条第1种中性密度衰减膜102之间的距离。
本发明实施例中，多条第2种中性密度衰减膜103在基底101表面上呈梳状周期的排布，单条第2种中性密度衰减膜103的排布周期为24μm，单条第2种中性密度衰减膜103的宽度为12μm，单条第2种中性密度衰减膜103的宽度等于其排布周期的1/2，即第2种中性密度衰减膜103的宽度等于两条第2种中性密度衰减膜103之间的距离。
本发明实施例中，焦平面探测器105可以选用帧曝光CMOS焦平面探测器，工作波段为0.4-1.1μm，帧曝光CMOS焦平面探测器的面阵大小为1280×1080，像元尺寸为12μm×12μm。
本发明实施例中，选用倒装芯片键合机设备保证四通道中性密度衰减片阵列光学器件104与焦平面探测器105的像元阵列106对齐，使得焦平面探测器的每个像元在空间上对准一个中性密度衰减片单元。
本发明实施例中，通过在微滤光片阵列光学器件104的侧面点紫外胶，通过紫外灯曝光固化紫外胶。
请再次参见图1，本实施例还在上述实施例所述的高动态焦平面探测器制作方法的基础上提出一种高动态图像获取方法，该高动态图像获取方法包括如下步骤：
S31：标定四类通道的相对光学透过率。第c个通道像元对应的相对光学透过率τc计算公式为：
Figure BDA0003830418810000091
其中，mc表示在白光照射条件下第c类通道所有像元像素值的平均值，mk表示在白光照射条件下第k类通道所有像元像素值的平均值。
S32：获得高动态焦平面探测器输出的四类通道的原始图像。利用上述任一项实施例所述的高动态焦平面探测器的制作方法所制作的高动态焦平面探测器中，第1类通道在保持所有像元空间相对位置不变条件下所有的输出值构成原始图像A1；第2类通道在保持所有像元空间相对位置不变条件下所有的输出值构成原始图像A2；第3类通道在保持所有像元空间相对位置不变条件下所有的输出值构成原始图像A3；第4类通道在保持所有像元空间相对位置不变条件下所有的输出值构成原始图像A4。原始图像A1、原始图像A2、原始图像A3、原始图像A4的图像分辨率均为640×540。
S33：四类通道图像的超分辨处理。利用图像超分辨方法对原始图像A1、原始图像A2、原始图像A3、原始图像A4分别进行图像超分辨处理，分别得到全分辨率图像B1、全分辨率图像B2、全分辨率图像B3、全分辨率图像B4。全分辨率图像B1、全分辨率图像B2、全分辨率图像B3、全分辨率图像B4的图像分辨率均为1280×1080。
S34：四类通道的全分辨率图像的透过率归一化处理。对全分辨率图像B1、全分辨率图像B2、全分辨率图像B3、全分辨率图像B4分别进行透过率归一化处理，分别得到归一化图像J1、归一化图像J2、归一化图像J3、归一化图像J4，其中归一化图像Jc的计算公式为：
Jc(i,j)＝Bc(i,j)/τc，c∈{1,2,3,4}
其中，(i,j)表示像素在各通道图像中的坐标位置，Bc(i,j)表示全分辨率图像Bc在坐标(i,j)处的像素值，Jc(i,j)表示归一化图像Jc在坐标(i,j)处的像素值。
S35：四幅归一化图像合成高动态场景图像。由归一化图像J1、归一化图像J2、归一化图像J3、归一化图像J4合成为高动态图像F，其中高动态图像F的像素值F(i,j)的赋值规则为：
Figure BDA0003830418810000111
其中，上标b表示图像亮度的比特数。
作为本发明的一种优选实施方式：图像超分辨方法为基于图像插值、基于机器学习、基于深度学习三类方法中任何一种。
本发明实施例中，优选地选用图像超分辨方法为双三次样条插值方法。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对于这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的。本发明将不会被限制与本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，这些变化涉及本领域技术人员所熟知的相关技术，这些都落入本发明专利的保护范围。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种高动态焦平面探测器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S11：设计基底的工作波段、第1种中性密度衰减膜和第2种中性密度衰减膜的光学透过率；
S12：利用所述基底、所述第1种中性密度衰减膜和所述第2种中性密度衰减膜制作2×2栅格周期排布的四通道中性密度衰减片阵列光学器件，所述四通道中性密度衰减片阵列光学器件包括多个呈阵列排布的四通道中性密度衰减片单元块，其中每个所述四通道中性密度衰减片单元块包括2×2个具有不同光学透过率的中性密度衰减片单元；
S13：将所述四通道中性密度衰减片阵列光学器件以悬空式集成至焦平面探测器的焦平面，形成高动态焦平面探测器。
2.根据权利要求1所述的高动态焦平面探测器的制作方法，其特征在于，所述基底的工作波段、所述第1种中性密度衰减膜和所述第2种中性密度衰减膜的光学透过率满足的约束条件包括：
所述基底的工作波段范围覆盖探测器的工作波段范围；
所述第1种中性密度衰减膜的光学透过率高于所述第2种中性密度衰减膜的光学透过率。
3.根据权利要求1所述的高动态焦平面探测器的制作方法，其特征在于，步骤S12包括：
S121：在基底上镀制呈梳状周期排布的多条所述第1种中性密度衰减膜；
S122：沿着所述第1种中性密度衰减膜延展方向的垂直方向，在所述基底上镀制呈梳状周期排布的所述第2种中性密度衰减膜，形成所述四通道中性密度衰减片阵列光学器件。
4.根据权利要求1所述的高动态焦平面探测器的制作方法，其特征在于，所述四通道中性密度衰减片阵列光学器件中任意所述中性密度衰减片单元块中的四个通道具有不同的光学透过率。
5.根据权利要求3所述的高动态焦平面探测器的制作方法，其特征在于，所述在基底上镀制呈梳状周期排布的所述第1种中性密度衰减膜和所述第2种中性密度衰减膜分布于所述基底的同一表面、不同表面中的任意一种。
6.根据权利要求3所述的高动态焦平面探测器的制作方法，其特征在于，多条所述第1种中性密度衰减膜在所述基底表面呈梳状周期排布，其中单条所述第1种中性密度衰减膜的宽度等于其排布周期的1/2；多条所述第2种中性密度衰减膜在所述基底表面呈梳状周期排布，其中单条所述第2种中性密度衰减膜的宽度等于其排布周期的1/2。
7.根据权利要求1所述的高动态焦平面探测器的制作方法，其特征在于，步骤S13包括：
S131：在所述焦平面探测器的焦平面的光敏面的周边设置凸台，将所述四通道中性密度衰减片阵列光学器件设置在所述焦平面探测器的凸台上，以使所述四通道中性密度衰减片阵列光学器件与所述焦平面探测器的像元阵列之间具有轴向间隙，其中，所述四通道中性密度衰减片阵列光学器件与所述焦平面探测器的像元阵列对齐，所述焦平面探测器的每个像元在空间上对准一个中性密度衰减片单元；
S132：在四通道中性密度衰减片阵列与焦平面探测器的像元阵列的相对位置对准状态下，通过在所述四通道中性密度衰减片阵列光学器件的侧面点胶固化，形成所述高动态焦平面探测器。
8.根据权利要求1所述的高动态焦平面探测器的制作方法，其特征在于，所述高动态焦平面探测器包括四类通道的像元，所述四类通道的像元包括第1类通道像元、第2类通道像元、第3类通道像元、第4类通道像元，其中，所述第1类通道像元为未经所述第1种中性密度衰减膜作用且未经所述第2种中性密度衰减膜作用的像元，所述第2类通道像元为经过所述第1种中性密度衰减膜作用且未经所述第2种中性密度衰减膜作用的像元，所述第3类通道像元为未经所述第1种中性密度衰减膜作用且经过所述第2种中性密度衰减膜作用的像元，所述第4类通道像元为经过所述第1种中性密度衰减膜作用且经过所述第2种中性密度衰减膜作用的像元。
9.一种高动态图像获取方法，其特征在于，包括如下步骤：
S21：标定权利要求1至权利要求8任一项所述的高动态焦平面探测器的制作方法所制备的所述高动态焦平面探测器的四类通道的相对光学透过率，其中，第c个通道像元对应的相对光学透过率τc的计算公式为：
Figure FDA0003830418800000031
其中，mc表示在白光照射条件下第c类通道所有像元像素值的平均值，mk表示在白光照射条件下第k类通道所有像元像素值的平均值；
S22：获取所述高动态焦平面探测器输出的四类通道的原始图像，其中，第1类通道在保持所有像元空间相对位置不变条件下所有的输出值构成原始图像A1，第2类通道在保持所有像元空间相对位置不变条件下所有的输出值构成原始图像A2，第3类通道在保持所有像元空间相对位置不变条件下所有的输出值构成原始图像A3，第4类通道在保持所有像元空间相对位置不变条件下所有的输出值构成原始图像A4；
S23：利用图像超分辨方法对所述原始图像A1、所述原始图像A2、所述原始图像A3、所述原始图像A4分别进行图像超分辨处理，对应得到全分辨率图像B1、全分辨率图像B2、全分辨率图像B3、全分辨率图像B4；
S24：对所述全分辨率图像B1、所述全分辨率图像B2、所述全分辨率图像B3、所述全分辨率图像B4分别进行透过率归一化处理，对应得到归一化图像J1、归一化图像J2、归一化图像J3、归一化图像J4，其中归一化图像Jc的计算公式为：
Jc(i,j)＝Bc(i,j)/τc，c∈{1,2,3,4}
其中，(i,j)表示像素在各通道图像中的坐标位置，Bc(i,j)表示全分辨率图像Bc在坐标(i,j)处的像素值，Jc(i,j)表示归一化图像Jc在坐标(i,j)处的像素值；
S25：由所述归一化图像J1、所述归一化图像J2、所述归一化图像J3、所述归一化图像J4合成为高动态图像F，其中所述高动态图像F的像素值F(i,j)的赋值规则为：
Figure FDA0003830418800000041
其中，b表示图像亮度的比特数。
10.根据权利要求9所述的高动态图像获取方法，其特征在于，所述图像超分辨方法为基于图像插值、基于机器学习、基于深度学习三类方法中任何一种。
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