CN115931124A - 高光通量仿生多孔径多光谱偏振成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高光通量仿生多孔径多光谱偏振成像系统，包括陷波滤光片阵列，镜头阵列和偏振相机阵列；所述陷波滤光片阵列包括若干个陷波滤光片；所述镜头阵列包括N个相机镜头，每个相机镜头的光轴平行，焦平面共面；所述偏振相机阵列包括N个偏振相机，每个偏振相机包含0°、45°、90°、135°四个偏振态，偏振相机的探测器像平面共面；目标发出的不同角度的平行光，经过陷波滤光片和镜头，在偏振相机的探测器像平面中成像。本发明能够实现目标多光谱信息与偏振信息的同步探测成像，较彩色偏振相机可输出更高信噪比的图像。
Description
技术领域
本发明涉及一种高光通量仿生多孔径多光谱偏振成像系统。
背景技术
多孔径成像系统结构是根据仿生复眼结构而设计的一种新型光电成像系统，相比于单孔径成像系统，具有更大视场，更多信息，不同尺度等优点。比如螳螂虾的复眼视觉系统能够很好的探测到人眼察觉不到的偏振光，在分辨4个线性偏振方向和2种圆偏振态的同时，还可以同步感知16个不同波段的光谱信息。
偏振成像具有特定的优势，它不仅可以检测目标的几何和表面，而且可以测量无法用常规成像检测的物理性质。偏振成像常用来增强难以区分的物体的对比度，进行目标识别或分类任务。
高光谱成像技术是基于非常多窄波段的影像数据技术，它将成像技术与光谱技术相结合，探测目标的二维几何空间及一维光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。但是窄带滤光片的存在，会大大减低探测器所捕获到的信息量。
陷波滤光片，也称为带阻滤光片，其光通量特征与窄带滤光片的光通量特征是相反的。使用陷波滤光片，相比于使用窄带滤光片，能够大大增加系统的光通量。
偏振光谱成像是一种新发展的光电探测系技术，结合了偏振成像技术和光谱成像技术，可以在获取目标偏振信息的同时采集目标高分辨率多光谱信息。与传统探测技术相比偏振光谱成像技术获取的信息量较多，运用前景广阔。
已有学者将偏振与窄带滤光片结合在一起，以解决偏振图像不包含光谱信息的问题，但由于窄带滤光片通光范围小，会导致光学系统可接收光通量严重降低，探测器捕获到的信息量就少，难以实现高分辨率高质量成像等计算成像。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高光通量仿生多孔径多光谱偏振成像系统，旨在解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高光通量仿生多孔径多光谱偏振成像系统，包括陷波滤光片阵列，镜头阵列和偏振相机阵列；所述陷波滤光片阵列包括若干个陷波滤光片；所述镜头阵列包括N个相机镜头，每个相机镜头的光轴平行，焦平面共面；所述偏振相机阵列包括N个偏振相机，每个偏振相机包含0°、45°、90°、135°四个偏振态，偏振相机的探测器像平面共面；目标发出的不同角度的平行光，经过陷波滤光片和镜头，在偏振相机的探测器像平面中成像。
进一步的，单个陷波滤光片、相机镜头和偏振相机组成单孔径结构，三者中心轴重合对齐。
进一步的，所述陷波滤光片阵列、镜头阵列、偏振相机阵列采用矩形阵列分布。
进一步的，所述陷波滤光片采用Edmund Notch Filter系列，中心波长采用405nm、488nm、514.5nm、532nm或632.8nm。
进一步的，利用压缩感知原理结合稀疏性和光滑性先验信息对采集图像进行光谱超分辨率计算，凸优化方程如下
其中||·||F表示F范数，||·||1表示1范数，Y表示探测器捕获的数据，H表示系统采集矩阵，D表示字典，B表示对应的稀疏矩阵，λ表示波长自变量，μ表示稀疏约束项的系数，γ表示光谱光滑约束项的系数。
进一步的，不同偏振相机的同一偏振态具有不同的光谱信息；同一偏振相机的不同偏振态具有相同的光谱信息。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明能够实现目标多光谱信息与偏振信息的同步探测成像，较彩色偏振相机可输出更高信噪比的图像；
2、本发明探测器获得的空间、多光谱和偏振共四个维度信息，能够更加有利于目标识别与分类；
3、本发明以根据实际要求，更换陷波滤光片或相机，就可以改变探测目标的光谱范围，实现灵活的对不同场景进行数据采集。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图；
图2是本发明一实施例中系统仿真装配图；
图3是本发明一实施例中单一孔径立体结构图；
图4是本发明一实施例中相机量子效应曲线图；
图5是本发明一实施例中陷波滤光片透过率曲线图；
图6是本发明一实施例中偏振相机芯片上的偏振态像素分布规律图；
图中：1-高光通量仿生多孔径多光谱偏振成像系统，2-陷波滤光片阵列，3-镜头阵列，4-相机阵列。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1-4，本实施例提供一种高光通量仿生多孔径多光谱偏振成像系统，包括陷波滤光片阵列，镜头阵列和偏振相机阵列；所述陷波滤光片阵列包括若干个陷波滤光片；镜头阵列包括4个相机镜头，每个相机镜头的光轴平行，焦平面共面；所述偏振相机阵列包括4个偏振相机，偏振相机的探测器像平面共面,。
在本实施例中，参考图3，单个陷波滤光片、相机镜头和偏振相机组成单孔径结构，三者中心轴重合对齐，目标发出的不同角度的平行光，经过陷波滤光片和镜头，在偏振相机的探测器像平面中成像。
在本实施例中，优选的，陷波滤光片阵列、镜头阵列、偏振相机阵列采用矩形阵列分布。上下中心距离50mm，左右中心距离为50mm。阵列分布距离的大小，在不影响使用的情况下，应尽可能的减少，以便减少系统的整体尺寸，也可以提高孔径间的视场重叠率。
在本实施例中，优选的，每个相机芯片上有四个偏振态，分别是0°、45°、90°、135°四个偏振态。如图4所示，高光通量仿生多孔径多光谱偏振成像系统偏振相机芯片上的偏振态像素分布规律。如果偏振相机获取一张图片为矩阵A，像素大小为2448x2048，则每个偏振态图片像素大小均为1224x1024，按照MATLAB软件语法，偏振态P0＝A(2:2:end,2:2:end)，偏振态P45＝A(1:2:end,2:2:end)，偏振态P90＝A(1:2:end,1:2:end)，偏振态P135＝A(2:2:end,1:2:end)。
在本实施例中，优选的，陷波滤光片采用Edmund Notch Filter系列，中心波长采用405nm、488nm、514.5nm、532nm或632.8nm。以中心波长532nm为例，光密度OD≥4.0，涂层为Hard Coated，半峰全宽26.6nm，半峰全宽容差±2.7。陷波滤光片透射率曲线如图5所示，平均透射率约为90％。镜头为Edmund定焦系列型号是Edmund 85-869，焦距为35mm，F数为1.8～16，入射瞳孔为23.68mm，最大畸变为-0.02％，水平视场角为14.3°，垂直视场角为10.7°，对角线视场角为17.8°。偏振相机为FLIR BFS-U3系列，型号为BFS-U3-51S5P，分辨率为2448x2048，像元尺寸为3.45μm，芯片为Sony IMX250，CMOS，2/3”。相机不同偏振态的量子效应曲线如图6所示，波长范围从350到1000nm，400到700nm之间为合适区间。
在本实施例中，为提升所采集图像数据的光谱分辨率，利用压缩感知原理结合稀疏性和光滑性先验信息对采集图像进行光谱超分辨率计算，凸优化方程如下
其中||·||F表示F范数，||·||1表示1范数，Y表示探测器捕获的数据，H表示系统采集矩阵，D表示字典，B表示对应的稀疏矩阵，λ表示波长自变量，μ表示稀疏约束项的系数，γ表示光谱光滑约束项的系数。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (6)
1.一种高光通量仿生多孔径多光谱偏振成像系统，其特征在于，包括陷波滤光片阵列，镜头阵列和偏振相机阵列；所述陷波滤光片阵列包括若干个陷波滤光片；所述镜头阵列包括N个相机镜头，每个相机镜头的光轴平行，焦平面共面；所述偏振相机阵列包括N个偏振相机，每个偏振相机包含0°、45°、90°、135°四个偏振态，偏振相机的探测器像平面共面；目标发出的不同角度的平行光，经过陷波滤光片和镜头，在偏振相机的探测器像平面中成像。
2.根据权利要求1所述的一种高光通量仿生多孔径多光谱偏振成像系统，其特征在于，单个陷波滤光片、相机镜头和偏振相机组成单孔径结构，三者中心轴重合对齐。
3.根据权利要求1所述的一种高光通量仿生多孔径多光谱偏振成像系统，其特征在于，所述陷波滤光片阵列、镜头阵列、偏振相机阵列采用矩形阵列分布。
4.根据权利要求1所述的一种高光通量仿生多孔径多光谱偏振成像系统，其特征在于，所述陷波滤光片采用Edmund Notch Filter系列，中心波长采用405nm、488nm、514.5nm、532nm或632.8nm。
5.根据权利要求1所述的一种高光通量仿生多孔径多光谱偏振成像系统，其特征在于，基于直接捕获的多光谱数据，再利用压缩感知原理结合稀疏性和光滑性先验信息对采集图像进行光谱超分辨率计算，凸优化方程如下
其中||·||F表示F范数，||·||1表示1范数，Y表示探测器捕获的数据，H表示系统采集矩阵，D表示字典，B表示对应的稀疏矩阵，λ表示波长自变量，μ表示稀疏约束项的系数，γ表示光谱光滑约束项的系数。
6.根据权利要求1所述的一种高光通量仿生多孔径多光谱偏振成像系统，其特征在于，不同偏振相机的同一偏振态具有不同的光谱信息；
同一偏振相机的不同偏振态具有相同的光谱信息。
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| CN202310032951.6A CN115931124A (zh) | 2023-01-10 | 2023-01-10 | 高光通量仿生多孔径多光谱偏振成像系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116609942A (zh) * | 2023-07-18 | 2023-08-18 | 长春理工大学 | 一种分孔径压缩感知偏振超分辨率成像系统及方法 |
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2023
- 2023-01-10 CN CN202310032951.6A patent/CN115931124A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116609942A (zh) * | 2023-07-18 | 2023-08-18 | 长春理工大学 | 一种分孔径压缩感知偏振超分辨率成像系统及方法 |
| CN116609942B (zh) * | 2023-07-18 | 2023-09-22 | 长春理工大学 | 一种分孔径压缩感知偏振超分辨率成像方法 |
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