专利名称：多光谱光场相机的制作方法
技术领域：
本发明涉及光谱成像技术领域，特别是一种多光谱光场相机。
背景技术：
多光谱成像技术从20世纪70年代初开始发展，并随着对地观测、空间探测、军事、民事的需求而发展。自美国加州理工学院喷气推进实验室提出成像光谱仪的概念之后，当代多光谱遥感技术得到了迅速的发展。2000年，张淳民、相里斌和赵葆常等提出了时空混合调制偏振干涉成像光谱技术，提出了基于Savart偏光镜的稳态偏振干涉成像光谱仪和稳态大视场偏振干涉成像光谱仪相关技术，并进行了理论研究，以及实验装置到样机的研制工作，除了能获知目标的二维空间信息、一维光谱信息外，还能获得目标的偏振信息。Gershun在1936年提出光场的概念，将其定义为光辐射在空间各个位置向各个方向的传播；20世纪六七十年代，0kosh1、Dudnikov等学者对IP技术进行了不断的改进,微透镜阵列在成像方面的作用也得以凸显；1995年，Berthon在光瞳面放置彩色滤光片，并在焦面上放置微透镜阵列，成功获得了彩色图像；1996年,Marc Levoy>Pat Hanrahan等人引入了四维光场理论；2005年，Ng, Levoy等人提出了光场照相机的一个典型代表一plenoptic照相机；之后，Ren Ng> Marc Levoy等人提出了新的想法,在相机光瞳面直接放置各种光学滤光片，使得一次曝光后，可以同时实现光谱、偏振状态和光强度的调制。然而现有的多光谱相机多采用分时探测的方法，利用旋转滤光片、调节液晶调制器或声光调制器，在一段时间内顺次采集多个谱段的图像信息，这种方法的缺点是仪器在工作过程中需要外界介入调节内部的运动部件以改变其工作谱段，其延时性导致无法实时探测，也无法对运动目标 进行动态视频探测，并且仪器的机械结构复杂，可靠性和稳定性较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够对探测目标进行实时多光谱探测以及多光谱视频探测的多光谱光场相机。实现本发明目的的技术解决方案为:一种多光谱光场相机，包括沿光路方向顺次设置的滤光片阵列、成像主透镜、微透镜阵列、组合副透镜、探测器和信号处理系统，其中组合副透镜包括沿光路方向顺次设置的第一透镜和第二透镜，组合副透镜将微透镜阵列的后焦面二次转移到探测器的靶面上；所述滤光片阵列位于成像主透镜的孔径光阑处，微透镜阵列位于成像主透镜的像面上，微透镜阵列的后焦面与第一透镜的前焦面重合，探测器位于第二透镜的后焦面上，信号处理系统与探测器相连；所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。所述滤光片阵列I由MXN片共平面的不同波段的滤光片构成，所有滤光片的尺寸均相同，M、N均为正整数。基于所述多光谱光场相机的成像方法，包括以下步骤:步骤一:来自目标各点的入射光经滤光片阵列，形成携带不同波段信息的光束并穿过成像主透镜，在成像主透镜像面处的微透镜阵列上成像，形成携带不同波段信息的像点，各个像点在微透镜阵列后焦面的空间上分开；步骤二:微透镜阵列后焦面的各点光线射入第一透镜，穿过第一透镜后以平行光的形式进入第二透镜，并在第二透镜后焦面处的探测器靶面上得到携带有不同波段信息的目标图像，并将携带有不同波段信息的目标图像转化为电信号进入信号处理系统；步骤三:信号处理系统将收到的电信号转换为目标各点的不同波段光谱数据，对得到的不同波段光谱数据进行计算，提取得到不同波段光谱图像，从而获得多光谱视频。本发明与现有技术相比，其显著优点:(I)可获取全视野范围内每一像素的多光谱信息；(2)可同时获取多个波段的光谱图像，实现动态多光谱成像；(3)内部无运动部件，系统结构稳固。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明多光谱光场相机的光路结构不意图。图2是本发明多光谱光场相机的光谱提取示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
结合图1，本发明多光谱光场相机，包括沿光路方向顺次设置的滤光片阵列1、成像主透镜2、微透镜阵列3、组合副透镜4、探测器5和信号处理系统6，其中组合副透镜4包括沿光路方向顺次设置的第一透镜41和第二透镜42，组合副透镜4将微透镜阵列3的后焦面二次转移到探测器5的靶面上；所述滤光片阵列I位于成像主透镜2的孔径光阑处，微透镜阵列3位于成像主透镜2的像面上，微透镜阵列3的后焦面与第一透镜41的前焦面重合，探测器5位于第二透镜42的后焦面上，信号处理系统6与探测器5相连；所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。本发明多光谱光场相机，所述滤光片阵列I由MXN片共平面的不同波段的滤光片构成，所有滤光片的尺寸均相同，M、N均为正整数。本发明多光谱光场相机的成像方法，包括以下步骤:步骤一:来自目标各点的入射光经滤光片阵列1，形成携带不同波段信息的光束并穿过成像主透镜2，在成像主透镜2像面处的微透镜阵列3上成像，形成携带不同波段信息的像点，各个像点在微透镜阵列3后焦面的空间上分开；步骤二:微透镜阵列3后焦面的各点光线射入第一透镜41，穿过第一透镜41后以平行光的形式进入第二透镜42，并在第二透镜42后焦面处的探测器5靶面上得到携带有不同波段信息的目标图像，并将携带有不同波段信息的目标图像转化为电信号进入信号处理系统6 ；步骤三:信号处理系统6将收到的电信号转换为目标各点的不同波段光谱数据，对得到的不同波段光谱数据进行计算，提取得到不同波段光谱图像，从而获得多光谱视频，具体过程为:目标各点的入射光经滤光片阵列I后入射到成像主透镜2上，经过成像主透镜2在微透镜阵列3的一个微透镜上形成像点，再经过组合副透镜4成像在探测器5的靶面上，形成一个像素单元；成像主透镜2的光瞳面对微透镜阵列3所成的像经过组合副透镜4，成像在探测器5的靶面上，探测器5接收的图像是目标像与微透镜阵列3成像的叠加，把微透镜阵列3中的任意一个微透镜在探测器5的靶面上所成的像作为一个单元，则每个单元内部又可分为MXN个子单元，每个子单元对应一个波段，将每个单元中对应位置的子单元以原有相对位置关系组成该波段的光谱图像。实施例1以2X2滤光片阵列I为例，对本发明做进一步详细描述。结合图1，本发明多光谱光场相机，包括沿光路方向顺次设置的滤光片阵列1、成像主透镜2、微透镜阵列3、组合副透镜4、探测器5和信号处理系统6，其中组合副透镜4包括沿光路方向顺次设置的第一透镜41和第二透镜42，组合副透镜4将微透镜阵列3的后焦面二次转移到探测器5的靶面上；所述滤光片阵列I由2X2片共平面的不同波段的滤光片构成，所有滤光片的尺寸均相同，从左上开始，沿着顺时针方向依次是波段为400 450nm的滤光片LA、波段为450 500nm的滤光片LB、波段为500 550nm的滤光片LC、波段为550 600nm的滤光片LD的滤光片；所述滤光片阵列I位于成像主透镜2的孔径光阑处，微透镜阵列3位于成像主透镜2的像面上，微透镜阵列3的后焦面与第一透镜41的前焦面重合，探测器5位于第二透镜42的后焦面上，信号处理系统6与探测器5相连；所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。所述多光谱光场相机的工作过程为:来自目标各点的入射光经滤光片阵列1，形成携带不同波段信息的光束并穿过成像主透镜2，在成像主透镜2像面处的微透镜阵列3上成像，形成携带不同波段信息的像点，各个像点在微透镜阵列3后焦面的空间上分开；微透镜阵列3后焦面的各点光线射入第一透镜41，穿过第一透镜41后以平行光的形式进入第二透镜42，并在第二透镜42后焦面处的探测器5靶面上得到携带有不同波段信息的目标图像，并将携带有不同波段信息的目 标图像转化为电信号进入信号处理系统6 ;信号处理系统6将收到的电信号转换为目标各点的不同波段光谱数据，对得到的不同波段光谱数据进行计算，提取得到不同波段光谱图像，从而获得多光谱视频。结合图2，本多光谱光场相机对探测器5接收的图像处理如下，以N=2，M=2为例:探测器5接收的图像是目标像与微透镜阵列成像的叠加，若把微透镜阵列3中的任意一个微透镜在探测器5的靶面上所成的像作为一个单元，如图2左图显示了第一单元、第二单元、第三单元、第四单元四个单元，每个单元内部又各自分为A、B、C、D四个子单元:A子单元对应400 450nm波段，B子单元对应450 500nm波段，C子单元对应500 550nm波段，D子单元对应550 600nm波段。因此，通过对子单元的顺序进行以下重新排列，可以得到四个完整的光谱图像:将每个单元中处于第一象限的子单元A以原有相对位置关系组成400 450nm波段的光谱图、第二象限的子单元B组成450 500nm波段的光谱图，第三象限的子单元C组成500 550nm波段的光谱图，第四象限的子单元D组成550 600nm波段的光谱图。
权利要求
1.一种多光谱光场相机，其特征在于，包括沿光路方向顺次设置的滤光片阵列(I)、成像主透镜(2)、微透镜阵列(3)、组合副透镜(4)、探测器(5)和信号处理系统(6)，其中组合副透镜(4)包括沿光路方向顺次设置的第一透镜(41)和第二透镜(42)，组合副透镜(4)将微透镜阵列(3)的后焦面二次转移到探测器(5)的靶面上；所述滤光片阵列(I)位于成像主透镜(2)的孔径光阑处，微透镜阵列(3)位于成像主透镜(2)的像面上，微透镜阵列(3)的后焦面与第一透镜(41)的前焦面重合，探测器(5)位于第二透镜(42)的后焦面上，信号处理系统(6)与探测器(5)相连；所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。
2.根据权利要求1所述的多光谱光场相机，其特征在于，所述滤光片阵列(I)由MXN片共平面的不同波段的滤光片构成，所有滤光片的尺寸均相同，M、N均为正整数。
3.一种基于权利要求1所述的多光谱光场相机的成像方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一:来自目标各点的入射光经滤光片阵列(1)，形成携带不同波段信息的光束并穿过成像主透镜(2)，在成像主透镜(2)像面处的微透镜阵列(3)上成像，形成携带不同波段信息的像点，各个像点在微透镜阵列(3)后焦面的空间上分开； 步骤二:微透镜阵列(3)后焦面的各点光线射入第一透镜(41)，穿过第一透镜(41)后以平行光的形式进入第二透镜(42)，并在第二透镜(42)后焦面处的探测器(5)靶面上得到携带有不同波段信息的目标图像，并将携带有不同波段信息的目标图像转化为电信号进入信号处理系统(6)； 步骤三:信号处理系统(6)将收到的电信号转换为目标各点的不同波段光谱数据，对得到的不同波段光谱数据进行计算，提取得到不同波段光谱图像，从而获得多光谱视频。
4.根据权利要求3所述的多光 谱光场相机的成像方法，其特征在于，步骤三中所述对得到的不同波段光谱数据进行计 算，提取得到不同波段光谱图像的具体过程为:目标各点的入射光经滤光片阵列(I)后入射到成像主透镜(2 )上，经过成像主透镜(2 )在微透镜阵列(3)的一个微透镜上形成像点，再经过组合副透镜(4)成像在探测器(5)的靶面上，形成一个像素单元；成像主透镜(2)的光瞳面对微透镜阵列(3)所成的像经过组合副透镜(4)，成像在探测器(5)的靶面上，探测器(5)接收的图像是目标像与微透镜阵列(3)成像的叠加，把微透镜阵列(3)中的任意一个微透镜在探测器5的靶面上所成的像作为一个单元，则每个单元内部又可分为MXN个子单元，每个子单元对应一个波段，将每个单元中对应位置的子单元以原有相对位置关系组成该波段的光谱图像。
全文摘要
本发明提供一种多光谱光场相机，包括沿光路方向顺次设置的滤光片阵列、成像主透镜、微透镜阵列、组合副透镜、探测器和信号处理系统；成像方法为首先，在成像主透镜的光瞳面上放置滤光片阵列，采用孔径分割的方法引入目标各个光谱段的信息；其次，利用位于成像主透镜像面上的微透镜阵列对多光谱信息进行空间上的分离；并引入组合副透镜将微透镜焦平面二次转移到探测器光敏面上；最后信号处理系统对探测器得到的数据进行计算，提取得到不同波段光谱图像。本发明可以在同一时间获得全视野范围内每一像素的多光谱信息，实现动态多光谱成像，且系统结构稳固。
文档编号G01C11/36GK103234527SQ20131011856
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月7日 优先权日2013年4月7日
发明者李建欣, 徐婷婷, 孟鑫, 孙宇声, 张磊, 沈燕, 高金铭, 周伟, 马骏, 郭仁慧, 沈华, 朱日宏 申请人:南京理工大学
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