一种共光路组合式光场光谱成像方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开一种共光路组合式光场光谱成像方法及装置，目标辐射信息射入到通过主镜头，通过主镜头内部设置的滤光片阵列进行调制后，由分光棱镜进行分光，得到透射光路与反射管路两条光路；其中，透射光路通过微透镜阵列与探测器A实现高光谱分辨率光场成像；反射光路直接通过探测器B进行高空间分辨率全色成像；且探测器A与探测器B将高光谱分辨率光场成像信息与高空间分辨率全色成像信息发送到计算机中进行图像配准和重构，采用多源数据融合法则，得到高空间分辨率和高光谱分辨率图像。本发明的优点为：实现对目标的完整光谱图像信息和高空间分辨率图像信息的同时获取，结构简单、轻量化、小型化。
【专利说明】一种共光路组合式光场光谱成像方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种对物体三维表面进行成像的方法及设备，具体来说，是一种同时具有高空间分辨率和高光谱分辨率的组合式光谱成像方法及装置，属于光谱成像领域
【背景技术】
[0002]在传统的多光谱成像系统中，光谱数据的获取方式分为凝视型、推扫型和快照型三类。凝视型光谱成像在一次成像过程中只能获取目标在某个波长下的二维图像，再通过变换不同的波长范围，经多次曝光获得完整的光谱信息，该凝视型光谱成像技术在快速运动或变化目标的监测等方面的应用，可能无法获取准确的实时数据。而推扫型光谱成像系统在一次曝光中获取一维目标的光谱信息，需要跨轨推扫完成对二维目标的成像，该扫描运动对其搭载的运动平台或自身扫描机构的运动精度和稳定型都有很高要求，易受外部冲击以及运动平台震动等影响，因此加大了运动部件的加工难度和成本，同时对其搭载平台的稳定性都有较高的要求，不适用于复杂的工作环境。
[0003]利用光场成像技术实现对目标的光谱成像探测，是一种快照型光谱探测模式。光场成像技术是通过在传统光学成像系统中添加解调单元，将目标二维空间分布信息和几何光线传播的二维方向信息同时记录下来，可提取不同方向角下的目标物体的二维光能量分布。然后利用特定的信息处理方法实现对不同方向信息的提取，因此可以实现多维信息的获取，为瞬时获取目标的三维光谱数据立方体提供了理论依据和技术支持。
[0004]但上述的光场成像技术，多出的二维信息是以牺牲一定的空间分辨率为代价，因此现有的光场成像相机存在图像空间分辨率降低的问题，从而制约光场成像技术在光谱探测方面的应用。如何同时获取高空间分辨率和高光谱分辨率，是必须解决的一个重点问题。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本发明提供一种可同时获取高空间分辨率全色图像和高光谱分辨率光谱图像的光谱成像方法，通过下述步骤实现:
[0006]步骤1:对目标辐射信息进行调制；
[0007]步骤2:对调制后的目标辐射信息进行分光，形成透射光路与反射光路；
[0008]步骤3:对透射光路进行高光谱分辨率光场成像，作为第一图像；对反射光路进行高空间分辨率全色成像，作为第二图像；
[0009]步骤4:对第一图像与第二图像的图像信息进行图像配准和重构，采用多源数据融合法则，得到高空间分辨率和高光谱分辨率图像。
[0010]本发明还提出一种光学结构简单、体积小巧和系统集成，并且抗振动能力强，可同时获取高空间分辨率全色图像和高光谱分辨率光谱图像的光谱成像装置，包括前置光学成像模块、分光模块、光场光谱成像模块、全色成像模块和图像处理模块。
[0011]其中，前置光学成像模块包括主镜头与滤光片阵列；主镜头竖直设置，主镜头的镜片间的孔径光阑处设置滤光片阵列；分光模块为分光棱镜，分光棱镜的中心位于主镜头中轴线上，且与主镜头夹角为45° ;目标辐射信息由主镜头前侧射入，通过线性渐变滤光片进行调制后，后得到对应的不同波长的光，并入射到分光棱镜上，通过分光棱镜进行分光，形成透射光路和反射光路两路光路。
[0012]所述光场光谱成像模块包括微透镜阵列、探测器A ;微透镜阵列设置于分光棱镜后方，与分光棱镜同轴；透射光路经过微透镜阵列后，由探测器A实现高光谱分辨率光场成像，作为第一图像；且探测器A将第一图像的高光谱分辨率光场成像信息，发送到计算机中进行存储。
[0013]所述全色成像模块为探测器B，反射光路直接通过探测器B进行高空间分辨率全色成像，作为第二图像；且探测器B将第二图像的高空间分辨率全色成像信息发送到计算机中进行存储。
[0014]所述图像处理模块为计算机，用来对存储后的第一图像与第二图像的成像信息进行图像配准和重构，采用多源数据融合法则，得到高空间分辨率和高光谱分辨率图像。
[0015]本发明的优点在于:
[0016]1、本发明共光路组合式光场光谱成像方法，实现对目标的高光谱分辨率光谱信息和高空间分辨率图像信息的同时获取,经过多源数据融合能获取高空间分辨率和高光谱分辨率的融合图像，且无需推扫或凝视成像，可应用于快速变化或移动目标的监测与追踪中；
[0017]2、本发明共光路组合式光场光谱成像装置，采用光谱成像光路和全色成像光路共一条主光路，相互之间视角误差极小，能降低后续数据校正的复杂性和数据处理的难度，以及降低多源数据融合误差，能提高目标成像探测的识别率；
[0018]3、本发明共光路组合式光场光谱成像装置，基于微透镜阵列的光场成像机构与滤光片阵列作为光谱调制元件，具有一次曝光就可以获取完整三维数据的优势，经过光场数据提取技术可获取目标的完整光谱信息，且能应用于快速变化或移动目标的成像探测；
[0019]4、本发明共光路组合式光场光谱成像装置，没有运动部件，且容易实现仪器的轻量化和小型化，对自身及运动平台稳定性要求低；
[0020]5、本发明共光路组合式光场光谱成像装置，采用基于微透镜阵列的光场成像机构与滤光片阵列作为光谱调制元件，可以实现一次拍照获得二维目标的三维光谱图像数据立方体。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明共光路组合式光场光谱成像方法流程图；
[0022]图2为本发明共光路组合式光场光谱成像装置结构框图；
[0023]图3为本发明共光路组合式光场光谱成像装置具体结构示意图。
[0024]图中:
[0025]1-前置光学成像模块 2-分光模块3-光场光谱成像模块
[0026]4-全色成像模块5-图像处理模块101-主镜头
[0027]102-滤光片阵列201-分光棱镜301-微透镜阵列
[0028]302-探测器A401-探测器B【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0030]本发明共光路组合式光场光谱成像方法，如图1所示，通过下述步骤完成:步骤1:对目标辐射信息(目标发射或反射的不同方向光)进行调制后得到对应的不同波长的光；
[0031]步骤2:对调制后的目标辐射信息进行分光，形成透射光路与反射光路，各占目标辐射信息的50% ；
[0032]步骤3:对透射光路进行高光谱分辨率光场成像，作为第一图像(具有高光谱分辨率、低空间分辨率信息的光场图像)，进行存储；同时对反射光路进行高空间分辨率全色成像，作为第二图像(具有高空间分辨率、低光谱分辨率信息的灰度图像)，进行存储；
[0033]步骤4:对第一图像与第二图像的图像信息进行图像配准和重构，采用多源数据融合法则，得到高空间分辨率和高光谱分辨率图像。
[0034]本发明还提出一种基于上述方法的共光路组合式光场光谱成像装置，包括前置光学成像模块1、分光模块2、光场光谱成像模块3、全色成像模块4和图像处理模块5，如图2、图3所示。
[0035]其中，前置光学成像模块I包括主镜头101与滤光片阵列102 ;主镜头101竖直设置，主镜头101的镜片间的孔径光阑处设置有滤光片阵列102 ;所述滤光片阵列102由等宽的光谱连续的线性渐变滤光条带间隙排列组成，等宽的光谱连续的线性渐变滤光条带的数目由仪器设计的光谱探测范围及滤光片的性能参数所决定；分光模块2为分光棱镜201，分光棱镜201的中心位于主镜头101中轴线上，且与主镜头101夹角为45° ;分光棱镜201一侧镀有半透半反(透射率为50%、反射率为50%)的膜层；由此，目标辐射信息由主镜头101前侧射入，通过线性渐变滤光片阵列102进行调制后，后得到对应的不同波长的光，并入射到分光棱镜201上，通过分光棱镜201进行分光，形成透射光路和反射光路两路光路。上述滤光片阵列102各个位置的谱段信息与光场内光线方向为一一对应。
[0036]所述光场光谱成像模块3包括微透镜阵列301、探测器A302。微透镜阵列301设置于分光棱镜201后方,与分光棱镜201同轴；由此,透射光路经过微透镜阵列301后,分散到探测器A302的像元上，由探测器A302实现高光谱分辨率光场成像，作为第一图像。探测器A302设置于微透镜阵列301的焦平面处，用来接收第一图像的高光谱分辨率光场成像信息，发送到计算机中。
[0037]所述全色成像模块4为探测器B401，探测器B401与微透镜阵列301关于分光棱镜201对称设置，以保证透射光路和反射光路具有相同的像面位置；由此，反射光路直接通过探测器B401进行高空间分辨率全色成像，作为第二图像；且探测器B401将第二图像的高空间分辨率全色成像信息发送到计算机中。
[0038]最终通过计算机对存储后的第一图像与第二图像的成像信息进行图像配准和重构，采用多源数据融合法则，得到高空间分辨率和高光谱分辨率图像。
【权利要求】
1.一种共光路组合式光场光谱成像方法，通过下述步骤实现: 步骤1:对目标辐射信息进行调制； 步骤2:对调制后的目标辐射信息进行分光，形成透射光路与反射光路； 步骤3:对透射光路进行高光谱分辨率光场成像，作为第一图像；对反射光路进行高空间分辨率全色成像，作为第二图像； 步骤4:对第一图像与第二图像的图像信息进行图像配准和重构，采用多源数据融合法则，得到高空间分辨率和高光谱分辨率图像。
2.如权利要求1所述一种共光路组合式光场光谱成像方法，其特征在于:所述步骤2中透射光路与反射光路各占目标辐射信息的50%。
3.一种共光路组合式光场光谱成像装置，包括前置光学成像模块、分光模块、光场光谱成像模块、全色成像模块和图像处理模块； 其中，前置光学成像模块包括主镜头与滤光片阵列；主镜头竖直设置，主镜头的镜片间设置滤光片阵列；分光模块为分光棱镜，分光棱镜的中心位于主镜头中轴线上，且与主镜头夹角为45° ;目标辐射信息由主镜头前侧射入，通过线性渐变滤光片进行调制后，后得到对应的不同波长的光，并入射到分光棱镜上，通过分光棱镜进行分光，形成透射光路和反射光路两路光路。 所述光场光谱成像模块包括微透镜阵列、探测器A ;微透镜阵列设置于分光棱镜后方，与分光棱镜同轴；透射光路经过微透镜阵列后，由探测器A实现高光谱分辨率光场成像，作为第一图像；且探测器A将第一图像的高光谱分辨率光场成像信息，发送到计算机中进行存储； 所述全色成像模块为探测器B，反射光路直接通过探测器B进行高空间分辨率全色成像，作为第二图像；且探测器B将第二图像的高空间分辨率全色成像信息发送到计算机中进行存储； 所述图像处理模块为计算机，用来对存储后的第一图像与第二图像的成像信息进行图像配准和重构，采用多源数据融合法则，得到高空间分辨率和高光谱分辨率图像。
4.如权利要求3所述一种共光路组合式光场光谱成像装置，所述滤光片阵列由等宽的光谱连续的线性渐变滤光条带间隙排列组成。
5.如权利要求3所述一种共光路组合式光场光谱成像装置，所述分光棱镜一侧镀有半透半反的膜层。
6.如权利要求3所述一种共光路组合式光场光谱成像装置，所述滤光片阵列各个位置的谱段信息与光场内光线方向为 对应。
7.如权利要求3所述一种共光路组合式光场光谱成像装置，所述探测器A设置于微透镜阵列的焦平面处。
8.如权利要求3所述一种共光路组合式光场光谱成像装置，所述探测器B与微透镜阵列关于分光棱镜对称设置。
【文档编号】G01J3/28GK103471715SQ201310392584
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月2日 优先权日:2013年9月2日
【发明者】袁艳, 胡亮, 苏丽娟 申请人:北京航空航天大学