一种快照式光场-偏振成像仪及成像方法技术

本发明专利技术提出一种快照式光场‑偏振成像仪及成像方法，其结构为：沿光线方向依次设置的物镜、视场光阑、准直镜、微透镜阵列一、波片阵列、偏振片阵列、微透镜阵列二以及光电探测器及信号处理部件；目标物的光线经过物镜汇聚到视场光阑上，经过准直镜准直达到微透镜阵列一；再经过波片阵列和偏振片阵列并在微透镜阵列一的后焦面上生成一系列子图像；所述子图像经过微透镜阵列二成像到光电探测器及信号处理部件上。在成像方法上，在不同波长的子区域内分别做目标物的图像以及深度重建，并计算其偏振；本发明专利技术可以在探测器一次积分时间内获取目标物的图像、偏振以及深度四维信息；同时，通过平均所有波段的目标物深度，可以大幅提高目标物深度的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种快照式光场-偏振成像仪及成像方法
本专利技术涉及快照式多维成像
，特别涉及一种快照式光场-偏振成像仪及成像方法。
技术介绍
自然界中的光携带九维信息，包括空间信息(x，y，z)、传播角度波长(λ)、偏振角度以及椭圆率(ψ，χ)，而传统的成像系统只捕捉了光的空间二维信息(x，y)。多维成像技术是一种不仅可以获得目标物的空间二维信息，还可以得到另外一维或多维信息的成像技术，在农业、天文、生物检测、环境监测等领域有着广泛的应用。为了获取目标物的多维信息，目前大多数的系统采用扫描的方式。但这种方式并不适用于探测动态目标。为了解决这个问题，学者们提出了使用二维探测器并行获取高维信息的方法，这种技术又被称为快照式多维成像技术。快照式偏振成像技术是一种在探测器一次积分时间内获取目标物图像和偏振信息的成像技术。光线的偏振态可以由角度ψ和椭圆率χ来表示，在实际应用中，人们更多的使用斯托克斯矢量来表示光线的偏振态：S0＝IS1＝Ipcos2ψcos2χS2＝Ipsin2ψcos2χS3＝Ipsin2χ式中[S0，S1，S2，S3]T为光线的斯托克斯矢量；I为光强；p为偏振度。为并行获取目标物的图像和偏振信息，ViktorGruev等人于2010年提出一种基于纳米线滤波器的偏振成像探测器，该探测器是在传统CCD上覆盖了一层纳米线滤波器阵列，每个子滤波器相当于一片偏振片，并与CCD的单个像素相对应。滤波器阵列中有四种不同的子滤波器，偏振方向分别为0°、45°、90°和135°。该探测器结构紧凑，但是该技术仅获得了来自目标物光线的部分偏振信息，即斯托克斯矢量中的[S0，S1，S3]T。类似的技术还有Oliva提出的基于双渥拉斯顿棱镜的快照式偏振成像仪，BrentD.Bartlett等人提出的基于光场相机的快照式偏振成像仪等等。与上述技术不同，KazuhikoOka于2003年提出了一种使用一系列双折射棱镜获取目标物的图像以及全部偏振信息的成像技术，但该技术受制于色散对双折射棱镜的影响。2012年，MichaelW.Kudenov等人在KazuhikoOka的基础上将双折射棱镜替换为一对偏振光栅，消除了色散对系统的影响。快照式光场成像技术是一种可以获取目标物图像以及深度信息的成像技术，主要分为非聚焦型和聚焦型两种。非聚焦型光场成像技术于1992年被Adelson等人首次提出，此后，Ng等人于2006年将其改进为便携式光场相机。其原理是由物镜将目标物成像至一个微透镜阵列，经过微透镜阵列后聚焦的光线再次分散并被探测器接收。探测器得到的原始图像中不仅包含目标物的空间信息(x，y)还包含入射光线的角度信息因此可以被排列成一个四维矩阵再经过处理即可得到目标物的图像和深度信息(x，y，z)。聚焦型光场成像技术是由Lumsdaine和Georgiev于2009年首次提出。该技术的原理是先由物镜将目标物成像至一个中间像面，然后再由一个微透镜阵列将该中间像成像至探测器。由于每个子透镜对中间像上某一点的视角不同，其对应的子图之间存在“视差”，通过该“视差”的大小可以得到该点的相对深度。最后找到中间像上每一点在各子图中的共轭点，并取其像素值的平均值作为该点的光强值，即可得到重建的目标物图像。随着成像技术的发展，偏振成像技术和3D光场成像技术在显微成像、遥感、人脸识别等领域有广泛的应用。同时，在生物医学以及机器视觉等领域对成像技术提出了在探测器一次积分时间内获取目标物图像、偏振和深度四维信息的要求。
技术实现思路
为了满足生物医学以及机器视觉领域对成像技术的要求，本专利技术提出了一种快照式光场-偏振成像仪及成像方法，本专利技术可以在探测器一次积分时间内获取目标物的图像、偏振和深度四维信息。一种快照式光场-偏振成像仪，包括：沿光线方向依次设置的物镜1、视场光阑2、准直镜3、微透镜阵列一4、波片阵列5、偏振片阵列6、微透镜阵列二7以及光电探测器及信号处理部件8；目标物的光线首先经过物镜1汇聚到视场光阑2上，经过准直镜3准直达到微透镜阵列一4；再经过波片阵列5和偏振片阵列6并在微透镜阵列一4的后焦面上生成一系列子图像；所述子图像经过微透镜阵列二7成像到光电探测器及信号处理部件8上。一种快照式光场-偏振成像仪的成像方法，适用于上述所述的快照式光场-偏振成像仪，首先将光电探测器及信号处理部件得到的原始图像按照微透镜阵列一分割成2×2的子区域，各子区域光线的偏振态经过波片阵列和偏振片阵列相应区域的调制，光电探测器及信号处理部件得到的光强携带着调制后的目标物偏振信息，原始图像经过解调可以得到目标物的偏振光场图像；然后在每个子区域内，利用相关距离的算法计算相邻子图像之间的视差，并根据该视差得到目标深度以及目标物的重建图像；最后将目标物的图像、偏振以及深度信息组合成一个四维数据立方体。具体为：将光电探测器及信号处理部件得到的原始图像按照微透镜阵列一对应分割成2×2子区域；在光电探测器及信号处理部件的每个子区域内根据相关距离算法，计算光电探测器及信号处理部件上各相邻子图像之间的视差；根据各相邻子图像之间的视差，计算得到各中间子图上的像素点到微透镜阵列二之间的距离；根据各中间子图上的像素点到微透镜阵列二之间的距离，计算得到目标物深度图；根据各中间子图上的像素点到微透镜阵列二之间的距离，计算得到目标物各中间子图的重建图像；对所有子区域的重建图像进行解调，得到代表目标物偏振信息的四个斯托克斯分量图像；结合目标物深度图，得到目标物图像、偏振以及深度组合成四维数据立方体。所述的快照式光场-偏振成像仪的成像方法中，所述各中间子图上的像素点到微透镜阵列二之间的距离与目标物深度间的关系通过校准方式获得。所述的快照式光场-偏振成像仪的成像方法中，根据各中间子图上的像素点到微透镜阵列二之间的距离，计算得到目标物深度图，具体为：根据各中间子图上的像素点到微透镜阵列二之间的距离，得到各波段的深度图像，所有波段的深度图像的平均图像为最终目标物的深度图。所述的快照式光场-偏振成像仪的成像方法中，根据各中间子图上的像素点到微透镜阵列二之间的距离，计算得到目标物的重建图像，具体为：根据各中间子图上像素点到微透镜阵列二的距离，得到各中间子图上的像素点在光电探测器及信号处理部件上的多个对应点的位置，将每一个像素点对应的多个点的探测光强计算平均值，得到各像素点的光强值，进而得到各中间子图的重建图像。本专利技术与现有技术的不同在于，在光场-偏振成像仪的结构上，在光电探测器及信号处理部件之前设置有两片微透镜阵列、波片阵列和偏振片阵列，其中微透镜阵列一、一片波片阵列和一片偏振片阵列可得到调制后的多个偏振子图像，微透镜阵列二对各子图像再次成像，最终光电探测器及信号处理部件可获得目标物的图像、偏振和光场信息；在成像方法上，在根据微透镜阵列一划分的子区域内分别做目标物的图像以及深度重建，并将所有子区域的平均深度作为最终目标物的深度，然后对重建图像进行解调，得到目标物的偏振图像，最后结合目标物深度得到包含目标物图像、偏振以及深度信息的四维数据立方体；以上不同所具有的有益效果在于：第一、系统可以在探测器一次积分时间内获取目标物的图像、偏振以及深度四维信息；第二、通过平均所有子区域的的目标物深度，可以大幅提高目标物深度的精本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快照式光场‑偏振成像仪，其特征在于，包括：沿光线方向依次设置的物镜(1)、视场光阑(2)、准直镜(3)、微透镜阵列一(4)、波片阵列(5)、偏振片阵列(6)、微透镜阵列二(7)以及光电探测器及信号处理部件(8)；目标物的光线首先经过物镜(1)汇聚到视场光阑(2)上，经过准直镜(3)准直达到微透镜阵列一(4)；再经过波片阵列(5)和偏振片阵列(6)并在微透镜阵列一(4)的后焦面上生成一系列子图像；所述子图像经过微透镜阵列二(7)成像到光电探测器及信号处理部件(8)上。

【技术特征摘要】
1.一种快照式光场-偏振成像仪，其特征在于，包括：沿光线方向依次设置的物镜(1)、视场光阑(2)、准直镜(3)、微透镜阵列一(4)、波片阵列(5)、偏振片阵列(6)、微透镜阵列二(7)以及光电探测器及信号处理部件(8)；目标物的光线首先经过物镜(1)汇聚到视场光阑(2)上，经过准直镜(3)准直达到微透镜阵列一(4)；再经过波片阵列(5)和偏振片阵列(6)并在微透镜阵列一(4)的后焦面上生成一系列子图像；所述子图像经过微透镜阵列二(7)成像到光电探测器及信号处理部件(8)上。2.一种在权利要求1所述快照式光场-偏振成像仪上实现的快照式光场-偏振成像仪的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：将光电探测器及信号处理部件得到的原始图像按照微透镜阵列一对应分割成2×2子区域；在光电探测器及信号处理部件的每个子区域内根据相关距离算法，计算光电探测器及信号处理部件上各相邻子图像之间的视差；根据各相邻子图像之间的视差，计算得到各中间子图上的像素点到微透镜阵列二之间的距离；根据各中间子图上的像素点到微透镜阵列二之间的距离，计算得到目标物深度图；根据各中间子图上的像素点到微透镜阵列二之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：金鹏，朱帅帅，林杰，张宇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23