一种多功能成像设备制造技术

本发明专利技术提供一种高动态和多光谱成像设备，包括镜头，带有微透镜阵列的聚焦光场相机本体，光调制阵列滤光片，光圈插片。其中，微透镜阵列的每个微透镜单元的形状和焦距均相同；微透镜单元之间稀疏排布；相邻微透镜单元之间的空隙不透光；光调制阵列滤光片是不同区域的光强衰减程度或者通光光谱特性不相同的滤光片；光圈插片位于镜头光阑处，一个或者多个光调制阵列滤光片固定在光圈插片上。通过调节光圈插片，能够使光圈插片上固定的任意一个光调制阵列滤光片位于镜头光轴上，且该光调制阵列滤光片的平面垂直于镜头光轴。本发明专利技术结构简单，体积小巧。此外，无需更换镜头，只需要调节或者更换光圈插片即可实现高动态或多光谱成像，使用方便。

【技术实现步骤摘要】
一种多功能成像设备
本专利技术涉及图像数据产生和处理
，特别是一种可在高动态成像模式和多光谱成像模式之间便捷切换的多功能成像设备，具体是一种动态范围可调、光谱谱段也可调的高分辨率实时成像设备。
技术介绍
在现有的成像设备中，特种相机是一种具有特殊功能的成像设备，如高动态相机和多光谱相机都属于特种相机。高动态相机是指能够同时记录物体最亮与最暗光强比值大于105:1的成像设备。多光谱相机是指可针对同一个目标场景获得其在多个不同光谱下图像的成像设备。考虑到很多实际的应用场合下，被拍摄的目标都不是静止不动的，非实时相机获得的结果会出现“伪影”而显著降低成像效果，因此实时高动态相机和实时多光谱相机才是人们的重点研究方向。TodorGeorgiev等人基于聚焦光场成像结构[1](即“FocusedPlenopticCamera”)实现了实时高动态和实时多光谱成像系统[2]，并于2013年申请了美国专利[3]，该成像系统在如下问题上有待改进：1)成像动态范围或者光谱谱段不便于切换。针对高动态成像和多光谱成像，分别需要使用不同的镜头来实现。另外，如果要改变系统的成像动态范围或者光谱谱段，同样需要换用不同的镜头。2)只能对特定距离上的目标清晰成像。当被摄目标与成像系统之间的距离偏离预先设定值的时候，图像会出现马赛克效应，导致成像质量变差。3)输出图像的分辨率低。这种成像系统用来进行光调制的元件是由四块小的光学元件拼接起来的，其接缝会在图像中产生模糊的投影，从而干扰成像。针对该问题，TodorGeorgiev等人采用的方法是将微透镜单元的二次成像放大倍率降低到1/5以下[2]，这样可以把光调制元件接缝在图像上的模糊投影区域显著缩小，但是输出图像分辨率仍然只有原始图像分辨率的1/30。
技术实现思路
专利技术要解决的技术问题是：针对任意距离上的被摄目标，提供一种实时性强，分辨率高，能在高动态和多光谱模式之间便捷切换，且成像动态范围可调、光谱谱段也可调的多功能成像设备。本专利技术的技术方案是：一种多功能成像设备，包括镜头，带有微透镜阵列的聚焦光场相机本体；其特征在于，光圈的通光孔为矩形；此外，还包括光调制阵列滤光片，光圈插片；其中，所述微透镜阵列中，每个微透镜单元的形状和焦距均相同；微透镜单元之间稀疏排布；相邻微透镜单元之间的空隙不透光；设微透镜阵列中所有微透镜单元所在平面和镜头成像面之间的距离为a，微透镜阵列中所有微透镜单元所在平面和聚焦光场相机本体的成像感光面之间的距离为b，则有：光调制阵列滤光片是不同区域的光强衰减程度或者通光光谱特性不相同的滤光片；光圈插片位于镜头光阑处，一个或者多个光调制阵列滤光片固定在光圈插片上。通过调节光圈插片，能够使光圈插片上固定的任意一个光调制阵列滤光片位于镜头光轴上，且该光调制阵列滤光片的平面垂直于镜头光轴。进一步地，矩形光圈的通光口径可调节。本专利技术的有益效果针对现有技术不足，本专利技术提供一种高动态和多光谱成像设备，具体有益效果如下：1)本设备结构简单，体积小巧。此外，无需更换镜头，只需要调节或者更换光圈插片即可实现高动态或多光谱成像，使用方便。2)得益于微透镜单元稀疏排布的设计，缩小了光调制阵列滤光片上的接缝在图像中产生模糊投影的区域，从而提高了输出图像的分辨率。3)得益于可调口径的矩形光圈，当被摄目标与成像设备的距离发生改变时，或者使用变焦距镜头来改变成像视场角时，本设备均可获取高清晰度的高动态或多光谱成像结果。4)同样得益于光圈插片的可调式设计，通过在插片上安装不同的光调制阵列滤光片，可以根据实际拍摄场景目标的亮度特性或光谱特性，轻易调整和切换设备的成像动态范围或光谱谱段，从而具有较强的环境目标适应能力。附图说明图1为本专利技术的设备结构示意图；图2为本专利技术所涉及的微透镜阵列上两种微透镜排布方式示意图；图3为本专利技术所涉及的微透镜阵列结构示意图；图4为本专利技术所涉及的矩形光圈的两种实现方式示意图；图5为本专利技术所涉及的光调制阵列滤光片的两种实现方式示意图；图6为本专利技术所涉及的光圈插片的三种实现方式示意图；图7为本专利技术所涉及的镜头的三种实现方式示意图；图8为图像马赛克效应的原理示意图；图9为相机动态范围和场景亮度范围匹配优劣效果的实例图。具体实施步骤本设备是在聚焦光场相机结构的基础上实现的。现有文献中一般公认[1-3]：“聚焦光场相机”指的是包含镜头、微透镜阵列和成像感光元件的成像系统。其中，微透镜阵列的英文名称为MicrolensArray[1-3]，是一种平板状的光学元件，在其表面排布有很多微小的微透镜单元。在本专利技术中，为了与上述的“聚焦光场相机”概念加以区分，我们将聚焦光场相机中不包含镜头的那一部分称为“聚焦光场相机本体”。参照图1，已知现有的聚焦光场相机的结构特点[1-3]为：在镜头1和聚焦光场相机本体2的成像芯片9之间放置一个微透镜阵列3，微透镜阵列3位于镜头1的成像面8的前方或者后方，本图中位于后方。微透镜阵列3对镜头1的成像面8实施二次成像：当微透镜阵列3位于成像面8的前方时，成像面8为虚成像面；当微透镜阵列3位于成像面8的后方时，成像面8为实成像面。成像芯片9位于微透镜阵列3的后方(即远离镜头1的方向)，用于接受微透镜阵列3的二次成像结果。如图1所示，相对与现有的聚焦光场相机，本专利技术还包括矩形光圈4，光调制阵列滤光片5和光圈插片6；光调制阵列滤光片5固定在光圈插片6上，光圈插片6位于镜头光阑处。由被拍摄目标发出的光辐射7沿着图中箭头所指的方向射入镜头1，然后依次经过矩形光圈4、光调制阵列滤光片5，聚焦成像在成像面8，然后进一步发散并通过微透镜阵列3进行二次成像，成像结果落在聚焦光场相机本体2内部的成像芯片9上，最终以图像的形式输出。需要说明的是：光辐射7通过矩形光圈4和光调制阵列滤光片5的顺序无需指定，也可以先通过光调制阵列滤光片5，再通过矩形光圈4。图1中，矩形光圈4以及光调制阵列滤光片5，二者都需要尽量贴近镜头1的光阑面放置，而且矩形光圈4以及光调制阵列滤光片5所在的平面都需要和镜头1的光阑面平行。对于所有的镜头来说，镜头视场内被拍摄场景任意方向入射光都需要共同经过一个最狭窄的“交通要道”，该“交通要道”所位于的平面就是镜头的光阑面，镜头光阑面垂直于镜头光轴。只有矩形光圈4以及光调制阵列滤光片5尽量贴近镜头1的光阑面放置，本专利技术才可以得到最佳的成像效果。图2为本专利技术所涉及的微透镜阵列上两种微透镜排布方式示意图。现有的聚焦光场相机一般是用于三维成像，为了提高镜头成像面的空间利用率，微透镜阵列中微透镜单元10之间的排布方式是紧密的，即相邻微透镜单元10之间无缝衔接，同时微透镜单元10的形状和焦距通常是不同的，不同的目的是为了提高成像的景深。而本专利技术所提供的微透镜单元10的形状和焦距都相同，微透本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多功能成像设备，包括镜头，带有微透镜阵列的聚焦光场相机本体；其特征在于，/n光圈的通光孔为矩形；/n此外，还包括光调制阵列滤光片，光圈插片；/n其中，所述微透镜阵列中，每个微透镜单元的形状和焦距均相同；微透镜单元之间稀疏排布；相邻微透镜单元之间的空隙不透光；/n设微透镜阵列中所有微透镜单元所在平面和镜头成像面之间的距离为a，微透镜阵列中所有微透镜单元所在平面和聚焦光场相机本体的成像感光面之间的距离为b，则有：

【技术特征摘要】
1.一种多功能成像设备，包括镜头，带有微透镜阵列的聚焦光场相机本体；其特征在于，
光圈的通光孔为矩形；
此外，还包括光调制阵列滤光片，光圈插片；
其中，所述微透镜阵列中，每个微透镜单元的形状和焦距均相同；微透镜单元之间稀疏排布；相邻微透镜单元之间的空隙不透光；
设微透镜阵列中所有微透镜单元所在平面和镜头成像面之间的距离为a，微透镜阵列中所有微透镜单元所在平面和聚焦光场相机本体的成像感光面之间的距离为b，则有：
光调制阵列滤光片是不同区域的光强衰减程度或者通...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹毓，
申请(专利权)人：曹毓，
类型：发明
国别省市：湖南;43