一种结合色差模糊成像与图像重建技术的高光谱成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种结合色差模糊成像与图像重建技术的高光谱成像系统，包括：色差模糊成像子系统，色差模糊成像子系统包括中心轴对齐布置的成像镜头和CMOS相机，成像镜头在可见光波段或红外光波段内具有轴向高色差，CMOS相机用于采集不同像距下的色差模糊图像；图像处理单元，图像处理单元用于对所述的色差模糊图像堆叠形成色差模糊图像立方体，基于光谱图像立方体退化模型，结合波长

【技术实现步骤摘要】
Imaging with a Dual-Disperser Architecture[J].Optics Express,2007,15(21):14013
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14027.)利用一个编码孔径和阿米西色散棱镜去调制场景的入射光场，只需一次成像则捕捉一个场景数据立方体的多通道投影，通过计算重构便可获得光谱图像立方体，建立了计算光谱成像技术。(ARCE G R,BRADY D J,CARIN L,et al.Compressive Coded Aperture Spectral Imaging:An Introduction[J].IEEE Signal Processing Magazine,2014,31(1):105-115.)设计了FP干涉阵列薄膜，一次成像得到19幅不同光谱压缩的子图像(牺牲了像素分辨率)，使用压缩感知重建算法可获得718个波段的高光谱图像。总之，压缩感知理论可适用于景物光谱信息的压缩采样和高概率重构，但编码孔径和FP干涉阵列实现信号稀疏表示的方式，仍然会不同程度地损失通光量。

技术实现思路

[0007]本专利技术实施例的目的是提供一种结合色差模糊成像与图像重建技术的高光谱成像系统，以解决现有光谱成像技术难以实现高分辨率和高信噪比及通光量低的问题。
[0008]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种结合色差模糊成像与图像重建技术的高光谱成像系统，包括：
[0009]色差模糊成像子系统，所述色差模糊成像子系统包括中心轴对齐布置的成像镜头和CMOS相机，其中所述的成像镜头在可见光波段或红外光波段内具有轴向高色差，所述CMOS相机用于采集不同像距下的色差模糊图像；
[0010]图像处理单元，所述图像处理单元用于对所述的色差模糊图像堆叠形成色差模糊图像立方体，基于光谱图像立方体退化模型，结合波长-像距关系曲线和点扩散函数库，利用序列图像解卷积算法重建得到光谱图像立方体。
[0011]根据以上技术方案，本专利技术的有益效果是：
[0012]1、由于不以分光/滤光方式获取光谱图像，而以摄像镜头获得高光通量，光信号损失小，提高了对微弱目标的探测能力。
[0013]2、由于不以牺牲图像传感器像素通道来获取光谱通道信号，并可设计具有高空间分辨率的成像系统，具备小目标探测的能力。
[0014]3、以快照摄像方式采集单个或数个像距下的图像，图像采集数据量及耗时少，具备高速探测能力。
附图说明
[0015]此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0016]图1为本专利技术实施例提供的一种结合色差模糊成像与图像重建技术的高光谱成像系统的结构图；
[0017]图2为本专利技术实施例中成像镜头截面图；
[0018]图3为本专利技术实施例中波长-像距关系与部分PSF示意图；
[0019]图4为本专利技术实施例中SVD重建算法流程图；
[0020]图5为本专利技术实施例中目标场景部分色差模糊图像和重建光谱图像示意图；
[0021]图6为本专利技术实施例中目标物图像ROI标注图；
[0022]图7为图6中ROI-1区域的真实光谱曲线与三种重建算法得到的光谱曲线比对图；
[0023]图8为图6中ROI-2区域的真实光谱曲线与三种重建算法得到的光谱曲线比对图；
[0024]图9为图6中ROI-3区域的真实光谱曲线与三种重建算法得到的光谱曲线比对图；
[0025]图10为图6中ROI-4区域的真实光谱曲线与三种重建算法得到的光谱曲线比对图。
具体实施方式
[0026]为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0027]图1为本专利技术实施例提供的一种结合色差模糊成像与图像重建技术的高光谱成像系统的结构图；本专利技术实施例提供一种结合色差模糊成像与图像重建技术的高光谱成像系统包括：
[0028]色差模糊成像子系统，所述色差模糊成像子系统包括中心轴对齐布置的成像镜头和CMOS相机(比如Thorlabs DCC3260M)，其中所述的成像镜头在可见光波段或红外光波段内具有轴向高色差，所述CMOS相机用于采集不同像距下的色差模糊图像；
[0029]图像处理单元，所述图像处理单元用于对所述的色差模糊图像堆叠形成色差模糊图像立方体，基于光谱图像立方体退化模型，结合波长-像距关系曲线和点扩散函数库，利用序列图像解卷积算法重建得到光谱图像立方体。
[0030]在本申请一可选的方式中，成像镜头为本系统的核心器件，从功能的角度，所述的成像镜头的轴向色差应单调且线性变化，同时其球差、慧差应被消除，使图像只因色差离焦产生模糊。本实施例使用ZEMAX光学设计软件设计了一款可见光波段(400-700nm)的高色差镜头，从结构的角度，所述的成像镜头由依次布置在同一中心轴的第一凸凹透镜A、第二凸凹透镜B、光阑F、双凹透镜片C、第一双凸透镜D和第二双凸透镜E组成，所述双凹透镜片C和第一双凸透镜D进行胶合，其截面如图2所示。设计并加工镜筒用于将各透镜装配组合。该成像镜头的单色像差已被较好地矫正，同时在可见光波段内具有较大且单调变化的轴向色差，如当入射波长分别为420nm、550nm和680nm时，它们准焦面G与第二双凸透镜E透镜顶点之间的距离H分别为21.440mm、23.064mm和23.809mm。由于轴向色差的存在，CMOS相机在某一像距下采集到的图像都是某一波段准焦像和其他所有波段离焦像的叠加，总体呈现的将是一副模糊图像，并且CMOS相机所处轴向位置不同，其采集的色差模糊图像的模糊程度也不同。本实施例第一凸凹透镜A为H-ZF5凸凹透镜，前表面曲率半径为21.676mm，后表面曲率半径为47.754mm，外径为28.4
±
0.05mm，内径为25
±
0.05mm，前后表面厚度为6.36
±
0.03mm，上下切面厚度为2.75mm、第二凸凹透镜B为H-ZF11凸凹透镜，前表面曲率半径为15.447mm，后表面曲率半径为7.754mm，外径为20.4
±
0.05mm，内径为12.54
±
0.05mm，前后表面厚度为5.37
±
0.02mm，上下切面厚度为4.7mm、双凹透镜片C为H-ZF13双凹透镜，前表面曲率半径为19.935mm，后表面曲率半径为32.257mm，外径为23
±
0.05mm，内径为14.8
±
0.05mm，前后表面厚度为2.59
±
0.03mm，上下切面厚度为5.75mm、第一双凸透镜D为H-ZF6双凸透镜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结合色差模糊成像与图像重建技术的高光谱成像系统，其特征在于，包括：色差模糊成像子系统，所述色差模糊成像子系统包括中心轴对齐布置的成像镜头和CMOS相机，其中所述的成像镜头在可见光波段或红外光波段内具有轴向高色差，所述CMOS相机用于采集不同像距下的色差模糊图像；图像处理单元，所述图像处理单元用于对所述的色差模糊图像堆叠形成色差模糊图像立方体，基于光谱图像立方体退化模型，结合波长-像距关系曲线和点扩散函数库，利用序列图像解卷积算法重建得到光谱图像立方体。2.根据权利要求1所述的一种结合色差模糊成像与图像重建技术的高光谱成像系统，其特征在于，所述的成像镜头的轴向色差应单调且线性变化，同时其球差、慧差应被消除，使图像只因色差离焦产生模糊。3.根据权利要求1或2所述的一种结合色差模糊成像与图像重建技术的高光谱成像系统，其特征在于，所述的成像镜头由依次布置在同一中心轴的第一凸凹透镜、第二凸凹透镜、光阑、双凹透镜片、第一双凸透镜和第二双凸透镜组成，所述双凹透镜片和第一双凸透镜进行胶合。4.根据权利要求1所述的一种结合色差模糊成像与图像重建技术的高光谱成像系统，其特征在于，还包括相机驱动装置，所述相机驱动装置包括依次电连接的电控位移台、运动控制器以及控制单元，所述CMOS相机搭载的所述电控位移台上。5.根据权利要求4所述的一种结合色差模糊成像与图像重建技术的高光谱成像系统，其特征在于，所述控制单元通过控制线与所述CMOS相机相连，所述CMOS相机通过控制线与运动控制器相连。6.根据权利要求1所述的一种结合色差模糊成像与图像重建技术的高光谱成像系统，其特征在于，还包括存储单元，所述存储单元通过数据线与所述CMOS相机相连。7.根据权利要求1所述的一种结合色差模糊成像与图像重建技术的高光谱成像系统，其特征在于，所述的波长-像距关系曲线通过实验测定得到，具体包括：步骤(1.1)，选取若干可见光波段内的窄带单色LED灯，要求各单色LED的中心波长应均匀地分布于可见光波段内；步骤(1.2)，将黑色背景的白色条纹靶标放置于摄影棚中，依次使用各窄带单色LED灯照明靶标；步骤(1.3)，对每个窄带单色LED灯照明场景，通过CMOS相机采集得到不同像距处的色差模糊图像；步骤(1.4)，对所述的所有色差模糊图像，使用边缘强度检测算法对每帧色差模糊图像进行对比度评价，找出对比度最高的一帧色差模糊图像，那么该色差模糊图像的采集位置即是该窄带单色LED中心波长的对焦位置，由此获得各窄带...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹舒越，马旭，刘昀卓，周卫文，黄慧，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：