一种太赫兹波段的光场成像系统与光场采集方法技术方案

本发明专利技术公开了一种太赫兹波段的光场成像系统与光场采集方法，包含至少一个成像模块、至少一个光源模块、定位调整模块和控制处理模块。成像模块用于将场景中成像目标的空间信息转换为投影的二维图像；定位调整模块用于控制所述成像模块在空间中的位置与姿态，以及包括但不限于光阑孔径以及焦平面与透镜组之间距离的相机光学特性；利用光成像系统的定位调整模块实现对成像模块的精确定位，实现对物体内部复杂的空间复折射率分布的细致定量探查测量，相对简单成像系统，本申请光场成像系统的应用范围更广。应用范围更广。应用范围更广。

A terahertz light field imaging system and light field acquisition method

【技术实现步骤摘要】
一种太赫兹波段的光场成像系统与光场采集方法


[0001]本专利技术涉及计算成像领域与太赫兹成像
，具体涉及一种太赫兹波段的光场成像系统与光场采集方法。

技术介绍

[0002]光场成像是一种新兴的计算成像手段。
[0003]光场的定义是“空间中的光通量分布”；在成像应用领域，对于空间中的光场，我们通常采用全光函数(Plenoptic Function)的方式进行描述。
[0004]根据人眼对光线的视觉感知方式，空间中的光场可由七维全光函数进行表示，其中x,y,z代表空间中任意一点的三维坐标，代表光线的传输方向，λ代表光线的波长，t代表时间。在记录特定波长瞬态光场的情况下，λ和t固定不变，全光函数可简化为五维而在忽略衰减的情况下，“光线”的强度可视为沿光线方向传播不变、与观测者距离无关，全光函数则可简化为四维亦即每一束“光线”的集合可由一个四维函数表示。
[0005]光场成像技术通过对新维度信息的引入，极大地突破了传统相机在成像能力与成像灵活性方面的限制。较之传统的二维积分成像方式，光场成像可以通过对四维光场中冗余维度信息的提取与融合，来实现很多前者无法实现的成像应用；而较之信息量更为丰富的相干成像方式，光场成像不依赖于苛刻的实验室环境、严格的相干光源与庞杂的系统搭建，只需较为简洁集成的设备即可实现相近信息丰富程度的获取。
[0006]通过对四维光场的后处理，可以实现四维光场的二维切片重构复现(即重聚焦增强、全合焦图像合成、视角插值)、深度估计、基于深度估计的三维场景测量与复现、基于等效大口径合成的信噪比提升与超分辨率成像等。
[0007]太赫兹波是波长介于3000μm
‑
30μm、频率介于0.1THz
‑
10THz之间的电磁波。由于太赫兹波对于电介质(如木、纸、陶瓷、塑料、复合材料等)具有良好的穿透性；且因其光子能量较低(0.4
‑
41meV)，远低于造成电离的阈值，故亦对绝大多数被探测物具有良好的无损性。因此太赫兹频段的成像技术被广泛应用于需要进行透视成像与无损检测的领域，例如文物考古、生物医疗、工业检测、安全检查等领域。
[0008]应用太赫兹成像技术的成像目标，在太赫兹波段多具有复杂的空间复折射率分布，亦即空间折射率分布与空间吸收率分布。这些分布与成像目标的形态、状态、性质等属性密切相关，因此也是太赫兹成像的主要定量探查测量目标。
[0009]目前在太赫兹波段对物体的成像手段主要包括相干与非相干两大类：其中相干手段包括合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar)、断层扫描(Computed Tomography)、时域光谱系统(Time
‑
Domain Spectroscopy)等，其大多因设备庞大复杂、依赖实验室环境、元器件技术与数据处理算法成熟度不足等原因而停留于实验室阶段；非相干手段则多为由基于折反射光学系统与包括微辐射热计、肖特基二极管、CMOS
‑
微纳机械结构、CMOS
‑
天线结
构、SiGe异质结二极管在内的能量探测器组成的传统积分成像系统，其信息丰富程度远低于相干成像手段，无法实现对物体内部复杂的空间复折射率分布的细致定量探查测量。

技术实现思路

[0010]针对上述
技术介绍
中的问题，本专利技术的一个重要目的在于提供一种光场成像系统。
[0011]为实现如上目的，本专利技术具体的技术方案如下：
[0012]一种太赫兹波段的光场成像系统，包括：
[0013]至少一个成像模块，其用途是以特定的空间位置与姿态、在特定的时间，将场景中的空间信息转换为投影的二维图像；所述成像模块包括：
[0014]成像透镜组，用于将空间中来自成像目标的光能量进行聚焦在目标位置上；
[0015]探测器阵列，所述探测器阵列安装在成像透镜组对于某个特定成像范围共轭的像平面位置，其安装固定并与所述成像透镜组光轴垂直；用于将接受到的光能量根据强度分布转化为特定的数字图像信号；及
[0016]光调制模块，光调制模块安装于所述成像透镜组附近，其安装相对于成像透镜组固定；用于调制探测器阵列接收到光能量的强度、波谱与空间频谱；
[0017]至少一个光源模块，用于为成像目标提供特定波长或频谱、特定能量分布或照明样式的脉冲或连续波照明，并在携带关于成像目标的信息后，反馈至所述成像模块进行接收与成像；
[0018]定位调整模块，其用于控制所述成像模块在空间中的位置与姿态，以及包括但不限于光阑孔径以及焦平面与透镜组之间距离的相机光学特性；所述定位调整模块包括：
[0019]位置定位装置，用于承载并控制所述成像模块在空间中的精确位置，即笛卡尔坐标系下的x,y,z位置；
[0020]姿态定位装置，用于承载并控制每个相机模块在空间中的精确姿态，即笛卡尔坐标系下的方向与俯仰姿态；
[0021]可控光阑，用于调节通过所述成像模块的成像透镜组的通光量与通光口径，且可完全闭合以用于成像模块探测器的置零；
[0022]透镜组控制装置，用于调节所述成像模块中成像透镜组与传感器阵列之间的相对距离；
[0023]控制处理模块，分别与所述成像模块、光源模块、定位调整模块连接，用于通过控制信号与反馈信号来操纵所述成像模块、定位调整模块、光源模块，使其同步有序工作；同时接收来自所述成像模块的视差图像信息、以及定位调整模块所反馈的参数信息，并据此排列与重构生成四维光场。
[0024]进一步地，所述成像透镜组与探测器之间的距离，满足所述成像模块可以将在对应的最小成像距离与最大成像距离之间的成像目标上的点清晰且对应地聚焦在探测器阵列之上。
[0025]进一步地，所述光调制模块包括衰减片、滤波片、固定或可调整的空间光调制片。
[0026]具体地，在本专利技术的技术方案中，所述光源模块包括：
[0027]光源，用于产生照明成像目标的、特定波长或频谱的、特定能量与能量分布的、连
续波或特定脉宽脉冲的太赫兹波；
[0028]准直与扩束光路，用于改变光源产生太赫兹波的传播方向、传播方式与与光束口径，使其正确而恰当地照射成像目标，包括透镜、反射镜、抛物面镜元件；及
[0029]光源调制模块，用于改变光源产生太赫兹波的光强、能量分布、照明样式与相干性，包括衰减片、滤波片、干涉元器件、光束均质器元件。
[0030]具体地，在本专利技术的技术方案中，所述控制处理模块包括：
[0031]定位姿态控制，用于根据既定程序或用户输入对所述定位调整模块发送控制信号并接收反馈的方式来控制定位调整模块，使其将每个所述成像模块的位置与姿态定位于恰当的位置；
[0032]探测器阵列控制，用于根据既定程序或用户输入控制探测器阵列的积分时间与置零，以及探测器阵列与光源模块和定位调整模块之间的同步动作；
[0033]光阑控制，用于根据既定程序或用户输入控制所述可控光阑的动作；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹波段的光场成像系统，其特征在于，包括：至少一个成像模块，用于将场景中成像目标的空间信息转换为投影的二维图像；所述成像模块包括：成像透镜组，用于将空间中来自成像目标的光能量进行聚焦在目标位置上；探测器阵列，所述探测器阵列安装在成像透镜组对于特定成像范围共轭的像平面位置，其安装固定并与所述成像透镜组光轴垂直；用于将接受到的光能量根据强度分布转化为特定的数字图像信号；及光调制模块，光调制模块安装于所述成像透镜组附近，其安装相对于成像透镜组固定；用于调制探测器阵列接收到光能量的强度、波谱与空间频谱；至少一个光源模块，用于为成像目标提供特定波长或频谱、特定能量分布或照明样式的脉冲或连续波照明，并在携带关于成像目标的信息后，反馈至所述成像模块进行接收与成像；定位调整模块，其用于控制所述成像模块在空间中的位置与姿态，以及包括但不限于光阑孔径以及焦平面与透镜组之间距离的相机光学特性；所述定位调整模块包括：位置定位装置，用于承载并控制所述成像模块在空间中的精确位置，即笛卡尔坐标系下的x,y,z位置；姿态定位装置，用于承载并控制每个相机模块在空间中的精确姿态，即笛卡尔坐标系下的方向与俯仰姿态；可控光阑，用于调节通过所述成像模块的成像透镜组的通光量与通光口径，且可完全闭合以用于成像模块探测器的置零；透镜组控制装置，用于调节所述成像模块中成像透镜组与传感器阵列之间的相对距离；控制处理模块，分别与所述成像模块、光源模块、定位调整模块连接，用于通过控制信号与反馈信号来操纵所述成像模块、定位调整模块、光源模块，使其同步有序工作；同时接收来自所述成像模块的视差图像信息、以及定位调整模块所反馈的参数信息，并据此排列与重构生成四维光场。2.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段的光场成像系统，其特征在于，所述成像透镜组与探测器之间的距离，满足所述成像模块可以将在对应的最小成像距离与最大成像距离之间的成像目标上的点清晰且对应地聚焦在探测器阵列之上。3.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段的光场成像系统，其特征在于，所述光调制模块包括衰减片、滤波片、固定或可调整的空间光调制片。4.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段的光场成像系统，其特征在于，所述光源模块包括：光源，用于产生照明成像目标的、特定波长或频谱的、特定能量与能量分布的、连续波或特定脉宽脉冲的太赫兹波；准直与扩束光路，用于改变光源产生太赫兹波的传播方向、传播方式与与光束口径，使其正确而恰当地照射成像目标，包括透镜、反射镜、抛物面镜元件；及光源调制模块，用于改变光源产生太赫兹波的光强、能量分布、照明样式与相干性，包括衰减片、滤波片、干涉元器件、光束均质器元件。
5.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段的光场成像系统，其特征在于，所述控制处理模块包括：定位姿态控制，用于根据既定程序或用户输入对所述定位调整模块发送控制信号并接收反馈的方式来控制定位调整模块，使其将每个所述成像模块的位置与姿态定位于目标位置；探测器阵列控制，用于根据既定程序或用户输入控制探测器阵列的积分时间与置零，以及探测器阵列与光源模块和定位调整模块之间的同步动作；光阑控制，用于根据既定程序或用户输入控制所述可控光阑的动作；透镜组控制，用于根据既定程序或用户输入控制所述透镜组控制装置的动作；数据处理与存储，用于将接收到的视差图像及相应的定位姿态、探测器、光阑、透镜组参数反馈按照规则进行组装并生成完整的四维光场信息。6.一种基于权利要求1<...

【专利技术属性】
技术研发人员：金玉环，封建欣，
申请(专利权)人：北京远大恒通科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：