基于彩虹光片的快照式三维成像方法及系统技术方案

本发明专利技术公开基于彩虹光片的快照式三维成像方法及系统，采用光谱范围较宽的灯作为照明光源，采用光栅单色仪结构产生波长连续变化的光片为照射的彩虹光片，在彩虹光片侧向照明下，色差中继光路将三维的空间图像转化为高光谱图像，继而由压缩成像光谱仪将三维的高光谱信息压缩在二维的光电探测器上

【技术实现步骤摘要】
基于彩虹光片的快照式三维成像方法及系统


[0001]本专利技术属于光学三维成像相关领域，更加具体地说，特别是涉及基于彩虹光片的快照式三维成像方法及系统
。

技术介绍

[0002]光学成像技术具有分辨率高
、
速度快
、
无接触测量等优点，已经广泛应用于生命科学
、
空间遥感
、
工业检测
、
机器视觉等各个领域
。
然而，无论在宏观世界还是微观世界，物体的形貌和运动都是三维的，而现有的基于成熟半导体工艺的光学探测器，包括电荷耦合器件
(CCD)
和互补金属氧化物半导体
(CMOS)
相机，都是二维的光电转换阵列
。
因此，如何对三维运动的物体进行快速
、
高分辨率地成像仍然是光学成像领域的重大挑战之一
。
基于点扫描的成像技术，包括共聚焦
、
多光子成像虽然具有较高的径向分辨率和轴向分辨率，但是由于受到机械扫描速度的限制，一般仅用于小视场成像，并且本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于彩虹光片的快照式三维成像系统，其特征在于：包括彩虹光片照明单元
、
色差中继光路
、
孔径编码成像光谱仪和计算机；彩虹光片照明单元包括宽谱光源
、
第一双凸透镜
、
狭缝
、
第一消色差透镜
、
等边棱镜和凹面反射镜，所述宽谱光源用于发出连续光谱的光，所述第一双凸透镜
、
所述狭缝
、
所述第一消色差透镜
、
所述等边棱镜和所述凹面反射镜依次沿所述宽谱光源发出的光的照射行进方向设置；第一双凸透镜将宽谱光源发出的光聚焦于狭缝，上述光穿过狭缝后形成发散光束，上述发散光束穿过第一消色差透镜后准直为平行光束，上述平行光束经过等边棱镜折射作用后，最终形成出射角度各异
、
波长连续分布的彩色光束，上述彩色光束穿过凹面反射镜后在凹面反射镜焦平面附近形成的彩色光片，即彩虹光片，并利用彩虹光片从侧面照射待照射物体；色差中继光路包括第二消色差透镜和第二双凸透镜，所述第二消色差透镜和所述第二双凸透镜共同组成第一
4f
成像系统，所述第二消色差透镜和所述第二双凸透镜依次设置，所述第二消色差透镜位于所述待照射物体的正面，且其放置位置与上述彩虹光片的照射行进方向以及光片所在平面均相垂直；孔径编码成像光谱仪包括光学掩模板
、
第三消色差透镜
、
光栅
、
第四消色差透镜和二维阵列光电探测器，光学掩模板用于对输入的高光谱图像进行空间调制，生成空间编码的高光谱图像；第三消色差透镜与第四消色差透镜共同构成第二
4f
成像系统；所述光栅用于从空间上将不同颜色的光束分离，所述二维阵列光电探测器用于将光信号转换为电信号；所述光学掩模板位于所述第二双凸透镜的后方，所述光学掩模板
、
所述第三消色差透镜和所述光栅依次设置，利用所述光栅的衍射将高光谱图像中光的照射行进方向进行调整，高光谱图像中不同波长成分的光的衍射角度均不同，所述第四消色差透镜和所述二维阵列光电探测器沿更改后的高光谱图像中光的照射行进方向依次设置；计算机用于采集所述二维阵列光电探测器所获取的图像数据，并经过重建算法将获得的二维图像还原为物体的三维结构信息
。2.
根据权利要求1所述的基于彩虹光片的快照式三维成像系统，其特征在于：所述宽谱光源采用氙灯
、
白光
LED
灯或者其它能够发出连续光谱的光源，优选氙灯
。3.
根据权利要求1所述的基于彩虹光片的快照式三维成像系统，其特征在于：所述第一消色差透镜与所述狭缝之间的间距等于所述第一消色差透镜的焦距，所述凹面反射镜与所述等边棱镜之间的间距等于所述凹面反射镜的焦距
。4.
根据权利要求1所述的基于彩虹光片的快照式三维成像系统，其特征在于：待照射物体位于所述等边棱镜的正面，且所述待照射物体与凹面反射镜之间的间距等于所述凹面反射镜的焦距
。5.
根据权利要求1所述的基于彩虹光片的快照式三维成像系统，其特征在于：所述光学掩模板所在平面与所述色差中继光路的像平面一致
。6.
根据权利要求1所述的基于彩虹光片的快照式三维成像系统，其特征在于：所述二维阵列光电探测器包括但不限于电荷耦合器件和互补金属氧化物半导体
。7.
基于权利要求1‑6任一所述的基于彩虹光片的快照式三维成像系统的三维成像方法，其特征在于：按照下述步骤进行：步骤1，待照射物体的三维空间图像用
u(x,y,z)
表示，其矢量化形式为
u
，彩虹光片的强
度
I
是深度
z
和波长
λ
的函数，
I
＝
I(x,y,z(
λ
))
，在其照明下，经由色差中继光路后被转换为高光谱图像，用
h(x,y,
λ
)
表示，其矢量化形式为
h
；步骤2，孔径编码成像光谱仪中的光学掩模板对输入的高光谱图像进行空间调制，用空间调制算子
M
来表示，其作用于高光谱图像后得到空间编码的高光谱图像，即
Mh
；其中，原始的三维场景被色差中继光路转化为高光谱场景，在这之后进入到孔径编码成像光谱仪中，在孔径编码光谱仪的入口处，最先经过定制的石英衬底的铬涂层材质的光学掩膜板
。
上述光学掩膜板上印刷有随机分布的孔径编码，对高光谱场景进行空间调制，掩膜板的透光率用一系列矩形函数的和表示如下：式中，
C
i,j
代表孔径编码对应的矩阵在
(i,j)
th
元素处的二值元素，1表示透明，0表示不透明，
Δ
表示该掩膜板上的一个元素的尺寸
。i,j
的取值范围分别为1‑
N
和1‑
M
，对应最终捕获到的图像中的
N...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹏飞，赵旋，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：