[发明专利]基于色差扩大原理的多光谱光场成像系统及方法

说明书

本发明提供了一种基于色差扩大原理的多光谱光场成像系统及其方法。成像系统包括：前置滤波片阵列、成像主透镜组、光程扩大单元、多光谱成像单元和图像计算处理单元。前置滤波片阵列用于引入场景各个光谱段的信息；成像主透镜组，包括多个透镜单元，用于校正成像系统的像差；光程扩大单元，由规则的高折射率玻璃晶体构成，用于扩大成像系统的色差；多光谱成像单元，用于拍摄经过透镜组的光谱图像；图像计算处理单元，用于对光谱图像数据进行计算，通过局部线性映射算法实现多光谱光场信息的获取。本发明可以在同一时间获取场景的多光谱光场信息，系统结构简单，且计算高效。

技术领域

本发明涉及多光谱光场成像技术领域，特别是基于色差扩大原理的多光谱光场成像系统及其方法。

背景技术

为了感知和理解复杂的场景，研究者们努力尝试获取场景的更多信息，如多光谱和光场。传统的相机利用基于Bayer滤波阵列的平面传感器拍摄照片。所拍摄的三原色图像是用三个色彩通道，即红、绿、蓝，表示的三维场景的平面投影图。伴随着光学和计算摄像学的发展，多光谱和光场信息的获取得到了广泛的探索，以获取场景中更多的光谱通道和光场信息。

在过去的几十年中，几种不同的光谱成像方法被提出，以拍摄出比传统三原色成像技术更多的光谱通道信息。总体上根据系统工艺，现有的多光谱相机可以分为以下几类：基于扫描技术的光谱仪、基于滤波技术的光谱仪、基于编码光圈的快照光谱成像仪、计算层析成像光谱仪和棱镜掩膜法视频成像光谱仪。

除了光谱信息，光场信息或场景深度信息也是处理机器视觉与图像处理领域问题的重要线索。最近一些获取光场信息的方法也被提出，如微透镜阵列方法、多相机阵列方法和基于焦点栈的方法。其中，焦点栈就是光场的另一种表示方式，因此在本发明中将对这两个名词不作特别区分。此外，基于探测飞行时间(TOF)的相机和基于光照编码方法的相机也被提出，用于直接拍摄获取场景深度信息，从而通过模型渲染处理出光场信息。然而，由于这些方法需要测量过多各向异性的数据，所以同时获取多光谱和光场信息很困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于色差扩大的原理的多光谱光场成像系统及方法，能够对场景的光谱与光场信息进行实时地、迅速地捕捉与获取。

本发明采用的技术方案为：

基于色差扩大原理的多光谱光场成像系统，包括沿光路方向顺次设置的前置滤波片阵列、成像主透镜组、光程扩大单元、多光谱成像单元和图像计算处理单元；所述前置滤波片阵列位于成像主透镜的孔径光阑处，由多片共面的不同波段的滤波片构成，且滤波片的尺寸相同；所述成像主透镜组用于校准成像系统的像差；所述光程扩大单元位于焦平面之前，用于扩大成像系统的色差；所述多光谱成像单元位于焦平面处；所述图像计算处理单元与多光谱成像单元相接，用于对光谱图像数据进行计算，通过局部线性映射算法实现多光谱光场信息的获取。

本发明基于色差扩大原理的多光谱光场成像方法，包括以下步骤：

步骤一：来自目标场景中各点的入射光经过前置滤波片阵列，形成携带不同波段信息的光束并穿过成像主透镜组；

步骤二：穿过成像主透镜组的光束经过光程扩大单元后，像差被校准，色差被扩大，因此对于同一物点来说，不同波段的光束将会聚焦于深度不同的像平面上，由此产生不同通道间的清晰程度差别；

步骤三：在多光谱成像单元的像平面上接收到场景的不同波段的光谱信息，并由多光谱成像单元将光谱信息转化为电信号输入图像计算处理单元；

步骤四：图像计算处理单元以所获得的各个通道的场景图像为基础，利用局部线性映射算法恢复出当前场景的多光谱光场信息，即对于场景中的任意一个物点，获取与其深度对应的多光谱信息。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)提出了一种容易实现的多光谱光场成像系统的设计方案，可以在同一时间获取场景的多光谱光场信息；