[发明专利]基于相邻孔径交叉传递的极大视场复眼多光谱相机

说明书

为了解决现有多光谱相机存在的视场小的问题，实现极大视场上的多光谱成像，本发明提出一种切实可行的基于曲面仿生复眼的极大视场多光谱相机设计方案。该大视场多光谱相机，包括三个子系统：带有不同滤光片的曲面微透镜阵列、光学变换子系统、带有图像传感器的数据处理单元。本发明基于相邻孔径交叉传递的大视场复眼多光谱相机能够实现极大视场上物体的多光谱成像，视场角可达120度以上。除了输出多光谱图像，该相机还可以实现大视场图像超分辨率重构、景深扩展以及3D成像等功能。

技术领域

本发明属于光谱成像及光学元件的机械加工领域，尤其涉及一种基于相邻孔径交叉传递的极大视场复眼多光谱相机的设计。

背景技术

多光谱相机是在可见光的基础上向红外光和紫外光两个方向扩展，并通过各种滤光片或分光器与多种感光器的组合，使其同时分别接受同一目标在不同窄光谱带上所辐射或反射的信息，以此得到目标的不同光谱带图像。多光谱相机主要分为三类：一种是多镜头多光谱相机，这种相机具有多个镜头，每个镜头各有一个滤光片对应一种窄光谱带，多个镜头同时拍摄同一场景，用同一接收器记录几种不同光谱带的图像；另一种是多相机组成的多光谱系统，是由多台带有不同滤光片的相机，同时拍摄同一场景，分别接受不同光谱带的成像信息；还有一种是光束分离型多光谱相机，这种多光谱相机只有一个镜头拍摄，采用分光器或者滤光片把采集到的场景光线分离为若干波段，并记录下不同波段的图像信息。由于第三种光束分离型多光谱相机结构简单，应用最为广泛，常见光谱仪也多为这种类型。但一般多光谱相机和普通相机一样，成像范围较小，很难做到大视场拍摄。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种基于仿生复眼的极大视场多光谱相机，该多光谱相机模仿自然界昆虫类眼睛-即复眼结构，采用多孔径镜头配合滤光片，以一种相邻孔径交叉传递的方式可实现对超过120度视场上的目标场景进行多光谱成像。

本发明的发明思想为：

本发明基于相邻孔径交叉传递的大视场复眼多光谱相机受启于自然界中的生物复眼结构，采用多孔径排列成曲面以获取大视场场景信息。而为了获取大视场范围内的多光谱信息，采用相邻孔径交叉排列的方式扩散至整个孔径阵列，配合适当的算法就可提取出大视场场景的多光谱图像。该多光谱相机主要由三个子系统组成：带有不同滤光片的球面透镜阵列、光学变换系统、带有图像传感器的数据处理单元。

一、带有不同滤光片的球面透镜阵列：该子系统也包含三个组成部分，分别为支撑球壳、微透镜和滤光片。支撑球壳是一个带有六边形排列阶梯孔的树脂或金属半球壳，该半球壳通过3D打印或5轴数控机床制作。支撑球壳除了起到支撑微透镜的作用外还可以防止相邻孔径间的串扰，起到孔径光阑的作用。微透镜安装在半球壳的阶梯孔内。在每个透镜下方各放置一片透过波长不同的滤光片。球壳上每个包含微透镜和滤光片的孔都称为一个子通道，即一个成像孔径，整个系统共包含一百多个成像孔径。各成像孔径间成六边形排列，每个孔径周边都有六个相邻的对不同波段透过的子通道，称为一个光谱成像单元。每个单元中的7个成像孔径都可以对场景中的同一个物体成像，从而获得其多光谱图像信息。

二、光学变换子系统：光学变换子系统主要负责把曲面复眼所成的像变换到图像传感器上进行接收。本发明系统采用远心视光路设计，共包含7个镜片，物面在不同视场的出射光线与像平面垂直，能够最大限度消除探测器离焦对不同视场角的影响差别。利用第四透镜的前表面作为一个控制面，对镜头的象散进行有效的控制。其中只有ZF6和H-ZK9B两种玻璃，且均为价格便宜、经常使用、易于加工的材料。另外，采用一片曲面非均匀厚度的或者渐变折射率的透镜也可以实现相同的图像变换作用。

三、带有图像传感器的数据处理单元：数据处理单元子系统包含图像传感器可以把光学连续图像采样为离散数字图像。除此之外，该大视场复眼多光谱相机系统是一种计算成像系统，最终图像需要通过重构算法计算得出。计算成像中最终图像的重构是相机系统成像的逆过程，必须根据相机结构或图像特性设计合适的算法才能得出较好的最终图像。