红外变焦光场相机制造技术

一种红外变焦光场相机，具有高空间分辨率，且能实现先成像后对焦。所述相机的光学系统包括变焦物镜1、微透镜阵列2和CCD感光元件3三个部分。变焦物镜1相当于传统相机的物镜，在变焦物镜1的像面处放置微透镜阵列2，CCD感光元件3放置在微透镜的焦面处。物体上一点经过变焦物镜1聚焦于微透镜阵列2上，然后光线经微透镜分散出光强度和不同的方向分量，分别到达CCD感光元件3的不同像元处，即得到该物点的光场信息。为达到最大的角分辨率，需保证变焦物镜的F数与微透镜阵列的F数一致，否则会造成光场方向信息和目标空间分布的混叠。后期图像处理改变对焦参量后对图像进行清晰度评价，并可以得到一系列不同焦距的图像。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种红外相机，特别是一种红外变焦光场相机，所述相机利用微透镜阵列记录成像光线的位置和角度的四维光场信息，对相机得到的场景信息进行重新对焦得到新的图像，最终实现先成像后对焦的目的。
技术介绍
传统成像方式在拍摄高速运动的目标或者相机的平台发生抖动时，容易出现失焦、跑焦现象。对于高速运动物体来说，想抓住精彩一瞬的同时并且保证图片清晰是非常困难的。所以，要减少高速运动物体带来的运动模糊，一般利用缩短曝光时间或者增大相机的孔径两种方法，然而缩短曝光时间会导致图像灰暗，增大相机孔径会减小景深，使得成像背景模糊。传统数码相机成像时是在感光原件上记录光强度分布，丢失了光波场的方向信息。当拍摄多个目标时，焦点往往对准在某一个目标上，其它目标可能景深过小造成局部图像模糊。所以传统数码相机在成像的中不能捕捉目标的大量光学信息，失去了光线的方向信息，因此传统相机得到的图像后期无法进行重新聚焦。光场辐射密度函数表示在四维空间中所有光线的光能量流动的密度，光场实质就是携带二维位置信息(U，V)和二维方向信息(Θ，Φ)的四维光场函数，光场相机的成像核心就是捕捉目标完整的四维光场分布信息。光场相机成像时，光线从不同的角度到达物镜，聚焦在不同的微透镜上。每个微镜头将光线转变成一个微小的模糊图像，被CCD感光元件接收。而那些微小的模糊图像不同部分的光线，则通过物镜的不同部位传递。通过这种方式，在一次成像中，CXD感光元件记录了通过物镜的每条光线的位置和它的角度。因此光场相机成像时不仅记录落在每个感光单元所有光线的总和，还记录光线的方向和强度。光场相机作为一种新型的成像装置，在物镜与感光元件之前加入了微透镜阵列，每个微透镜对应若干个CCD感光 元件的像素。它成像的核心问题就是获得完整的四维光场分布信息，光场相机通过记录光辐射在传播过程中的四维位置和方向的信息，相比只记录二维的传统成像方式多出2个维度，故在图像重建过程中，能够获得更加丰富的图像信息，获得不同景深的图像，利用软件对图片进行对焦处理，达到先拍摄后对焦的目的，提高对目标的成像清晰度。因此光场相机可以对原始拍摄时因物体移动或者平台抖动，造成焦点未对准的图像重新进行聚焦，以获得许多不同聚焦点的图片，获取目标的更多信息，解决了传统相机丢失信息，离焦等问题。光场相机突破了传统几何成像技术的局限，比具有相同景深的相机图像信噪比更高，在光学测量、遥感探测等方面有重要的意义。
技术实现思路
本技术主要是为了解决容易出现失焦、跑焦现象，提供一种先拍摄，后对焦的红外变焦光场相机。本技术的解决方案是在变焦物镜I的像面处放置微透镜阵列2，CXD感光元件3放置在微透镜的焦面处。物体上一点经过变焦物镜I聚焦于微透镜阵列平面2上，然后光线经单个微透镜分散出光强度和不同的方向分量，分别到达探测器的不同像元位置处，即得到该物点的光场信息。为达到最大的角分辨率，需保证主透镜系统的像方F数(相机的光圈数)与微透镜阵列的F数一致，否则会造成光场方向信息和目标空间分布的混叠。目标物体上一点经过变焦物镜I后聚焦于微透镜阵列2的平面上，而后经单个微透镜分散出强度和方向分量，到达CCD感光元件3的不同像素点，即在像素点上得到该物点的光场信息，最终在CCD感光元件上产生一个微小的图像阵列，每个微透镜对目标物成一幅图像。每副图像记录了到达像面某个微透镜的光线位置，由于入瞳孔径有限，所以每个微透镜都有一定的视场范围，不同微透镜之间有一定的视差，从而得到物体的光强度和光线方向的四维空间信息。在光场相机中，微透镜不再限制图像的有效分辨率。得到的图像理论上可以接近传感器的完全分辨率，即奈奎斯特频率。如果把微透镜看作成像器件，变焦物镜的主面与CCD感光器件满足物像关系。所以，变焦物镜系统的光瞳经过单个微透镜所成的像正好覆盖光电探测器的若干像素点，为达到最大的角分辨率，需保证变焦物镜的F数与微透镜阵列的F数一致，否则会造成光场方向信息和目标空间分布的混叠。微透镜的作用是将变焦物镜得到的像成像在探测器CXD感光元件上并覆盖若干个像元，相当于将整个成像系统的光瞳分割成若干个子孔径。如果微透镜阵列中含有NXN个微透镜，每个微透镜又覆盖了 MXM个CXD像元，那么主镜光瞳则被分割为MXM个子孔径，此时能够得到比传统相机清晰M2倍的数字对焦图像。微透镜将成像系统内的光场分布转化为CCD的像元输出信号，且与微透镜位置反映的两维空间位置信息和微透镜覆盖的像元位置反映的两维方向信息分别相对应，实现了四维光场的解析。然后对光场数据进行采集后并处理能获得不同深度截面的清晰图像。本技术和现有的红外成像技术相比，具有如下优点:(I)红外变焦光场相机拍摄照片时，无需对焦。(2)避免的传统相机因为物体晃动或者因为平台震动造成拍摄的图片模糊，利用红外变焦光场相机可以得到一系列不同焦点的图片。(3)红外变焦光场相机中的变焦物镜保证光场相机既可拍摄远处的物体，又可拍摄近距离的目标。(4)红外变焦光场相机的光学系统利用光学被动式实现无热化设计，使得相机可在大温度范围内使用，避免高温或者低温对成像质量的影响。(5)红外变焦光场相机不受光照条件的限制，可全天候使用。以下结合附图和实施例对本技术进一步说明。附图说明图1是红外光场相机在短焦、中焦、长焦位置处的光学系统图。图2是微透镜阵列的结构示意图。图3是数据采集的框图。图4是图像清晰度评价的步骤图。图中I表示变焦物镜，11表示物镜中的前固定组，12表示物镜中的变倍组，13表示物镜中的补偿组，14表不物镜中的后固定组,2表不微透镜阵列，3表不(XD感光兀件,4表示不同入射角的光线，5表示变倍组的移动轨迹,6表示补偿组的移动轨迹。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术并不限于一下实施例。下述实施例中，如无特殊说明，均为常规方法。实施例中使用的各种单位，统一采用国家标准。实施例1:光学系统的组成红外变焦光场相机的光学系统结构见图1，包括变焦物镜1、微透镜阵列2和CXD感光元件3三个部分。在变焦物镜I的像面处放置微透镜阵列2，CCD感光元件放置在微透镜的焦面处。物体上一点经过变焦物镜I聚焦于微透镜阵列平面2上，然后光线经单个微透镜分散出光强度和不同的方向分量，分别到达探测器的不同像元位置处。(I)变焦物镜变焦物镜的结构如图1所示，变焦物镜包括前固定组11，变倍组12，补偿组13和后固定组14四部分，各个组分的玻璃材料均采 用硅或者锗，用于透射红外光线。变焦过程就是光学系统的焦距在一定范围内可连续变化而物像的共轭距不变，也就是保持像面位置恒定不变和成像质量良好的过程。变焦距光学镜头在一定范围内可以改变焦距从而得到不同大小的视场角、不同大小的影像和不同大小的景物范围，因此为了即能拍摄远处的目标，又能获取近处的场景，需要对物镜进行变焦设计。为了能使设计出的物镜连续变焦，采用机械补偿法设计镜头。机械补偿法的变焦距镜头，无论结构简单或复杂，一般包括前固定组11、变倍组12、补偿组13和后固定组14四部分。当系统由短焦位置向长焦位置运动时，可以看到变倍透镜组11按照直线5向右移动，补偿透镜12组按照曲线6向左移动，两透镜组在中部靠拢。这需要高精度的凸轮带动实现连续变焦。(2)微透镜阵列本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种红外变焦光场相机，包括变焦物镜(1)、微透镜阵列(2)和CCD感光元件(3)三个部分，并在光路上依次放置，其特征在于系统的分光装置为微透镜阵列。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙小玲，周斌，许光，宋苗苗，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：实用新型
国别省市：