基于光场测量的成像技术研究

基于光场测量的成像技术研究传统成像只能记录光线的位置信息,丢失了与场景深度、目标几何形态等高度耦合的光线角度信息,导致其在对焦和景深上存在一系列不可调和的问题。光场成像由于特殊的光学结构使其可以在单次曝光中同时记录光线的位置信息和方向信息,其成像模式是一种“先拍照,后对焦”的数字成像模式,可以人为地指定焦面的位置,扩展了成像系统的景深,解决了传统成像存在的诸多问题。当以上光学成像系统受到大气湍流等像差影响的时候,将大大降低光学系统的成像质量。克服大气湍流等像差的方法目前主要有自适应光学技术和图像后处理技术。自适应光学技术波前测量需要导星,且结构复杂成本较高,对于一些小型化设备,难以大规模应用;而图像后处理技术是一种图像事后处理技术,对图像的拍摄条件、样本的数量、图像的先验信息都有特殊的要求,且数据计算量大,很难做到实时或者准实时,不适用于高速运动目标的清晰成像。针对传统成像在对焦和景深上所存在的问题、针对光学系统受到像差影响时成像质量变差的问题、针对传统克服像差的方法所存在的一些局限性,本文对光场成像、光场数字重聚焦、光场波前测量等技术开展了深入的理论和应用研究,并取得了一系列的创新成果。本文主要工作如下所述:一,对光场成像理论及光场波前测量理论进行了深入研究,分析了光场波前测量的误差及精度,提出了光场调制的方法来提高光场波前测量的精度。根据光场测量理论模型,利用光线追迹的方法,在MATLAB数值仿真软件上建立了光场成像及光场波前测量的数值仿真平台,实现了对2D扩展目标的模拟光场成像、数字重聚焦、波前测量及波前复原。仿真结果表明,光场相机可以有效地测量并重构出目标的畸变波前。通过仿真结果说明了光场相机主镜与微透镜阵列f数匹配的影响,验证了重聚焦算法对离焦像差的去除效果。二,设计了光场相机和传统相机相结合的新型高清晰成像系统,该系统通过一个分束镜使传统相机的成像传感器和光场相机的微透镜阵列同时位于主镜的像面处,由光场相机计算获得目标的波前信息进而解算出系统的点扩散函数,再与传统相机捕获的模糊图像做解卷积便可得到重构的高清晰图像。该装置可以解决在大气湍流等像差的影响下,光学系统成像质量不高的问题。此外,该系统将光场相机和传统相机的优劣势互补,既通过光场阵列成像解决了传统相机在对焦和景深上所存在的问题,又通过传统成像弥补了光场相机空间分辨率低的问题。数值仿真结果验证了该方法的有效性。三,提出了基于光场操控的高清晰成像技术,该方法通过图像相关算法计算并补偿每一个子孔径图像由于像差影响而产生的偏移量,从而对目标波前进行整形,以解决光场相机在受到像差干扰的情况下成像质量差的问题,减弱部分像差对光场相机成像系统的影响。分析了该方法的误差。设计、搭建并解码了实验室光场相机,仿真和实验结果验证了该方法的有效性。该方法的优点主要在于:仅使用了光场相机在单次曝光中所捕获的原始光场数据,不需要添加额外的硬件设备,成本低;波前测量不需要导星,系统结构简单;保留了光场子孔径图像的视差信息。四,提出了基于光场筛选的高清晰成像技术,该方法通过图像相关算法筛选出受到像差影响时质量相对较好的部分子孔径图像来进行数字重聚焦,可以解决光场相机在受到像差干扰的情况下成像质量差的问题,消除部分像差对光场相机成像系统的影响。仿真和实验结果验证了该方法的有效性。该方法的优势主要在于:仅使用了光场相机在单次曝光中捕获的原始光场数据,不需要添加额外的硬件设备,成本低;方法简单易行。五,提出了光场筛选和光场操控相结合的高清晰成像技术,即先位移补偿每个子孔径图像由于像差的影响而产生的偏移量,再筛选出部分优质的子孔径图像进行数字重聚焦以得到目标的高清晰图像,进一步提高了光场相机成像系统在受到像差影响时的成像质量。仿真结果验证了该方法的有效性。这些成果可以用于分析透镜畸变、水下成像中的水湍流以及遥感成像中的大气湍流所引起的图像畸变,在天文目标探测和遥感成像等领域有重要的应用价值。