專利名稱：波前相差和距離測量相位相機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學和圖像處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及兩方面需求獲得與圖像質(zhì)量最重要的任何光學問題 (例如診斷)相關(guān)的三維波前測量的需求，以及在從幾微米到幾公 里大的體積范圍內(nèi)以獲得足夠可靠且精確的深度圖的需求。
盡管 一般的方法可應(yīng)用于其它領(lǐng)域，但是本發(fā)明的分析集中于大 孔徑望遠鏡和景深測量。
現(xiàn)有技術(shù)
大氣X線斷層攝影術(shù)
對于現(xiàn)有的大口徑望遠鏡(GRANTECAN， Keck，...)和未來 的超大望遠鏡(直徑為50或100米)，其自適應(yīng)光學系統(tǒng)已經(jīng)采用稱 為多重共軛自適應(yīng)光學的X線斷層攝影術(shù)形式來測量大氣相位的三維 分布。在天空中缺乏足夠數(shù)量的自然點源，使得在由望遠鏡觀察的目 標-見場中只有一個點源出現(xiàn)，為此必須^使用人工點源，比如Na星(90 千米高)。
為了對影響來自天空中目標的光束的整個大氣進行糾正(避免焦 點的非等暈性)，需要使用幾個假星(至少5個)。為了產(chǎn)生假星，每 個假星均需要一臺分辨率很高且高功率的脈沖激光器，這導(dǎo)致該技術(shù) 成本非常昂貴。而且，在這種高成本之后，多重共軛自適應(yīng)光學只能 測量最多三個水平湍流層的大氣相位(運用同時測量的三個相位傳感 器)，即，其掃描影響圖像的三維圓柱的微小部分。他們還通過計算來 復(fù)原相位估計，該計算很復(fù)雜，為此他們將危及在可見光譜中的大氣 穩(wěn)定的時間內(nèi)的光束的自適應(yīng)校正(10ms )。
但是，本文提出的該技術(shù)將允許
-在每個大氣穩(wěn)定的時間內(nèi)，限于單個測量和單個傳感器。 -通過基于傅立葉變換運算法則來復(fù)原與每個水平湍流層相關(guān)的
相位，即，整個大氣的X線斷層攝影術(shù)，其本身自動地快速，并且能
夠通過對圖形處理單元(GPU)或者例如FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)
的電子硬件單元智能調(diào)整來加速。
-防止需要使用假激光星，因為這種新的技術(shù)不需要以然后將被
分解(deconvolute )的點信號來校準，因而在目標到達地球大氣時，
它將實時復(fù)原目標的圖像。 人眼X線斷層攝影術(shù)
為了做出更可靠的診斷，進行人眼X線斷層攝影術(shù)的主要興趣基 本上基于得到和具有對于醫(yī)學專家可用的、病人的視網(wǎng)膜底的清晰圖 <象。水狀液、玻璃體液和晶狀體在眼睛中用作消除可/人碎見網(wǎng)膜底產(chǎn)生 的^f象差的工具。
事實上，人眼不需要如同地球大氣一樣頻繁地(每隔10ms—次) 測量，這是因為它是穩(wěn)定的變換；但是，為了不但要得到視網(wǎng)膜底的 好圖像、而且要檢測眼睛可能損害的空間位置，它需要足夠的三維分 辨率。
在上述領(lǐng)域中，少數(shù)把微透鏡放在焦點處的作者，并非采用傅立 葉"切片"技術(shù)來測量光學像差值、糾正圖像或者測距。另外，與焦
點中的微透鏡相關(guān)的傅立葉"切片，，技術(shù)只被用于在幾立方米的體積 范圍內(nèi)獲得真實場景聚焦的圖像，其質(zhì)量顯然超過了普通的場深技術(shù)。 總之，其他作者的這些貢獻與本文描述的專利內(nèi)容無關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
微透鏡的單個陣列(形成CCD上具有足夠分辨率的圖像并且置于 會聚透鏡的焦點處)，可對目標三維空間進行X線斷層攝影術(shù)的測量。
測量只進行一次，即，單個圖像包含足夠的信息以復(fù)原三維環(huán)境。 該圖像可理解為由4維組成CCD上與每個微透鏡的內(nèi)側(cè)相關(guān)的兩個 坐標，以及與孩t透4t陣列相關(guān)的其它兩個坐標。
本發(fā)明基于廣義的傅立葉"切片"定理，CCD拍到的圖像是4維 傅立葉變換，然后對圖像進行旋轉(zhuǎn)和"切片"操作，該操作決定目標 將被復(fù)原的深度并將4維問題降低到僅為2維。本發(fā)明的目的是確定 目標所在的深度；最后，通過在變換的范圍內(nèi)工作并且以邊緣檢測算 法識別目標(高空間頻率)，可以識別場景中所處的距離預(yù)先已知的元 件。
另外，Shack-Hartmann傳感器由以陣列形式設(shè)置的透鏡裝配組成， 以在2維的探測器上形成相同數(shù)量的圖像。它們中的每一個相對于與 平面波前對應(yīng)的位置的位移測量了波前的局部梯度?？梢酝ㄟ^多種方 法來復(fù)原原始的波前。本發(fā)明4是出的相位相沖幾包括Shack-Hartmann, 其處于會聚透鏡的焦點中(這就是為什么該設(shè)計也稱作波前相位相 機)，但置于透鏡的焦點處，具有與迄今已和Shack-Hartmann傳感器 相關(guān)的完全不同的數(shù)據(jù)處理。因而波前相位和深度都可以復(fù)原。


圖1:組成相位相機的孔徑透鏡(1)、透鏡(2)以及CCD (3) 的排列圖。(5)是會聚透鏡的焦點，(6)是透鏡陣列的每一微透鏡的 焦距。(7)是波前的局部傾角。(4)是相對于無像差的波前，由湍流 波前經(jīng)過的光程位移。
圖2:本發(fā)明應(yīng)用于帶有較大主鏡(1 )的望遠鏡的原理圖。以自
適應(yīng)光學在星(8)的大氣觀測中進行大氣X線斷層攝影術(shù)。大氣中 單獨的湍流層對應(yīng)(9)和(10)。相位相機可掃描影響望遠鏡最終圖 像的大氣湍流(13)的完整圓柱。
圖3:采用與大氣中的兩個湍流層(9)和(10)多重共軛的自適 應(yīng)光學、對星(8)進行傳統(tǒng)天體觀測的原理圖。它只能獲得很少量的 單獨湍流層(最多三個)。(11)和(12)表示與每一瑞流層共軛地相 關(guān)的波前傳感器。(1 )對應(yīng)望遠鏡。
具體實施例方式
考慮了以下具體情況，即，應(yīng)用直徑超過大氣的相干直徑rO (在 可見光i普中約20厘米)的望遠鏡進行天體觀測。大氣湍流導(dǎo)致用望遠 鏡獲得的圖像中的分辨率的損失，即，高空間頻率信息的損失。為了 防止該損失，需要知道大氣湍流使來自所研究星體的光的波前劣化的 方式。可始終應(yīng)用自然或者人工的點星(可表現(xiàn)出大氣在波前中造成 的變形)。
應(yīng)用傳統(tǒng)的多重共軛自適應(yīng)光學(圖3)，波前相位傳感器必須用 于每個與單獨的湍流層共軛的可變形的鏡，即，在使用中必須平行排 列并》文置在光軸不同位置的兩個不同的相位傳感器(WFS )。由于大氣 在可見光譜內(nèi)每隔10毫秒變化一次，因而計算的復(fù)雜性和速度的要 求，使得它不可能克服現(xiàn)在僅三個空氣湍流層的修正。
應(yīng)用具有如圖1所示設(shè)計的相位相機，在這種情況下其操作如圖 2所示，只用到了一個傳感器，該傳感器置于光軸上的單個位置，并 且此后基本上通過傅立葉切片技術(shù)進行的單個測量可獲得與整個大氣 柱相關(guān)的湍流層(波前相位)的三維圖，該湍流層影響本發(fā)明的望遠 鏡的觀測以及湍流層所在的位置處的高度。
權(quán)利要求
1.一種在不同環(huán)境下采用傅立葉切片技術(shù)的波前相差和距離測量相位相機，其特征在于，微透鏡置于會聚透鏡的焦點處，所述微透鏡的數(shù)據(jù)運用傅立葉“切片”和快速傅立葉變換邊緣檢測技術(shù)的結(jié)合來解釋。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在不同環(huán)境下采用傅立葉切片技術(shù)的波前相差和距離測量相位相才幾，用于獲得與影響地面望遠鏡天體觀測的 大氣湍流層集合相關(guān)的三維相位圖。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在不同環(huán)境下釆用傅立葉切片技術(shù)的波 前相差和距離測量相位相機，用于獲得與影響病人的視網(wǎng)膜底的眼科 )現(xiàn)測的湍流組相關(guān)的三維相位圖。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在不同環(huán)境下采用傅立葉切片技術(shù)的波 前相差和距離測量相位相，用于獲得與 一組真實場景的成分組相關(guān) 的三維相位圖。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在不同環(huán)境下采用傅立葉切片技術(shù)的波 前相差和距離測量相位相機，用于獲得與CCD表面相關(guān)的三維相位 圖。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在不同環(huán)境下采用傅立葉切片技術(shù)的波 前相差和距離測量相位相機，用于獲得與汽車工業(yè)中的必要機械部件 的表面相關(guān)的三維相位圖。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在不同環(huán)境下采用傅立葉切片技術(shù)的波 前相差和距離測量相位相才幾，用于獲得與影響地面望遠鏡天體觀測的 大氣湍流層組相關(guān)的距離圖。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在不同環(huán)境下采用傅立葉切片技術(shù)的波 前相差和距離測量相位相機，用于獲得與影響病人一見網(wǎng)膜底的眼科觀 測的湍流組相關(guān)的距離圖。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在不同環(huán)境下采用傅立葉切片技術(shù)的波 前相差和距離測量相位相機，用于獲得與真實場景中的成分組相關(guān)的 深度圖。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在不同環(huán)境下采用傅立葉切片技術(shù) 的波前相差和距離測量相位相機，用于獲得與CCD的表面相關(guān)的深度 圖(拋光)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在不同環(huán)境下采用傅立葉切片技術(shù) 的波前相差和距離測量相位相機，用于獲得與汽車工業(yè)中的必要機械 部件的表面相關(guān)的深度圖。
12. —種用于獲得深度和波前相位圖的方法，通過使用在不同環(huán) 境下采用傅立葉切片技術(shù)的波前相差和距離測量相位相機，所述相位 相機的特征在于根據(jù)權(quán)利要求1所述，開發(fā)于GPU上。
13. —種用于獲得深度和波前相位圖的方法，通過使用在不同環(huán) 境下采用傅立葉切片技術(shù)的波前相差和距離測量相位相才幾，所述相位 相機的特征在于根據(jù)權(quán)利要求1所述，開發(fā)于FPGA上。
14. 一種用于獲得深度和波前相位圖的方法，通過使用在不同環(huán) 境下采用傅立葉切片技術(shù)的波前相差和距離測量相位相機，所述相位 相機的特征在于根據(jù)權(quán)利要求1所述，開發(fā)于GPU和FPGA的組合上。
15. —種利用具有GPU控制的可變形鏡的自適應(yīng)光學的天體觀 測的方法，通過使用在不同環(huán)境下采用傅立葉切片技術(shù)的波前相差和 距離測量相位相機，所述相位相機的特征在于根據(jù)權(quán)利要求1所述， 用于獲得與影響地面望遠鏡天體觀測的大氣湍流層組相關(guān)的三維相位圖。
16. —種利用具有FPGA控制的可變形#:的自適應(yīng)光學的天體 觀測的方法，通過使用在不同環(huán)境下采用傅立葉切片技術(shù)的波前相差 和距離測量相位相機，所述相位相機的特征在于根據(jù)權(quán)利要求1所述， 用于獲得與影響地面望遠鏡天體觀測的大氣湍流層組相關(guān)的三維相位 圖。
17. —種利用具有GPU控制和FPGA控制的可變形一鏡的自適應(yīng) 光學的天體觀測的方法，通過使用在不同環(huán)境下采用傅立葉切片技術(shù) 的波前相差和距離測量相位相機，所述相位相才幾的特征在于才艮據(jù)權(quán)利 要求1所述，用于獲得與影響地面望遠鏡天體觀測的大氣瑞流層組相 關(guān)的三維相位圖。
全文摘要
一種由具有微透鏡的相位相機組成的系統(tǒng)，微透鏡置于會聚透鏡的焦點處，其中采用組合的傅立葉“切片”和快速傅立葉轉(zhuǎn)換邊緣探測技術(shù)處理的相機數(shù)據(jù)，在寬的體積范圍內(nèi)，提供了三維波前圖和真實場景深度圖。本發(fā)明適用于任何波前需要確定的領(lǐng)域，比如地面的天文觀測、眼科等；以及需要度量的領(lǐng)域，比如真實場景、CCD拋光、汽車機械等。應(yīng)用本發(fā)明的具體情況為利用ELT(大直徑望遠鏡50或100米)的大氣X線斷層攝影術(shù)。
文檔編號G01J9/00GK101371116SQ200780002729
公開日2009年2月18日 申請日期2007年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月20日
發(fā)明者何塞·希爾·馬里沙爾-赫內(nèi)恩德斯, 何塞·曼努埃爾·羅德里格斯拉莫斯, 費爾南多·羅莎貢佐萊斯 申請人:拉古納大學