一種基于像元優(yōu)化編碼曝光的高速成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于光學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種基于像元優(yōu)化編碼曝光的高速成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前相機(jī)技術(shù)面臨著時(shí)間分辨率和空間分辨率很難同時(shí)提高的根本矛盾。雖然數(shù)碼相機(jī)能得到高分辨率(大面陣相機(jī))的圖像，但是高速攝影視頻相機(jī)通常只能得到相對(duì)較低的像素分辨率。而且在不提高硬件資源的前提下很難獲得高分辨率圖像。這些限制主要是由于成像探測(cè)器的硬件系統(tǒng)如讀出電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)引起的。雖然可以通過(guò)增加模數(shù)轉(zhuǎn)換器和幀緩存電路來(lái)增加讀出電路，但這又會(huì)在每個(gè)像素中引入更多的晶體管從而增加資源消耗和降低填充因子。
[0003]目前很多相機(jī)廠商都會(huì)采取一種叫“Thin-out”的妥協(xié)模式，該模式直接通過(guò)降低空間分辨率來(lái)獲取更高的時(shí)間分辨率，最終圖像質(zhì)量也會(huì)退化。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]為了解決【背景技術(shù)】中存在的上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種基于像元優(yōu)化編碼曝光，并對(duì)采樣函數(shù)進(jìn)行設(shè)置以滿足目前圖像傳感器的硬件限制最終實(shí)現(xiàn)高速高分辨率成像的基于像元優(yōu)化編碼曝光的高速成像系統(tǒng)。
[0005]本實(shí)用新型的具體技術(shù)方案是:
[0006]一種基于像元優(yōu)化編碼曝光的高速成像系統(tǒng)，其特征在于:包括物鏡、第一中繼透鏡、偏振分束器、第二中繼透鏡、空間光調(diào)制器、第三中繼透鏡和圖像傳感器；
[0007]所述物鏡、第一中繼透鏡、偏振分束器、第二中繼透鏡、空間光調(diào)制器依次設(shè)置在自然光的光軸上；
[0008]所述第三中繼透鏡和圖像傳感器依次設(shè)置在偏振分束器的上方；
[0009]自然光依次通過(guò)物鏡、第一中繼透鏡和第二中繼透鏡進(jìn)入偏振分束器；所述偏振分束器將自然光分束成S偏振光和P偏振光；所述S偏振光經(jīng)偏振分束器反射出外部空間；所述P偏振光依次經(jīng)過(guò)第二中繼透射入射至空間光調(diào)制器；所述空間光調(diào)制器將接收的P偏振光一部分轉(zhuǎn)換為S偏振光經(jīng)偏振分束器反射后經(jīng)過(guò)第三中繼透鏡后被圖像傳感器接收；另一部分未被轉(zhuǎn)換的P偏振光經(jīng)原路返回。
[0010]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0011]1、本實(shí)用新型的空間光調(diào)制器(LCoS)完成入射光調(diào)制，對(duì)圖像傳感器的采樣函數(shù)進(jìn)行設(shè)置使得在圖像傳感器曝光時(shí)間內(nèi)單個(gè)像元有且僅有一次曝光，使得該方法及系統(tǒng)能夠應(yīng)用于現(xiàn)有的圖像傳感器。
[0012]3、本實(shí)用新型利用空間光調(diào)制器和偏振分束器協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)了圖像傳感器的行和列同時(shí)尋址的功能?！靖綀D說(shuō)明】:
[0013]圖1為本實(shí)用新型提供的基于像元編碼優(yōu)化曝光的高速成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
[0014]1-物鏡、2-第一中繼透鏡、3-偏振分束器、4-第二中繼透鏡、5-空間光調(diào)制器、6-第三中繼透鏡、7-圖像傳感器。
【具體實(shí)施方式】
:
[0015]參見圖1，本實(shí)用新型提供了一種基于空間光調(diào)制器(LCoS)的像元優(yōu)化編碼曝光高速成像系統(tǒng)。包括物鏡1、第一中繼透鏡2、偏振分束器3、第二中繼透鏡4、空間光調(diào)制器5、第三中繼透鏡6和圖像傳感器7。
[0016]物鏡1、第一中繼透2鏡、偏振分束器3、第二中繼透鏡4、空間光調(diào)制器5依次設(shè)置在自然光的光軸上；
[0017]第三中繼透鏡3和圖像傳感器7依次設(shè)置在偏振分束器3的上方；
[0018]自然光依次通過(guò)物鏡1、第一中繼透鏡2進(jìn)入偏振分束器3 ;偏振分束器3將自然光分束成S偏振光和P偏振光；S偏振光經(jīng)偏振分束器3反射出外部空間；P偏振光依次經(jīng)過(guò)第二中繼透4射入射至空間光調(diào)制器5 ;空間光調(diào)制器5將接收的P偏振光一部分轉(zhuǎn)換為S偏振光經(jīng)偏振分束器3反射后經(jīng)過(guò)第三中繼透鏡6后被圖像傳感器7接收；另一部分未被轉(zhuǎn)換的P偏振光經(jīng)原路返回。
[0019]具體的工作過(guò)程，如下所述:
[0020]自然光首先通過(guò)物鏡1、第一中繼透鏡2、，然后通過(guò)偏振分束器3，偏振分束器將自然光分束成S偏振光和P偏振光，并將S偏振光向下反射至外部空間，P偏振光通過(guò)偏振光分光器3o
[0021]然后，P偏振光在空間光調(diào)制器(LCoS)5上成像并反射回來(lái)。當(dāng)空間光調(diào)制器(LCoS) 5的某個(gè)像元“開”時(shí)(圖中白色表示)，P偏振光轉(zhuǎn)換成S偏振光，當(dāng)其“關(guān)”時(shí)(圖中黑色表示)，其反射光與入射光偏振態(tài)相同(P偏振)。對(duì)于反射光，只有S偏振光能被圖像傳感器7接受并成像，P偏振光將通過(guò)偏振光分光器3。至此，利用空間光調(diào)制器(LCoS)5實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射光的調(diào)制。
[0022]在一次圖像傳感器7曝光時(shí)間內(nèi)，空間光調(diào)制器(LCoS) 5依據(jù)采樣函數(shù)顯示多幀二進(jìn)制圖像。例如:其工作頻率是圖像傳感器7幀頻的15倍左右。如果圖像傳感器機(jī)7的積分曝光時(shí)間為15ms (66Hz)，空間光調(diào)制器(LCoS) 5工作頻率為1000Hz，那么就能從一幀編碼曝光圖像中得到15幀的視頻。
[0023]本實(shí)用新型的系統(tǒng)，最終目的是要獲取高速高分辯率的圖像，要完成上述目的，依據(jù)的工作原理是基于公式= S*E ;
[0024]其中，I表示多幀圖像信息的單幀編碼曝光圖像；E表示高分辨率多幀視頻圖像；S表示采樣函數(shù)；
[0025]該方法的具體步驟是:
[0026]步驟I)通過(guò)學(xué)習(xí)隨機(jī)視頻，利用K-SVD算法，得到過(guò)完備字典D ;
[0027]K-SVD 算法由 Aharon M 等人于 2006 年提出(Aharon M, Elad M, BrucksteinA M.The K-SVD:An Algorithm for Designing of Overcomplete Dict1nariesfor Sparse Representat1n[J].1EEE Transact1ns on Signal Processing, 2006，54(11):4311-4322.)，是目前一個(gè)比較受歡迎的字典學(xué)習(xí)算法，K-SVD算法可以理解成廣義的K-Means算法，當(dāng)K-SVD算法中只用一個(gè)原子近似表示每個(gè)信號(hào)時(shí)就退化為K-Means聚類算法。該算法利用奇異值分解方式代替MOD (Method of Optimal Direct1ns)中求解逆矩陣逐個(gè)更新原子，訓(xùn)練出了與圖像幾何結(jié)構(gòu)相匹配的冗余字典。
[0028]步驟2)依據(jù)上述系統(tǒng)，獲取包含多幀圖像信息的單幀編碼曝光圖像I ;
[0029]步驟2.1)設(shè)定空間光調(diào)制器的采樣函數(shù)S ；
[0030]需要說(shuō)明的是:為了克服當(dāng)前圖像傳感器沒有列尋址的限制，本實(shí)用新型提供的采樣函數(shù)滿足以下條件:
[0031]1、采樣函數(shù)必須是是二進(jìn)制數(shù)，S卩:S(x，y，t) e {0,1}.在任何時(shí)刻，單個(gè)像元要么收集光線(1-開)要么不收集光線(O-關(guān))。
[0032]2、采樣函數(shù)在圖像傳感器曝光時(shí)間內(nèi)單個(gè)像元有且只有一次曝光。由于圖像傳感器中不是每個(gè)像元都有片上緩存。所以在一次相機(jī)曝光積分時(shí)間里每個(gè)像元只能有一次連續(xù)的曝光。
[0033]像元曝光起始時(shí)刻設(shè)置如下:首先，從圖像傳感器的左上角的一個(gè)MXM塊(標(biāo)記為Po)開始，隨機(jī)選擇Po內(nèi)像素的曝光開始時(shí)間。并使這些M2個(gè)像素的總的“開”時(shí)間覆蓋整個(gè)相機(jī)曝光積分時(shí)間:Σ (x,y) ep0S(x, y，t)彡I ;t = I...N。其中N為從編碼曝光圖像中恢復(fù)出的幀數(shù)；
[0034]第二步，將矩陣塊MXM向右移動(dòng)一列，標(biāo)記為Pl，其與Ptl有M-1列是重疊的，對(duì)于這些重疊的像元保持與之前相同的曝光開始時(shí)間。對(duì)于P1中新的一列，按照之前P C1的方法，隨機(jī)設(shè)置這些像元的曝光開始時(shí)間。第三部，重復(fù)迭代第二步，直到所有像元都設(shè)置了曝光開始時(shí)間。
[0035]步驟2.2)利用空間光調(diào)制器完成對(duì)圖像傳感器入射光的調(diào)制，得到包含多幀圖像信息的單幀編碼曝光圖像I ;
[0036]步驟3)計(jì)算高分辨率多幀視頻圖像E ;
[0037]步驟3.1)利用重構(gòu)算法，解算系數(shù)α ；
[0038]具體計(jì)算公式是:I = S*E = S*D*a
[0039]步驟3.2)利用系數(shù)a，恢復(fù)出高分辨率多幀視頻圖像E ；
[0040]具體計(jì)算公式是:
[0041]E = D* a。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于像元優(yōu)化編碼曝光的高速成像系統(tǒng)，其特征在于:包括物鏡、第一中繼透鏡、偏振分束器、第二中繼透鏡、空間光調(diào)制器、第三中繼透鏡和圖像傳感器； 所述物鏡、第一中繼透鏡、偏振分束器、第二中繼透鏡、空間光調(diào)制器依次設(shè)置在自然光的光軸上； 所述第三中繼透鏡和圖像傳感器依次設(shè)置在偏振分束器的上方； 自然光依次通過(guò)物鏡、第一中繼透鏡和第二中繼透鏡進(jìn)入偏振分束器；所述偏振分束器將自然光分束成S偏振光和P偏振光；所述S偏振光經(jīng)偏振分束器反射出外部空間；所述P偏振光依次經(jīng)過(guò)第二中繼透射入射至空間光調(diào)制器；所述空間光調(diào)制器將接收的P偏振光一部分轉(zhuǎn)換為S偏振光經(jīng)偏振分束器反射后經(jīng)過(guò)第三中繼透鏡后被圖像傳感器接收；另一部分未被轉(zhuǎn)換的P偏振光經(jīng)原路返回。
【專利摘要】本實(shí)用新型屬于光學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種基于像元優(yōu)化編碼曝光的高速成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括物鏡、第一中繼透鏡、偏振分束器、第二中繼透鏡、空間光調(diào)制器、第三中繼透鏡和圖像傳感器；物鏡、第一中繼透鏡、偏振分束器、第二中繼透鏡、空間光調(diào)制器依次設(shè)置在自然光的光軸上；第三中繼透鏡和圖像傳感器依次設(shè)置在偏振分束器的上方；通過(guò)該系統(tǒng)可以獲得包含多幀圖像信息的單幀編碼曝光圖像I；通過(guò)學(xué)習(xí)隨機(jī)視頻，得到過(guò)完備字典D，在采用重構(gòu)算法，解算出系數(shù)α，最終得到高分辨率多幀視頻圖像E。本實(shí)用新型的系統(tǒng)能夠避免目前圖像傳感器的硬件限制，最終實(shí)現(xiàn)高速高分辨率成像。
【IPC分類】H04N5-235, G02B27-28
【公開號(hào)】CN204316623
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201420845246
【發(fā)明人】江寶坦, 邱躍洪, 潘志斌, 陳智
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所
【公開日】2015年5月6日
【申請(qǐng)日】2014年12月26日