【摘要】：傳統(tǒng)成像只能記錄光線的位置信息,丟失了與場景深度、目標(biāo)幾何形態(tài)等高度耦合的光線角度信息,導(dǎo)致其在對焦和景深上存在一系列不可調(diào)和的問題。光場成像由于特殊的光學(xué)結(jié)構(gòu)使其可以在單次曝光中同時記錄光線的位置信息和方向信息,其成像模式是一種“先拍照,后對焦”的數(shù)字成像模式,可以人為地指定焦面的位置,擴(kuò)展了成像系統(tǒng)的景深,解決了傳統(tǒng)成像存在的諸多問題。當(dāng)以上光學(xué)成像系統(tǒng)受到大氣湍流等像差影響的時候,將大大降低光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量�？朔髿馔牧鞯认癫畹姆椒壳爸饕凶赃m應(yīng)光學(xué)技術(shù)和圖像后處理技術(shù)。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)波前測量需要導(dǎo)星,且結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本較高,對于一些小型化設(shè)備,難以大規(guī)模應(yīng)用;而圖像后處理技術(shù)是一種圖像事后處理技術(shù),對圖像的拍攝條件、樣本的數(shù)量、圖像的先驗(yàn)信息都有特殊的要求,且數(shù)據(jù)計算量大,很難做到實(shí)時或者準(zhǔn)實(shí)時,不適用于高速運(yùn)動目標(biāo)的清晰成像。針對傳統(tǒng)成像在對焦和景深上所存在的問題、針對光學(xué)系統(tǒng)受到像差影響時成像質(zhì)量變差的問題、針對傳統(tǒng)克服像差的方法所存在的一些局限性,本文對光場成像、光場數(shù)字重聚焦、光場波前測量等技術(shù)開展了深入的理論和應(yīng)用研究,并取得了一系列的創(chuàng)新成果。本文主要工作如下所述:一,對光場成像理論及光場波前測量理論進(jìn)行了深入研究,分析了光場波前測量的誤差及精度,提出了光場調(diào)制的方法來提高光場波前測量的精度。根據(jù)光場測量理論模型,利用光線追跡的方法,在MATLAB數(shù)值仿真軟件上建立了光場成像及光場波前測量的數(shù)值仿真平臺,實(shí)現(xiàn)了對2D擴(kuò)展目標(biāo)的模擬光場成像、數(shù)字重聚焦、波前測量及波前復(fù)原。仿真結(jié)果表明,光場相機(jī)可以有效地測量并重構(gòu)出目標(biāo)的畸變波前。通過仿真結(jié)果說明了光場相機(jī)主鏡與微透鏡陣列f數(shù)匹配的影響,驗(yàn)證了重聚焦算法對離焦像差的去除效果。二,設(shè)計了光場相機(jī)和傳統(tǒng)相機(jī)相結(jié)合的新型高清晰成像系統(tǒng),該系統(tǒng)通過一個分束鏡使傳統(tǒng)相機(jī)的成像傳感器和光場相機(jī)的微透鏡陣列同時位于主鏡的像面處,由光場相機(jī)計算獲得目標(biāo)的波前信息進(jìn)而解算出系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù),再與傳統(tǒng)相機(jī)捕獲的模糊圖像做解卷積便可得到重構(gòu)的高清晰圖像。該裝置可以解決在大氣湍流等像差的影響下,光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量不高的問題。此外,該系統(tǒng)將光場相機(jī)和傳統(tǒng)相機(jī)的優(yōu)劣勢互補(bǔ),既通過光場陣列成像解決了傳統(tǒng)相機(jī)在對焦和景深上所存在的問題,又通過傳統(tǒng)成像彌補(bǔ)了光場相機(jī)空間分辨率低的問題。數(shù)值仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。三,提出了基于光場操控的高清晰成像技術(shù),該方法通過圖像相關(guān)算法計算并補(bǔ)償每一個子孔徑圖像由于像差影響而產(chǎn)生的偏移量,從而對目標(biāo)波前進(jìn)行整形,以解決光場相機(jī)在受到像差干擾的情況下成像質(zhì)量差的問題,減弱部分像差對光場相機(jī)成像系統(tǒng)的影響。分析了該方法的誤差。設(shè)計、搭建并解碼了實(shí)驗(yàn)室光場相機(jī),仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。該方法的優(yōu)點(diǎn)主要在于:僅使用了光場相機(jī)在單次曝光中所捕獲的原始光場數(shù)據(jù),不需要添加額外的硬件設(shè)備,成本低;波前測量不需要導(dǎo)星,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單;保留了光場子孔徑圖像的視差信息。四,提出了基于光場篩選的高清晰成像技術(shù),該方法通過圖像相關(guān)算法篩選出受到像差影響時質(zhì)量相對較好的部分子孔徑圖像來進(jìn)行數(shù)字重聚焦,可以解決光場相機(jī)在受到像差干擾的情況下成像質(zhì)量差的問題,消除部分像差對光場相機(jī)成像系統(tǒng)的影響。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。該方法的優(yōu)勢主要在于:僅使用了光場相機(jī)在單次曝光中捕獲的原始光場數(shù)據(jù),不需要添加額外的硬件設(shè)備,成本低;方法簡單易行。五,提出了光場篩選和光場操控相結(jié)合的高清晰成像技術(shù),即先位移補(bǔ)償每個子孔徑圖像由于像差的影響而產(chǎn)生的偏移量,再篩選出部分優(yōu)質(zhì)的子孔徑圖像進(jìn)行數(shù)字重聚焦以得到目標(biāo)的高清晰圖像,進(jìn)一步提高了光場相機(jī)成像系統(tǒng)在受到像差影響時的成像質(zhì)量。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。這些成果可以用于分析透鏡畸變、水下成像中的水湍流以及遙感成像中的大氣湍流所引起的圖像畸變,在天文目標(biāo)探測和遙感成像等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值。
【圖文】：

在以上理論上的缺陷，其圖像的質(zhì)量取限性。光場成像作為一種新的計算成像，還記錄了光線的二維方向信息，相比個自由度。光場成像主要是指通過在傳制掩膜的方法來獲得目標(biāo)光輻射的空相比，光場成像的主要優(yōu)勢在于：一、差信息的子孔徑圖像，并提取出目標(biāo)場、利用數(shù)字重聚焦算法，光場相機(jī)可的積分，可以人為地調(diào)整焦面的位置統(tǒng)的景深，，解決了傳統(tǒng)成像在對焦和景所需要的圖像。光場相機(jī)的實(shí)物圖如圖示。

圖 1.2 重聚焦圖像[1]。Figure 1.2 Refocused images[1].主要存在兩個問題[1]：一是利用光場成像得的空間分辨率是由光敏面上每個像素的大小由微透鏡單元的數(shù)目和孔徑?jīng)Q定的；二是光的是光線的 4 維信息，有著極高的存儲需求統(tǒng)受到大氣湍流等像差的影響的時候，將會何有效地刻服湍流效應(yīng)對光學(xué)系統(tǒng)成像分辨目前主要消除大氣湍流的方法有：自適應(yīng)光處理技術(shù)（自適應(yīng)光學(xué)和圖像后處理技術(shù)）學(xué)技術(shù)對成像質(zhì)量的補(bǔ)償或校正僅僅是部分前測量需要導(dǎo)星，需要消耗大量的光能，系
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP391.41;O439

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