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        《中國科學院大學(中國科學院光電技術研究所)》 2019年
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        基于光場測量的成像技術研究

        劉欣城  
        【摘要】:傳統成像只能記錄光線的位置信息,丟失了與場景深度、目標幾何形態等高度耦合的光線角度信息,導致其在對焦和景深上存在一系列不可調和的問題。光場成像由于特殊的光學結構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”的數字成像模式,可以人為地指定焦面的位置,擴展了成像系統的景深,解決了傳統成像存在的諸多問題。當以上光學成像系統受到大氣湍流等像差影響的時候,將大大降低光學系統的成像質量。克服大氣湍流等像差的方法目前主要有自適應光學技術和圖像后處理技術。自適應光學技術波前測量需要導星,且結構復雜成本較高,對于一些小型化設備,難以大規模應用;而圖像后處理技術是一種圖像事后處理技術,對圖像的拍攝條件、樣本的數量、圖像的先驗信息都有特殊的要求,且數據計算量大,很難做到實時或者準實時,不適用于高速運動目標的清晰成像。針對傳統成像在對焦和景深上所存在的問題、針對光學系統受到像差影響時成像質量變差的問題、針對傳統克服像差的方法所存在的一些局限性,本文對光場成像、光場數字重聚焦、光場波前測量等技術開展了深入的理論和應用研究,并取得了一系列的創新成果。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,提出了光場調制的方法來提高光場波前測量的精度。根據光場測量理論模型,利用光線追跡的方法,在MATLAB數值仿真軟件上建立了光場成像及光場波前測量的數值仿真平臺,實現了對2D擴展目標的模擬光場成像、數字重聚焦、波前測量及波前復原。仿真結果表明,光場相機可以有效地測量并重構出目標的畸變波前。通過仿真結果說明了光場相機主鏡與微透鏡陣列f數匹配的影響,驗證了重聚焦算法對離焦像差的去除效果。二,設計了光場相機和傳統相機相結合的新型高清晰成像系統,該系統通過一個分束鏡使傳統相機的成像傳感器和光場相機的微透鏡陣列同時位于主鏡的像面處,由光場相機計算獲得目標的波前信息進而解算出系統的點擴散函數,再與傳統相機捕獲的模糊圖像做解卷積便可得到重構的高清晰圖像。該裝置可以解決在大氣湍流等像差的影響下,光學系統成像質量不高的問題。此外,該系統將光場相機和傳統相機的優劣勢互補,既通過光場陣列成像解決了傳統相機在對焦和景深上所存在的問題,又通過傳統成像彌補了光場相機空間分辨率低的問題。數值仿真結果驗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,該方法通過圖像相關算法計算并補償每一個子孔徑圖像由于像差影響而產生的偏移量,從而對目標波前進行整形,以解決光場相機在受到像差干擾的情況下成像質量差的問題,減弱部分像差對光場相機成像系統的影響。分析了該方法的誤差。設計、搭建并解碼了實驗室光場相機,仿真和實驗結果驗證了該方法的有效性。該方法的優點主要在于:僅使用了光場相機在單次曝光中所捕獲的原始光場數據,不需要添加額外的硬件設備,成本低;波前測量不需要導星,系統結構簡單;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,該方法通過圖像相關算法篩選出受到像差影響時質量相對較好的部分子孔徑圖像來進行數字重聚焦,可以解決光場相機在受到像差干擾的情況下成像質量差的問題,消除部分像差對光場相機成像系統的影響。仿真和實驗結果驗證了該方法的有效性。該方法的優勢主要在于:僅使用了光場相機在單次曝光中捕獲的原始光場數據,不需要添加額外的硬件設備,成本低;方法簡單易行。五,提出了光場篩選和光場操控相結合的高清晰成像技術,即先位移補償每個子孔徑圖像由于像差的影響而產生的偏移量,再篩選出部分優質的子孔徑圖像進行數字重聚焦以得到目標的高清晰圖像,進一步提高了光場相機成像系統在受到像差影響時的成像質量。仿真結果驗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,在天文目標探測和遙感成像等領域有重要的應用價值。
        【學位授予單位】:中國科學院大學(中國科學院光電技術研究所)
        【學位級別】:碩士
        【學位授予年份】:2019
        【分類號】:TP391.41;O439

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