CN114674784A - 一种太赫兹波段的光场成像***与光场采集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹波段的光场成像***与光场采集方法，包含至少一个成像模块、至少一个光源模块、定位调整模块和控制处理模块。成像模块用于将场景中成像目标的空间信息转换为投影的二维图像；定位调整模块用于控制所述成像模块在空间中的位置与姿态，以及包括但不限于光阑孔径以及焦平面与透镜组之间距离的相机光学特性；利用光成像***的定位调整模块实现对成像模块的精确定位，实现对物体内部复杂的空间复折射率分布的细致定量探查测量，相对简单成像***，本申请光场成像***的应用范围更广。

Description

一种太赫兹波段的光场成像***与光场采集方法
技术领域
本发明涉及计算成像领域与太赫兹成像技术领域，具体涉及一种太赫兹波段的光场成像***与光场采集方法。
背景技术
光场成像是一种新兴的计算成像手段。
光场的定义是“空间中的光通量分布”；在成像应用领域，对于空间中的光场，我们通常采用全光函数(Plenoptic Function)的方式进行描述。
根据人眼对光线的视觉感知方式，空间中的光场可由七维全光函数
Figure BDA0003559954860000011
进行表示，其中x,y,z代表空间中任意一点的三维坐标，
Figure BDA0003559954860000012
代表光线的传输方向，λ代表光线的波长，t代表时间。在记录特定波长瞬态光场的情况下，λ和t固定不变，全光函数可简化为五维
Figure BDA0003559954860000013
而在忽略衰减的情况下，“光线”的强度可视为沿光线方向传播不变、与观测者距离无关，全光函数则可简化为四维
Figure BDA0003559954860000014
亦即每一束“光线”的集合可由一个四维函数
Figure BDA0003559954860000015
表示。
光场成像技术通过对新维度信息的引入，极大地突破了传统相机在成像能力与成像灵活性方面的限制。较之传统的二维积分成像方式，光场成像可以通过对四维光场中冗余维度信息的提取与融合，来实现很多前者无法实现的成像应用；而较之信息量更为丰富的相干成像方式，光场成像不依赖于苛刻的实验室环境、严格的相干光源与庞杂的***搭建，只需较为简洁集成的设备即可实现相近信息丰富程度的获取。
通过对四维光场的后处理，可以实现四维光场的二维切片重构复现(即重聚焦增强、全合焦图像合成、视角插值)、深度估计、基于深度估计的三维场景测量与复现、基于等效大口径合成的信噪比提升与超分辨率成像等。
太赫兹波是波长介于3000μm-30μm、频率介于0.1THz-10THz之间的电磁波。由于太赫兹波对于电介质(如木、纸、陶瓷、塑料、复合材料等)具有良好的穿透性；且因其光子能量较低(0.4-41meV)，远低于造成电离的阈值，故亦对绝大多数被探测物具有良好的无损性。因此太赫兹频段的成像技术被广泛应用于需要进行透视成像与无损检测的领域，例如文物考古、生物医疗、工业检测、安全检查等领域。
应用太赫兹成像技术的成像目标，在太赫兹波段多具有复杂的空间复折射率分布，亦即空间折射率分布与空间吸收率分布。这些分布与成像目标的形态、状态、性质等属性密切相关，因此也是太赫兹成像的主要定量探查测量目标。
目前在太赫兹波段对物体的成像手段主要包括相干与非相干两大类：其中相干手段包括合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar)、断层扫描(Computed Tomography)、时域光谱***(Time-Domain Spectroscopy)等，其大多因设备庞大复杂、依赖实验室环境、元器件技术与数据处理算法成熟度不足等原因而停留于实验室阶段；非相干手段则多为由基于折反射光学***与包括微辐射热计、肖特基二极管、CMOS-微纳机械结构、CMOS-天线结构、SiGe异质结二极管在内的能量探测器组成的传统积分成像***，其信息丰富程度远低于相干成像手段，无法实现对物体内部复杂的空间复折射率分布的细致定量探查测量。
发明内容
针对上述背景技术中的问题，本发明的一个重要目的在于提供一种光场成像***。
为实现如上目的，本发明具体的技术方案如下：
一种太赫兹波段的光场成像***，包括：
至少一个成像模块，其用途是以特定的空间位置与姿态、在特定的时间，将场景中的空间信息转换为投影的二维图像；所述成像模块包括：
成像透镜组，用于将空间中来自成像目标的光能量进行聚焦在目标位置上；
探测器阵列，所述探测器阵列安装在成像透镜组对于某个特定成像范围共轭的像平面位置，其安装固定并与所述成像透镜组光轴垂直；用于将接受到的光能量根据强度分布转化为特定的数字图像信号；及
光调制模块，光调制模块安装于所述成像透镜组附近，其安装相对于成像透镜组固定；用于调制探测器阵列接收到光能量的强度、波谱与空间频谱；
至少一个光源模块，用于为成像目标提供特定波长或频谱、特定能量分布或照明样式的脉冲或连续波照明，并在携带关于成像目标的信息后，反馈至所述成像模块进行接收与成像；
定位调整模块，其用于控制所述成像模块在空间中的位置与姿态，以及包括但不限于光阑孔径以及焦平面与透镜组之间距离的相机光学特性；所述定位调整模块包括：
位置定位装置，用于承载并控制所述成像模块在空间中的精确位置，即笛卡尔坐标系下的x,y,z位置；
姿态定位装置，用于承载并控制每个相机模块在空间中的精确姿态，即笛卡尔坐标系下的方向与俯仰姿态；
可控光阑，用于调节通过所述成像模块的成像透镜组的通光量与通光口径，且可完全闭合以用于成像模块探测器的置零；
透镜组控制装置，用于调节所述成像模块中成像透镜组与传感器阵列之间的相对距离；
控制处理模块，分别与所述成像模块、光源模块、定位调整模块连接，用于通过控制信号与反馈信号来操纵所述成像模块、定位调整模块、光源模块，使其同步有序工作；同时接收来自所述成像模块的视差图像信息、以及定位调整模块所反馈的参数信息，并据此排列与重构生成四维光场。
进一步地，所述成像透镜组与探测器之间的距离，满足所述成像模块可以将在对应的最小成像距离与最大成像距离之间的成像目标上的点清晰且对应地聚焦在探测器阵列之上。
进一步地，所述光调制模块包括衰减片、滤波片、固定或可调整的空间光调制片。
具体地，在本发明的技术方案中，所述光源模块包括：
光源，用于产生照明成像目标的、特定波长或频谱的、特定能量与能量分布的、连续波或特定脉宽脉冲的太赫兹波；
准直与扩束光路，用于改变光源产生太赫兹波的传播方向、传播方式与与光束口径，使其正确而恰当地照射成像目标，包括透镜、反射镜、抛物面镜元件；及
光源调制模块，用于改变光源产生太赫兹波的光强、能量分布、照明样式与相干性，包括衰减片、滤波片、干涉元器件、光束均质器元件。
具体地，在本发明的技术方案中，所述控制处理模块包括：
定位姿态控制，用于根据既定程序或用户输入对所述定位调整模块发送控制信号并接收反馈的方式来控制定位调整模块，使其将每个所述成像模块的位置与姿态定位于恰当的位置；
探测器阵列控制，用于根据既定程序或用户输入控制探测器阵列的积分时间与置零，以及探测器阵列与光源模块和定位调整模块之间的同步动作；
光阑控制，用于根据既定程序或用户输入控制所述可控光阑的动作；
透镜组控制，用于根据既定程序或用户输入控制所述透镜组控制装置的动作；
数据处理与存储，用于将接收到的视差图像及相应的定位姿态、探测器、光阑、透镜组参数反馈按照规则进行组装并生成完整的四维光场信息。
本发明的第二个目的在于，提供一种基于上述太赫兹波段的光场成像***的光场采集方法，具体步骤如下：
S1、首先将成像目标放置于光场成像***的成像范围内，并根据需要以光源模块对成像目标以恰当的方式与方向进行照明；然后根据成像目标的尺寸、光学特性以及对光场后处理方面的需求，确定光场的采集参数，亦即所采集光场所包含的全部视差图像的位置、姿态与光学参数集合；
S2、然后根据既定的采集参数，由光场成像***中的控制处理模块对定位调整模块发送控制信号，控制后者承载所有成像模块以指定的姿态与光学参数定位于指定的位置，在同步信号的控制下，以同时或分时的方式采集所需要光场信息所包含的全部视差图像及每个视差图像所附带的参数。
在本发明的技术方案中，步骤S2中，定位调整模块的位置定位装置、姿态定位装置以串联方式顺序连接，并分别与每一个所述成像模块固联；在定位姿态控制的信号控制下，位置定位装置与姿态定位装置承载每一个所述成像模块在指定位置以指定姿态，以分时或一次性的方式，采集关于目标的视差图像，即光场信息的一部分；在此期间，可控光阑在光阑控制的信号下控制光阑孔径，透镜组控制装置在透镜组控制的信号下控制透镜组与探测器阵列之间的距离。
在本发明的技术方案中，所述成像模块的定位精度控制包括：
所述位置定位装置的空间定位精度，高于成像模块在最小成像距离上，成像模块的探测器阵列每一个像素的尺寸在像平面上对应尺寸的二分之一，即
Figure BDA0003559954860000041
其中Δl为每个维度上的定位误差，L为最小成像距离，f为像平面距离，Δp为像素尺寸；
所述姿态定位装置的姿态定位精度，高于成像模块在最大成像距离上，成像模块的探测器阵列每一个像素的尺寸在像空间上对应角分辨率的二分之一，即
Figure BDA0003559954860000042
其中Δθ为每个维度上的姿态角误差，f为像平面距离，Δp为像素尺寸；
所述定位调整模块的位置定位装置、姿态定位装置、可控光阑、透镜组控制装置在对成像模块的姿态与光学参数方面的调整能力，共同构成了整个光场成像***的成像范围，亦即整个光场成像***能够有效采集视差图像的可用位置、可用姿态以及有效作用距离。
在本发明的技术方案中：在定位控制时，从数学意义上描述，成像模块可被抽象为针孔相机，亦即当以相机为原点、相机光轴方向为z轴方向建立坐标系时，称在物空间与针孔相机像平面共轭的平面为成像平面，称成像平面与z轴相交的点为主点，以主点为原点在成像平面上建立uv直角坐标系；则相机从物空间到像平面的投影变换满足：
Figure BDA0003559954860000051
其中，u,v为像平面坐标，X,Y,Z为物平面坐标，f为焦距；
而当考虑探测器阵列的原点不在正中心的情况，则变换公式变为：
Figure BDA0003559954860000052
其中，u0,v0为传感器坐标中心相对于主点的偏移量。
进一步地，当引入相机位置与姿态时，需要对所得的光场在相机坐标系与世界坐标系之间进行变换，变换公式为：
Xcam＝R(Xworld-C)，
其中，Xcam代表相机坐标系，Xworld代表世界坐标系，R代表相机的旋转矩阵，C代表相机的位移矩阵；由此可根据相机的位置与姿态信息以及相机参数将成像模块采集的视差转化为光场的一部分。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
本发明解决了非相干成像信息丰富程度低的缺陷，利用光成像***的定位调整模块实现对成像模块的精确定位，实现对物体内部复杂的空间复折射率分布的细致定量探查测量，相对简单成像***，本申请光场成像***的应用范围更广。
附图说明
图1为光场成像***的功能模块的结构示意框图；
图2为成像模块示意图；
图3为光源模块示意图；
图4为定位调整模块示意图；
图5为控制处理模块结构示意框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1如图1-3所示，一种太赫兹波段的光场成像***，包括：
至少一个成像模块，其用途是以特定的空间位置与姿态、在特定的时间，将场景中的空间信息转换为投影的二维图像；所述成像模块包括：
成像透镜组，用于将空间中来自成像目标的光能量进行聚焦在目标位置上；
探测器阵列，所述探测器阵列安装在成像透镜组对于某个特定成像范围共轭的像平面位置，其安装固定并与所述成像透镜组光轴垂直；用于将接受到的光能量根据强度分布转化为特定的数字图像信号；及
光调制模块，光调制模块安装于所述成像透镜组附近，其安装相对于成像透镜组固定；用于调制探测器阵列接收到光能量的强度、波谱与空间频谱；包括衰减片、滤波片、固定或可调整的空间光调制片等元件；
对于空间中成像范围内的景物，来自景物的光能量通过成像透镜组的孔径后经过成像透镜组的聚焦与变换，被聚焦于传感器阵列的不同点之上，并由传感器阵列根据接受到的光能量强度分布转化为特定的数字图像信号，进而完成光场中一个视角的采集。
所述成像透镜组与传感器阵列之间的距离，亦即传感器关于成像透镜组共轭的成像范围，可由镜头调整模块进行连续精确调节；
所述传感器阵列的采集时刻与积分时间，可由同步信号进行控制，以便与光源模块和定位调整模块保持同步。
至少一个光源模块，用于为成像目标提供特定波长或频谱、特定能量分布或照明样式的脉冲或连续波照明，并在携带关于成像目标的信息后，反馈至所述成像模块进行接收与成像；所述光源模块包括：
光源，用于产生照明成像目标的、特定波长或频谱的、特定能量与能量分布的、连续波或特定脉宽脉冲的太赫兹波；
准直与扩束光路，用于改变光源产生太赫兹波的传播方向、传播方式与与光束口径，使其正确而恰当地照射成像目标，包括透镜、反射镜、抛物面镜元件；及
光源调制模块，用于改变光源产生太赫兹波的光强、能量分布、照明样式与相干性，包括衰减片、滤波片、干涉元器件、光束均质器元件。
光源产生的准直光或发散光，经光源调制模块的调制，再经由准直与扩束光路对光束传播方向、传播方式与光束口径的变换，以恰当的方式照射在成像目标上，经由与成像目标的相互作用，包括吸收、折射、透射、反射与散射，在携带上关于成像目标的信息后，由成像模块进行接收与成像。所述光源的发射时刻，可由同步信号进行控制，以便与成像模块和定位调整模块保持同步。
定位调整模块，其用于控制所述成像模块在空间中的位置与姿态，以及包括但不限于光阑孔径以及焦平面与透镜组之间距离的相机光学特性；所述定位调整模块包括：
位置定位装置，用于承载并控制所述成像模块在空间中的精确位置，即笛卡尔坐标系下的x,y,z位置；
姿态定位装置，用于承载并控制每个相机模块在空间中的精确姿态，即笛卡尔坐标系下的方向与俯仰姿态；
可控光阑，用于调节通过所述成像模块的成像透镜组的通光量与通光口径，且可完全闭合以用于成像模块探测器的置零；
透镜组控制装置，用于调节所述成像模块中成像透镜组与传感器阵列之间的相对距离；
控制处理模块，分别与所述成像模块、光源模块、定位调整模块连接，用于通过控制信号与反馈信号来操纵所述成像模块、定位调整模块、光源模块，使其同步有序工作；同时接收来自所述成像模块的视差图像信息、以及定位调整模块所反馈的参数信息，并据此排列与重构生成四维光场。
具体地，在本发明的技术方案中，所述控制处理模块包括：
定位姿态控制，用于根据既定程序或用户输入对所述定位调整模块发送控制信号并接收反馈的方式来控制定位调整模块，使其将每个所述成像模块的位置与姿态定位于恰当的位置；
探测器阵列控制，用于根据既定程序或用户输入控制探测器阵列的积分时间与置零，以及探测器阵列与光源模块和定位调整模块之间的同步动作；
光阑控制，用于根据既定程序或用户输入控制所述可控光阑的动作；
透镜组控制，用于根据既定程序或用户输入控制所述透镜组控制装置的动作；
数据处理与存储，用于将接收到的视差图像及相应的定位姿态、探测器、光阑、透镜组参数反馈按照规则进行组装并生成完整的四维光场信息。
由用户或程序输入光场的采集参数至数据处理与存储模块，包括需求的光场信息中每个且篇对应视差图像的空间位置、姿态、相机参数，然后数据处理与存储模块将所有参数转化为定位姿态控制、探测器阵列控制、光阑控制、透镜组控制的控制信号与同步信号，并且经由软硬件接口将信号发送至成像模块、光源模块与定位调整模块，使得成像模块、光源模块与定位调整模块在信号的控制下有序采集光场；采集到的视差图像与对应的参数信息经由软硬件接口回传至数据处理与存储模块后，将根据最初的光场采集参数将其转化为光场切片并融合成所需的完整光场信息。
实施例2一种基于上述太赫兹波段的光场成像***的光场采集方法，具体步骤如下：
S1、首先将成像目标放置于光场成像***的成像范围内，并根据需要以光源模块对成像目标以恰当的方式与方向进行照明；然后根据成像目标的尺寸、光学特性以及对光场后处理方面的需求，确定光场的采集参数，亦即所采集光场所包含的全部视差图像的位置、姿态与光学参数集合；
S2、然后根据既定的采集参数，由光场成像***中的控制处理模块对定位调整模块发送控制信号，控制后者承载所有成像模块以指定的姿态与光学参数定位于指定的位置，在同步信号的控制下，以同时或分时的方式采集所需要光场信息所包含的全部视差图像及每个视差图像所附带的参数。
在本发明的技术方案中，步骤S2中，定位调整模块的位置定位装置、姿态定位装置以串联方式顺序连接，并分别与每一个所述成像模块固联；在定位姿态控制的信号控制下，位置定位装置与姿态定位装置承载每一个所述成像模块在指定位置以指定姿态，以分时或一次性的方式，采集关于目标的视差图像，即光场信息的一部分；在此期间，可控光阑在光阑控制的信号下控制光阑孔径，透镜组控制装置在透镜组控制的信号下控制透镜组与探测器阵列之间的距离。
在本发明的技术方案中，所述成像模块的定位精度控制包括：
所述位置定位装置的空间定位精度，高于成像模块在最小成像距离上，成像模块的探测器阵列每一个像素的尺寸在像平面上对应尺寸的二分之一，即
Figure BDA0003559954860000081
其中Δl为每个维度上的定位误差，L为最小成像距离，f为像平面距离，Δp为像素尺寸；
所述姿态定位装置的姿态定位精度，高于成像模块在最大成像距离上，成像模块的探测器阵列每一个像素的尺寸在像空间上对应角分辨率的二分之一，即
Figure BDA0003559954860000091
其中Δθ为每个维度上的姿态角误差，f为像平面距离，Δp为像素尺寸；
所述定位调整模块的位置定位装置、姿态定位装置、可控光阑、透镜组控制装置在对成像模块的姿态与光学参数方面的调整能力，共同构成了整个光场成像***的成像范围，亦即整个光场成像***能够有效采集视差图像的可用位置、可用姿态以及有效作用距离。
在本发明的技术方案中：在定位控制时，从数学意义上描述，成像模块可被抽象为针孔相机，亦即当以相机为原点、相机光轴方向为z轴方向建立坐标系时，称在物空间与针孔相机像平面共轭的平面为成像平面，称成像平面与z轴相交的点为主点，以主点为原点在成像平面上建立uv直角坐标系；则相机从物空间到像平面的投影变换满足：
Figure BDA0003559954860000092
其中，u,v为像平面坐标，X,Y,Z为物平面坐标，f为焦距；
而当考虑探测器阵列的原点不在正中心的情况，则变换公式变为：
Figure BDA0003559954860000093
其中，u0,v0为传感器坐标中心相对于主点的偏移量。
进一步地，当引入相机位置与姿态时，需要对所得的光场在相机坐标系与世界坐标系之间进行变换，变换公式为：
Xcam＝R(Xworld-C)，
其中，Xcam代表相机坐标系，Xworld代表世界坐标系，R代表相机的旋转矩阵，C代表相机的位移矩阵；由此可根据相机的位置与姿态信息以及相机参数将成像模块采集的视差转化为光场的一部分。
具体一实施例中，本实施例提供一种光场成像***，其中包含一个成像模块、一个光源模块、定位调整模块和控制处理模块。
如图2所示，在本实施例中，成像模块与定位调整模块中控制成像模块的部分包括：
·受透镜组控制装置控制位置与运动的成像透镜组201
·探测器阵列202
·受光阑控制调控的可调孔径光阑203
·空间光调制片204
·带通滤波片205
·衰减片206；
透镜组控制装置为步进电机驱动，成像透镜组201为对太赫兹波具有一定折射率的材质制作的光学透镜组，用于聚焦太赫兹波进行成像；成像透镜组201在透镜组控制装置的控制下可以沿光轴方向运动与定位，使得探测器阵列202在物空间与不同深度的平面共轭；探测器阵列202为对太赫兹波段敏感的面阵光电探测器，用于将接收到的太赫兹波信号转化为电子图像信号；可调孔径光阑203与成像透镜组201同轴心，且位置位于成像透镜组201附近，在光阑控制的调控下可以精确改变通光孔径，用于调节成像模块的通光量与景深；空间光调制片204为具有一定空间复折射率分布、或空间复折射率分布可调的元件，利用光学透镜的傅里叶变换特性，用来在空间频域对所接收图像信息进行包括但不限于强度与相位方面的调制；带通滤波片205为对特定波长范围太赫兹波透明、而对其他波长范围电磁波不透明的均匀薄片，位于成像透镜组前，用于滤除杂散光、提高图像信噪比，其通带与探测器阵列202的敏感波长范围相匹配；衰减片206为对特定波长范围太赫兹波具有一定吸收率的半透明均匀薄片，位于成像透镜组前，用于调节入射光强度以使其与探测器阵列202的动态范围以及最大接收功率相匹配；
在成像模块成像的过程中，太赫兹波经过衰减片206的衰减与滤波片205的滤波之后，由成像透镜组201聚焦，通过孔径光阑203与空间光调制片204的调制后，聚焦在探测器阵列202上形成图像，并由探测器阵列202由光能量信号转化为图像信号；在成像模块与定位调整模块进行过充分的像差校准与几何校准的情况下，成像模块所输出的视差图像可认为是光场在特定位置的精确切片。
如图3所示，在本实施例中，光源模块包括：
·光源301
·发散凹透镜302
·准直凸透镜303
·反射镜304；
光源301产生近似准直且光束尺寸较小的太赫兹光束，其频率或频谱与上述探测器阵列202的敏感波长范围相匹配；发散凹透镜302为对太赫兹波具有一定折射率的材质制作的光学凹透镜，用于将光源301产生的太赫兹波进行发散以改变光束直径；准直凸透镜303为对太赫兹波具有一定折射率的材质制作的光学凹透镜，用于将经发散凹透镜302发散的太赫兹波重新准直为近似平行，以获得合适的光束直径与功率密度；反射镜304为对太赫兹波具有高反射绿材质制作的平面反射经，用于改变太赫兹波束方向，将经过准直的太赫兹波照射在成像目标305之上；在光源模块中，光源301、发散凹透镜302、准直凸透镜303的光轴重合；反射镜304的中点与前三者的光轴近似重合，反射镜304的口径与准直凸透镜303的口径之间相互匹配，且反射镜304的焦点与发散凹透镜的虚焦点近似重合；光源模块301的发光受同步信号的控制，仅在同步信号到来时发出脉冲；
在光源模块照明的过程中，光源301产生的近似准直的小直径太赫兹光束，经过发散凹透镜302的发散，再由准直凸透镜准直位更大口径的太赫兹光束，准直扩束后的太赫兹光束经过反射镜304的反射照射于成像目标305上，与成像目标305之间发生相互作用。
如图4所示，在本实施例中，定位调整模块中控制位置与姿态的部分包括：
·x轴平移架401
·y轴平移架402
·z轴平移架403
·俯仰台404
·回转台405
·转接件406；
x轴平移架401、y轴平移架402、z轴平移架403为三维配置的平移架，通过步进电机驱动进行运动与定位，可在三维上以足够的精度将载荷定位于指定空间坐标位置；404为俯仰台，通过步进电机驱动进行运动与定位，可以足够的精度调节定位载荷的俯仰姿态；405为回转台，通过步进电机驱动进行运动与定位，可以足够的精度调节定位载荷的方位姿态；在定位调整模块中，x轴平移架401、y轴平移架402、z轴平移架403、俯仰台404、回转台405以串联方式相互连接；
在定位调整模块调整相机位置与姿态时，x轴平移架401、y轴平移架402、z轴平移架403根据事先几何校准当中对平移架移动量与世界坐标系空间坐标的转换，计算移动量并通过使平移架分别移动相应的移动量来使载荷定位于指定位置；俯仰台404，回转台405同理根据需要的世界坐标系与相机坐标系转，计算姿态调整量并通过俯仰台404与回转台405的回转运动使相机达到指定的姿态。
参见图5，在本实例中，控制处理模块结构可按照软硬件与功能分为三层：执行层、硬件层、应用层。
·执行层即控制处理模块之外具体用来实现光场成像功能的部分，其特征为不承载信号的产生与传输，只在接收控制信号之后将控制信号转化为具体的光机***动作，包括成像模块、光源模块与定位调整模块；
·硬件层即用于在处理控制模块当中用于进行控制信号与图像数据产生、传输与接收的电路与接口，包括用作控制用途的相机控制电路、图像采集电路、同步电路、定位控制器、姿态控制器、光阑控制电路、透镜组控制电路，用于信号传输的USB 2.0、RS-232、以太网接口，以及用于数据与控制信号汇总处理与分发的微型计算机；
·应用层即运行于在硬件层之上、用于控制硬件层生成符合需求的信号的软件部分，包括传感器置零程序、积分时间控制程序、几何校准程序、图像采集与处理程序、同步信号产生与控制程序、定位控制程序、姿态控制程序、光阑控制程序、透镜组控制程序。
在控制处理模块对数据进行处理时，首先用户输入要采集的光场参数，并经由应用层的控制程序将其转化为输入硬件层的具体采集参数；然后硬件层作为应用层主要载体的微型计算机将具体的采集参数经由USB2.0、RS-232、以太网接口转化为通信信号，传输给同属硬件层的其他控制电路与同步电路；然后各控制电路与同步电路再将通信信号转化为具体的控制信号，用于操控执行层的具体设备采集具体视差图像；采集到的视差图像同样经由图像采集电路转化为图像信息，并通过硬件接口以信号的方式回传至微型计算机，再经由应用层的图像采集与处理程序转化为光场切片并融合成最终的光场图像。
尽管本发明专利的实施方案已公开如上，但其并不仅仅局限于说明书和实施方式中所列的应用，它完全可以适用于本发明专利所适用的多个领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此，在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明专利并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种太赫兹波段的光场成像***，其特征在于，包括：
至少一个成像模块，用于将场景中成像目标的空间信息转换为投影的二维图像；所述成像模块包括：
成像透镜组，用于将空间中来自成像目标的光能量进行聚焦在目标位置上；
探测器阵列，所述探测器阵列安装在成像透镜组对于特定成像范围共轭的像平面位置，其安装固定并与所述成像透镜组光轴垂直；用于将接受到的光能量根据强度分布转化为特定的数字图像信号；及
光调制模块，光调制模块安装于所述成像透镜组附近，其安装相对于成像透镜组固定；用于调制探测器阵列接收到光能量的强度、波谱与空间频谱；
至少一个光源模块，用于为成像目标提供特定波长或频谱、特定能量分布或照明样式的脉冲或连续波照明，并在携带关于成像目标的信息后，反馈至所述成像模块进行接收与成像；
定位调整模块，其用于控制所述成像模块在空间中的位置与姿态，以及包括但不限于光阑孔径以及焦平面与透镜组之间距离的相机光学特性；所述定位调整模块包括：
位置定位装置，用于承载并控制所述成像模块在空间中的精确位置，即笛卡尔坐标系下的x,y,z位置；
姿态定位装置，用于承载并控制每个相机模块在空间中的精确姿态，即笛卡尔坐标系下的方向与俯仰姿态；
可控光阑，用于调节通过所述成像模块的成像透镜组的通光量与通光口径，且可完全闭合以用于成像模块探测器的置零；
透镜组控制装置，用于调节所述成像模块中成像透镜组与传感器阵列之间的相对距离；
控制处理模块，分别与所述成像模块、光源模块、定位调整模块连接，用于通过控制信号与反馈信号来操纵所述成像模块、定位调整模块、光源模块，使其同步有序工作；同时接收来自所述成像模块的视差图像信息、以及定位调整模块所反馈的参数信息，并据此排列与重构生成四维光场。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段的光场成像***，其特征在于，所述成像透镜组与探测器之间的距离，满足所述成像模块可以将在对应的最小成像距离与最大成像距离之间的成像目标上的点清晰且对应地聚焦在探测器阵列之上。
3.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段的光场成像***，其特征在于，所述光调制模块包括衰减片、滤波片、固定或可调整的空间光调制片。
4.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段的光场成像***，其特征在于，所述光源模块包括：
光源，用于产生照明成像目标的、特定波长或频谱的、特定能量与能量分布的、连续波或特定脉宽脉冲的太赫兹波；
准直与扩束光路，用于改变光源产生太赫兹波的传播方向、传播方式与与光束口径，使其正确而恰当地照射成像目标，包括透镜、反射镜、抛物面镜元件；及
光源调制模块，用于改变光源产生太赫兹波的光强、能量分布、照明样式与相干性，包括衰减片、滤波片、干涉元器件、光束均质器元件。
5.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段的光场成像***，其特征在于，所述控制处理模块包括：
定位姿态控制，用于根据既定程序或用户输入对所述定位调整模块发送控制信号并接收反馈的方式来控制定位调整模块，使其将每个所述成像模块的位置与姿态定位于目标位置；
探测器阵列控制，用于根据既定程序或用户输入控制探测器阵列的积分时间与置零，以及探测器阵列与光源模块和定位调整模块之间的同步动作；
光阑控制，用于根据既定程序或用户输入控制所述可控光阑的动作；
透镜组控制，用于根据既定程序或用户输入控制所述透镜组控制装置的动作；
数据处理与存储，用于将接收到的视差图像及相应的定位姿态、探测器、光阑、透镜组参数反馈按照规则进行组装并生成完整的四维光场信息。
6.一种基于权利要求1-5任一所述的太赫兹波段的光场成像***的光场采集方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、首先将成像目标放置于光场成像***的成像范围内，并根据需要以光源模块对成像目标进行照明；然后根据成像目标的尺寸、光学特性以及对光场后处理方面的需求，确定光场的采集参数，亦即所采集光场所包含的全部视差图像的位置、姿态与光学参数集合；
S2、然后根据既定的采集参数，由光场成像***中的控制处理模块对定位调整模块发送控制信号，控制后者承载所有成像模块以所需的姿态与光学参数定位于目标位置，在同步信号的控制下，以同时或分时的方式采集所需要光场信息所包含的全部视差图像及每个视差图像所附带的参数。
7.根据权利要求6所述的基于太赫兹波段的光场成像***的光场采集方法，其特征在于，步骤S2中，定位调整模块的位置定位装置、姿态定位装置以串联方式顺序连接，并分别与每一个所述成像模块固联；在定位姿态控制的信号控制下，位置定位装置与姿态定位装置承载每一个所述成像模块在目标位置以所述姿态，以分时或一次性的方式，采集关于目标的视差图像，即光场信息的一部分；在此期间，可控光阑在光阑控制的信号下控制光阑孔径，透镜组控制装置在透镜组控制的信号下控制透镜组与探测器阵列之间的距离。
8.根据权利要求7所述的基于太赫兹波段的光场成像***的光场采集方法，其特征在于，所述成像模块的定位精度控制包括：
所述位置定位装置的空间定位精度，高于成像模块在最小成像距离上，成像模块的探测器阵列每一个像素的尺寸在像平面上对应尺寸的二分之一，即
Figure FDA0003559954850000031
其中Δl为每个维度上的定位误差，L为最小成像距离，f为像平面距离，Δp为像素尺寸；
所述姿态定位装置的姿态定位精度，高于成像模块在最大成像距离上，成像模块的探测器阵列每一个像素的尺寸在像空间上对应角分辨率的二分之一，即
Figure FDA0003559954850000032
其中Δθ为每个维度上的姿态角误差，f为像平面距离，Δp为像素尺寸；
所述定位调整模块的位置定位装置、姿态定位装置、可控光阑、透镜组控制装置在对成像模块的姿态与光学参数方面的调整能力，共同构成了整个光场成像***的成像范围，亦即整个光场成像***能够有效采集视差图像的可用位置、可用姿态以及有效作用距离。
9.根据权利要求6所述的基于太赫兹波段的光场成像***的光场采集方法，其特征在于，在定位控制时，从数学意义上描述，成像模块可被抽象为针孔相机，亦即当以相机为原点、相机光轴方向为z轴方向建立坐标系时，称在物空间与针孔相机像平面共轭的平面为成像平面，称成像平面与z轴相交的点为主点，以主点为原点在成像平面上建立uv直角坐标系；则相机从物空间到像平面的投影变换满足：
Figure FDA0003559954850000033
其中，u,v为像平面坐标，X,Y,Z为物平面坐标，f为焦距；
而当考虑探测器阵列的原点不在正中心的情况，则变换公式变为：
Figure FDA0003559954850000041
其中，u0,v0为传感器坐标中心相对于主点的偏移量。
10.根据权利要求9所述的基于太赫兹波段的光场成像***的光场采集方法，其特征在于，当引入相机位置与姿态时，需要对所得的光场在相机坐标系与世界坐标系之间进行变换，变换公式为：
Xcam＝R(Xworld-C)，
其中，Xcam代表相机坐标系，Xworld代表世界坐标系，R代表相机的旋转矩阵，C代表相机的位移矩阵；由此可根据相机的位置与姿态信息以及相机参数将成像模块采集的视差转化为光场的一部分。
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