无镜头可见光编码掩模成像技术研究

发布时间：2020-07-13 06:27

【摘要】：物联网是新一代信息技术的高度集成和综合运用,对新一轮产业变革和经济增长有重要意义。在物联网的所有设备中,传感器是所有数据的主要来源,其中图像成像器十分重要,可以称之为万物之“眼”。如果要将成像器安装到任意地方,如对一些空间受限的地方,则需要满足结构紧凑、轻薄、低成本等要求。基于透镜的传统成像系统由于镜头中透镜的数量和厚度,以及由于聚焦需要保留透镜前后移动的距离空间及法兰距等因素造成成像设备厚度不能进一步减小,而且镜头会增加系统体积和成本。无镜头成像技术可以有效降低系统厚度、减小体积和重量,可以应用于物联网、嵌入式成像、穿戴设备等应用领域。本文主要研究可以用于可见光下扩展场景下的编码掩模计算成像技术,采用可分离编码掩模直接贴放在图像传感器之前的成像架构,编码掩模对场景光线分布进行编码,利用后期算法重建场景成像方法代替传统成像设备中镜头部件。主要研究工作如下:1.针对可见光下的扩展场景的编码掩模成像技术展开研究。分析可见光下的编码掩模成像特点,对编码成像模型和光学传播模型,编码掩模板设计原理,进行理论分析和模型仿真。2.可分离编码掩模研究。根据可分离编码掩模成像的数学模型,采用m序列构造可分离编码矩阵,并进行衍射效应理论分析和软件仿真,确定系统相关物理参数,并采用基于数据驱动、图像标定的方法获得成像系统的变换矩阵,与传统编码掩模匹配滤波方法相比,可以极大地降低模型求解的难度,提高图像重建速度。3.编码掩模成像重建算法研究。在系统变换矩阵已知的情况下,重建问题转化为病态逆问题求解,对病态逆问题求解算法进行深入研究,采用正则化最优求解即可得到原始场景图像。主要对基于TSVD(截断奇异值分解)和TV(总变分)正则化重建算法进行研究并进行实验对比,并从人眼主观视觉效果和客观指标进行重建图像质量评价。4.搭建实验平台。完成编码掩模制作,搭建可见光无镜头原型样机,多次实验后,对真实场景重建获得512×512大小的灰度图像,人眼可识别目标。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN919.81
【图文】：

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图１．１传灥镜式相机和栜头相机逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ邋ｌｅｎｓ－ｂａｓｅｄ邋ｃａｍｅｒａｓ邋ａｎｄ邋ｌｅｎｓｌｅｓｓ邋ｃａｍｅｒａｓ逡逑主要解决方案是采用折叠光学和无镜头成像技术，折叠光学

分辨率,透镜成像,结构对比,掩模

（ｂ）逡逑Ｌｅｎｓ邋Ｉ邋ｅｓｓ邋Ｃａｍｅｒａｓ邋Ｍａｓｋ邋Ｓｅｎｓｏｒ邋Ｃａｐｔｕｒｅｄ邋Ｄａｔａ邋Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ邋Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ邋Ｉｍａｇｅ逡逑图１．２传统透镜成像与编码掩模成像结构对比逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ邋ｌｅｎｓ－ｂａｓｅ

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逡逑图１．３中红色的左纵轴表录基于透镜的望远镜和相机的分辨率（以像素为单逡逑位，对数刻度）与横轴物理体积（以ｍｍ３为单位）之间关系。右侧蓝色纵坐标轴逡逑表示２０１１年全球不闻的、有代表性成像器的销售额与横轴物理体积之间关系。逡逑其中，１．邋Ｇｒａｎ邋Ｃａｎａｒｉａ室远镜；２．哈勃望远镜；３．邋１米望远镜；４＋邋３0厘米望逡逑远镜；５．邋ＡＷＡＲＥ邋２相机；６，专业相机；７．数学单１反相机；８．邋ｉＰｈｏｎｅ５相机；９．鹈逡逑鹕相机；１０．微型ＶＧＡ；邋１１．邋Ｍｅｄｉｇｕｓ相机；１２．单光电二极管。逡逑图邋１，４邋Ｍｅｄｉｇｕｓ邋相机逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４邋Ｍｅｄｉｇｕｓ邋ｍｅｄｉｃａｌ邋ｃａｍｅｒａ逡逑图１．３可以简要说明微型相机的种类稀少和微型相机的造价昂贵，市场存在逡逑巨太空白，有很大的发展．空：间。其中＿１．４是Ｍｅｄｉｇｕｓ相机，Ｍｅｄｉｇｕｓ公缚．生产一逡逑款世界上最小的成像仪，造价约１０００美元，作为医用内窥镜相机。屰前微型的逡逑ＶＧＡ相机体积可以达到１５０ｍｍ３

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