專利名稱：直視型微光立體成像夜視儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種直視型微光立體成像夜視儀，可用于夜視、醫(yī)學(xué)成像、水下成像、暗室測量等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
直視微光成像系統(tǒng)是一種利用光增強(qiáng)技術(shù)的光電成像系統(tǒng)。它可以大大改善人眼在微弱光下的視覺性能。由于系統(tǒng)可以在極低照度下(10_61χ I(T1Ix)完全“被動”式工作，因而在夜視、醫(yī)學(xué)成像、水下成像、光子成像等領(lǐng)域得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)直視型微光成像系統(tǒng)主要由物鏡光學(xué)系統(tǒng)、微光像增強(qiáng)器、目鏡系統(tǒng)等三部分組成，如圖1所示，其工作原理是微弱光照射下的景物輻射特性，通過單孔徑光學(xué)系統(tǒng)11會聚在微光像增強(qiáng)器12的光電陰極面上，通過光電陰極的光電子轉(zhuǎn)換、電子倍增器增強(qiáng)和熒光屏電光轉(zhuǎn)換再現(xiàn)為景物的可見光圖像，并由單孔徑目鏡系統(tǒng)13提供給人眼觀測。然而，目前微光成像系統(tǒng)所記錄和顯示的圖像還主要是三維物體的平面二維微光圖像，無法展示景物的深度立體感和層次感。集成攝像技術(shù)可以解決上述問題，該技術(shù)是由G. Lippmarm于1908年首先提出的， 其實現(xiàn)主要包括兩個過程微單元圖像的記錄過程和立體圖像的重構(gòu)過程，如圖2所示，其中圖加是微單元圖像的記錄過程，圖2b是立體圖像重構(gòu)過程。在記錄過程中，微單元圖像陣列23是三維物體20發(fā)出的光線經(jīng)由微透鏡陣列21的每個微透鏡對物體所成的像，由感光膠片22記錄。由于微透鏡板21上的微透鏡有很多，且每個微透鏡都處于不同位置，所以每個微透鏡其實記錄了來自物體不同視角方向的信息，元素圖像記錄了光的強(qiáng)度和方向。 在重構(gòu)過程中，在元素圖像陣列23前配置尺寸匹配的重構(gòu)微透鏡板對，則來自微單元圖像的光線通過各自對應(yīng)的微透鏡可以反向恢復(fù)記錄時的光線，從而再現(xiàn)發(fā)自原物體的光場， 在原物體存在的位置上生成立體圖像25。但是，重構(gòu)立體圖像相對于人眼觀察目標(biāo)出現(xiàn)了深度逆轉(zhuǎn)，不能反演觀察者對真實物理世界的深度觀測效果。另外，固定焦距的透鏡陣列很難保證在大景深范圍內(nèi)都能成高分辨率圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種直視型微光立體成像夜視儀，以實現(xiàn)微弱光條件下二維成像模式到多深度面立體成像模式的快速切換和三維顯示立體圖像的深度翻轉(zhuǎn)校正，增強(qiáng)微光立體圖像的觀測景深和分辨率，保證在大景深范圍內(nèi)立體成像的高分辨率。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的直視型微光立體成像夜視儀，包括物鏡光學(xué)系統(tǒng)、微光像增強(qiáng)器件和目鏡系統(tǒng)，其中物鏡光學(xué)系統(tǒng)的前端設(shè)有記錄變焦鏡頭陣列，并在熒光屏后端放置重構(gòu)變焦鏡頭陣列，形成由二維微光像增強(qiáng)器件和雙變焦透鏡陣列組成的多視角成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。所述的記錄變焦鏡頭陣列，由光學(xué)面型可調(diào)諧的N個變焦鏡頭和與其對應(yīng)的N個可編程的驅(qū)動電路排列組成，N > 2，每個變焦鏡頭通過對應(yīng)的可編程驅(qū)動電路控制，對不同深度位置處的目標(biāo)進(jìn)行多視角銳聚焦成像，形成視差不同的微單元圖像陣列。所述重構(gòu)變焦鏡頭陣列由光學(xué)面型可調(diào)諧的N個變焦鏡頭和與其對應(yīng)的N個可編程的驅(qū)動電路排列組成，N ^ 2，重構(gòu)變焦鏡頭的數(shù)目與記錄的視差微單元圖像的數(shù)目相同，且變焦鏡頭的排列與視差微單元圖像陣列的位置對應(yīng)，實現(xiàn)大景深范圍內(nèi)的高分辨率微光立體圖像。所述的記錄變焦鏡頭陣列的可編程驅(qū)動電路與重構(gòu)變焦鏡頭陣列的可編程驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)相同，并通過同步調(diào)節(jié)其驅(qū)動電壓，使這些變焦鏡頭由曲面變成平面，實現(xiàn)立體成像到二維成像的切換。所述的記錄變焦鏡頭陣列與重構(gòu)變焦鏡頭陣列的焦距可調(diào)，且記錄變焦鏡頭的焦距fi大于重構(gòu)變焦鏡頭的焦距f2，通過調(diào)整變焦透鏡的焦距，實現(xiàn)多個景深目標(biāo)的記錄和多個圖像深度面的重構(gòu)，以有效增強(qiáng)微光立體圖像顯示的縱深感和層次感。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點1)本發(fā)明由于在物鏡光學(xué)系統(tǒng)端設(shè)置記錄變焦微透鏡陣列，通過其快速電控變焦特性，可實現(xiàn)多個景深范圍內(nèi)三維目標(biāo)的多視差高分辨率單元圖像陣列記錄；2)本發(fā)明由于在熒光屏后端放置重構(gòu)變焦鏡頭陣列，通過其快速電控變焦特性， 實現(xiàn)微光像增強(qiáng)器件放大后的多視差單元圖像陣列在多個圖像深度面實時重構(gòu)，借助于人眼的視差融合特性和視覺暫留特性，形成高分辨率微光立體圖像，可有效增強(qiáng)微光立體圖像顯示的縱深感和層次感；3)本發(fā)明由于綜合利用微光像增強(qiáng)器件的光線面板熒光屏的180°扭像特性和重構(gòu)變焦鏡頭陣列的視差特性，可消除微光立體圖像出現(xiàn)的景深可逆現(xiàn)象，符合人眼觀測實際三維物體的深度效果。4)本發(fā)明由于通過雙變焦透鏡陣列與二維微光像增強(qiáng)器件形成多視角結(jié)構(gòu)，便于同步調(diào)整雙變焦透鏡的焦距，實現(xiàn)微光立體成像器在二維和三維成像模式之間進(jìn)行快速、 方便切換。


圖1是傳統(tǒng)直視型微光成像原理圖；圖2是現(xiàn)有集成攝像原理光路圖；圖3為本發(fā)明的直視型微光立體成像儀的結(jié)構(gòu)原理圖；圖4為本發(fā)明直視型微光立體成像儀的進(jìn)行成像的實例圖。
具體實施例方式為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合附圖，對依據(jù)本發(fā)明提出的直視型微光立體成像夜視儀結(jié)構(gòu)、方法和特性進(jìn)行詳細(xì)描述。但附圖僅是為本發(fā)明的描述提供參考與說明之用，并非是對本發(fā)明構(gòu)成限制。參照圖1，傳統(tǒng)直視型微光成像儀，包括物鏡光學(xué)系統(tǒng)10、微光像增強(qiáng)器件11和目標(biāo)系統(tǒng)12。微光像增強(qiáng)器件的前端光電陰極放置于物鏡光學(xué)系統(tǒng)10的焦平面上，微光像增強(qiáng)器件11的后端熒光面板放置在目鏡系統(tǒng)12的前焦面上。其成像原理是物鏡光學(xué)系統(tǒng)10將目標(biāo)發(fā)射的微弱光信號收集匯聚于微光像增強(qiáng)器件11的光電陰極上，該光電陰極可以是多堿光電陰極或負(fù)電子親和勢半導(dǎo)體光電陰極，光電陰極將匯聚的微弱光場信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，形成電子圖像信號，經(jīng)過光電陰極和微通道板之間的電容加速、微通道板的二次電子倍增，和微通道板與熒光屏幕之間高壓電場的加速，使電子圖像轟擊熒光屏產(chǎn)生光學(xué)圖像，最后經(jīng)目鏡系統(tǒng)12投影到觀察者眼睛中。然而，該微光成像夜視儀只能提供二維平面圖像，無法提供微弱光條件下的深度立體成像。為實現(xiàn)微弱光條件下三維場景的大景深、高分辨率和無景深逆轉(zhuǎn)的直視型立體成像，本發(fā)明綜合微光像增強(qiáng)器件原理和集成攝像方法，提出了一種基于雙變焦鏡頭陣列的微光立體成像系統(tǒng)，如圖3所示。參照圖3和圖4，本發(fā)明提出的直視型微光立體成像儀，包括記錄變焦鏡頭陣列 30，物鏡光學(xué)系統(tǒng)31，光電陰極37，微通道板38，熒光屏面板39，陶瓷封裝管殼312，重構(gòu)變焦鏡頭陣列33，電控變焦驅(qū)動電路311和目鏡系統(tǒng)34。記錄變焦鏡頭陣列30放置于物鏡系統(tǒng)31前焦面前方一倍變焦鏡頭焦距的位置；光電陰極37放置于物鏡光學(xué)系統(tǒng)31的焦平面上；微通道板38放置于光電陰極37后面0. 4-0. 6毫米處；目鏡系統(tǒng)34放置于重構(gòu)變焦鏡頭陣列33的后面，形成雙變焦透鏡陣列組成的多視角成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。熒光屏面板39放置于微通道板38后面0. 4毫米處，且在重構(gòu)變焦鏡頭陣列33的前焦面上，保證所顯示的微單元圖像在重構(gòu)變焦透鏡陣列33的各對應(yīng)透鏡單元空間范圍內(nèi)，以實現(xiàn)微光立體圖像深度可逆的校正。微光像增強(qiáng)器件32是通過陶瓷封裝管殼312對光電陰極37、微通道板38 和熒光屏面板39進(jìn)行高真空封裝形成的。所述的記錄液體鏡頭陣列30，是一種可編程的連續(xù)快速變焦鏡頭陣列，它由N個液體面型可調(diào)諧的記錄變焦鏡頭和與其對應(yīng)的N個可編程的驅(qū)動電路排列組成，N > 2，該記錄變焦鏡頭采用液體鏡頭或液晶鏡頭，每個記錄變焦鏡頭通過對應(yīng)的可編程電控變焦驅(qū)動電路311控制，可對三維目標(biāo)35進(jìn)行多視角銳聚焦成像，形成視差不同的微單元圖像陣列。通過可編程電控變焦驅(qū)動電路快速控制記錄變焦鏡頭陣列30的焦距，可實現(xiàn)不同深度位置處的目標(biāo)銳聚焦成像，保證不同深度的目標(biāo)獲得高分辨率的微單元圖像。而且，記錄變焦鏡頭陣列30的每個鏡頭同時調(diào)整到合適的電壓，使每個記錄變焦鏡頭變成光學(xué)平板，形成光學(xué)平板陣列，可實現(xiàn)三維目標(biāo)的視差單元圖像陣列記錄模式到二維圖像記錄模式的切換。所述的重構(gòu)變焦鏡頭陣列33，也是一種可編程的連續(xù)快速變焦鏡頭陣列，它由光學(xué)面型可調(diào)諧的N個變焦鏡頭和與其對應(yīng)的N個可編程的驅(qū)動電路排列組成，N ^ 2，該重構(gòu)變焦鏡頭采用液體鏡頭或液晶鏡頭，重構(gòu)變焦鏡頭的數(shù)目與記錄的視差微單元圖像的數(shù)目相同，且重構(gòu)變焦鏡頭的排列與視差微單元圖像陣列的位置對應(yīng)，使顯示的視差單元圖像陣列重構(gòu)成三維立體圖像。記錄變焦鏡頭陣列30的可編程驅(qū)動電路與重構(gòu)變焦鏡頭陣列33的可編程驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)相同，通過兩者的連續(xù)快速變焦特性，增強(qiáng)重構(gòu)立體微光圖像的深度感和層次感。另外，電控變焦驅(qū)動電路調(diào)整合適的電控電壓使重構(gòu)變焦鏡頭變?yōu)楣鈱W(xué)平板，可實現(xiàn)微光立體圖像重構(gòu)顯示模式到二維圖像顯示模式的切換。上述系統(tǒng)的成像原理如下三維目標(biāo)35經(jīng)過記錄變焦鏡頭陣列30，在過渡像面上形成微單元圖像陣列36，物鏡光學(xué)系統(tǒng)31將過渡像面上的視差微單元圖像陣列36中繼匯聚到光電陰極37上，光電轉(zhuǎn)換成視差不同的電子單元圖像陣列，由微通道板38對該電子單元圖像陣列進(jìn)行二次電子倍增和電子加速，轟擊由180°扭像的光纖面板涂上熒光粉制作熒光面板39，實現(xiàn)電子倍增的微單元圖像陣列電光轉(zhuǎn)換成視差微單元光學(xué)圖像，同時完成對整個單元圖像陣列的 180°扭像旋轉(zhuǎn)。這些180°旋轉(zhuǎn)的微單元光學(xué)圖像經(jīng)過空間對應(yīng)的重構(gòu)微透鏡陣列33會聚成像，并由目鏡光學(xué)系統(tǒng)34中繼給觀察者眼睛，形成微光立體圖像310。陶瓷封裝管殼 312提供10_3帕以下的高真空的環(huán)境，使電子圖像陣列在加速和倍增的過程中，不產(chǎn)生空氣電離，為高質(zhì)量的微光圖像增強(qiáng)過程提供可能。同時，通過電控變焦驅(qū)動電路311同步調(diào)節(jié)記錄變焦鏡頭陣列30和重構(gòu)變焦鏡頭陣列33的電壓，使雙變焦鏡頭陣列同時變成光學(xué)平板，實現(xiàn)微光立體成像模式到二維成像模式的轉(zhuǎn)換。根據(jù)集成成像原理，重構(gòu)的立體圖像往往會出現(xiàn)深度反轉(zhuǎn)，為修正微光立體成像的深度逆轉(zhuǎn)，本發(fā)明采用180°扭像的熒光屏面板 39實現(xiàn)對顯示單元圖像的180度翻轉(zhuǎn)，可以解決微光立體成像景深逆轉(zhuǎn)的問題。同時，通過電控變焦驅(qū)動電路311快速調(diào)節(jié)記錄變焦鏡頭陣列30的焦距f\和重構(gòu)變焦鏡頭陣列33 的焦距f2，且滿足> f2，實現(xiàn)多個景深目標(biāo)的快速記錄和多個圖像深度面的重構(gòu)，借助于人眼視覺暫留特性，可有效增強(qiáng)微光立體圖像觀測的縱深感和層次感。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員， 在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的方法及技術(shù)內(nèi)容作出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種直視型微光立體成像儀，包括物鏡光學(xué)系統(tǒng)(31)、光電陰極(37)、微通道板 (38)、具有180°扭像特性的熒光屏面板(39)和目鏡系統(tǒng)(34)，其特征在于物鏡光學(xué)系統(tǒng)(31)的前端設(shè)有記錄變焦鏡頭陣列(30)，并在熒光屏面板(39)后端放置重構(gòu)變焦鏡頭陣列(33)，形成雙變焦透鏡陣列組成的多視角成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；熒光屏面板(39)放置于重構(gòu)變焦微透鏡陣列(3 的焦平面位置處，保證所顯示微單元圖像180°反轉(zhuǎn)，且在重構(gòu)變焦透鏡陣列(33)的各對應(yīng)透鏡單元空間范圍內(nèi)，以實現(xiàn)微光立體圖像深度可逆的校正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立體成像儀，其特征在于所述的記錄變焦鏡頭陣列(30)和重構(gòu)變焦鏡頭陣列(3 的變焦鏡頭采用液體鏡頭或液晶鏡頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立體成像儀，其特征在于記錄變焦鏡頭陣列(30)，由光學(xué)曲面可調(diào)諧的N個變焦鏡頭和與其對應(yīng)的N個可編程的驅(qū)動電路排列組成，N ^ 2，每個變焦鏡頭通過對應(yīng)的可編程電控變焦驅(qū)動電路(311)控制，對不同深度位置處的目標(biāo)進(jìn)行多視角銳聚焦成像，形成視差不同的微單元圖像陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立體成像儀，其特征在于重構(gòu)變焦鏡頭陣列(33)由光學(xué)曲面可調(diào)諧的N個變焦鏡頭和與其對應(yīng)的N個可編程的驅(qū)動電路排列組成，N > 2，重構(gòu)變焦鏡頭的數(shù)目與記錄的視差微單元圖像的數(shù)目相同，且變焦鏡頭的排列與視差微單元圖像陣列的位置對應(yīng)，借助于人眼的視差圖像融合特性，實現(xiàn)大景深范圍內(nèi)的高分辨率微光立體成像。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立體成像儀，其特征在于記錄變焦鏡頭陣列(30)的可編程驅(qū)動電路與重構(gòu)變焦鏡頭陣列(33)的可編程驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)相同，并通過電控變焦驅(qū)動電路 (311)同步調(diào)節(jié)其驅(qū)動電壓，使這些變焦鏡頭由曲面變成平面，實現(xiàn)立體成像模式到二維成像模式的切換。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立體成像儀，其特征在于記錄變焦鏡頭陣列(30)與重構(gòu)變焦鏡頭陣列(33)的焦距可調(diào)，且記錄變焦鏡頭陣列(30)的焦距大于重構(gòu)變焦鏡頭陣列 (33)的焦距f2，通過快速調(diào)整變焦透鏡的焦距，實現(xiàn)多個景深目標(biāo)的記錄和多個圖像深度面的重構(gòu)，借助于人眼視覺暫留特性，以有效增強(qiáng)微光立體圖像顯示的縱深感和層次感。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直視型微光立體成像夜視儀，主要解決現(xiàn)有直視型微光成像儀無法提供具有深度感和層次感的立體微光圖像的問題。它包括物鏡光學(xué)系統(tǒng)(31)、光電陰極(37)、微通道板(38)、具有180°扭像特性的熒光面板(39)和目鏡系統(tǒng)(34)，物鏡光學(xué)系統(tǒng)(31)的前端設(shè)有記錄變焦鏡頭陣列(30)，并在熒光面板(39)后端放置重構(gòu)變焦鏡頭陣列(33)，形成雙變焦透鏡陣列組成的多視角成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；熒光面板(39)置于重構(gòu)變焦微透鏡陣列(33)的焦平面位置處，且在重構(gòu)變焦透鏡陣列(33)的各對應(yīng)透鏡單元空間范圍內(nèi)，以實現(xiàn)微光立體圖像深度可逆的校正。本發(fā)明具有立體成像景深廣、立體/二維成像模式切換和觀測景深逆轉(zhuǎn)校正的優(yōu)點，可用于夜視、醫(yī)學(xué)成像、水下成像、暗室測量等領(lǐng)域。
文檔編號G02B7/04GK102236161SQ20101016152
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者何國經(jīng), 張建奇, 王曉蕊, 郭強(qiáng), 黃曦 申請人:西安電子科技大學(xué)