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基于MEMS微镜的单像素相机光学系统研究

基于MEMS微镜的单像素相机光学系统研究

作者：王梦花西安工业大学

学位级别：硕士

目前,成像系统的分辨率受到感光元件的像素数目的影响,而在近红外、太赫兹以及紫外等特殊波段,对应的面阵探测器成本远高于单像素探测器,甚至在部分波段仍未研制出对应的阵列探测器。为实现特殊波段低成本、高分辨率的成像,用发展较为... 详细信息

目前,成像系统的分辨率受到感光元件的像素数目的影响,而在近红外、太赫兹以及紫外等特殊波段,对应的面阵探测器成本远高于单像素探测器,甚至在部分波段仍未研制出对应的阵列探测器。为实现特殊波段低成本、高分辨率的成像,用发展较为完备的单像素探测器替代面阵探测器实现成像。这种单像素成像方式基于逐点扫描技术,仅需要单像素探测器获取回波光信号,建立扫描点三维坐标和光强信息的对应关系,实现重构成像,分辨率不受面阵探测器成本和成像质量限制,为低成本、高分辨率的特殊波段成像提供了更优的思路。本文对单像素相机的光学系统展开研究,通过设计激光发射端、MEMS微镜扫描端和单像素探测器接收端的光学系统,提高相机的性能。主要开展的研究工作如下:(1)针对半导体激光器出射光束发散角大的问题,研究一体式非球面柱透镜准直方案,将发散角由9°×25°压缩至0.11°×0.55°,满足对光源准直度的要求。准直透镜面型设计为,子午方为单一非球面,弧矢方向准直难度大,为凹-凸双非球面,分别建立透镜表面子午和弧矢方向的准直物理模型,得出初始结构参数,优化完成准直透镜的光学设计。分别分析准直透镜各自由度下的定位误差对激光束发散角、圆形度的影响,为实际应用提供参考。(2)设计正负透镜组和远心F-Theta透镜组合的光学系统,扩展MEMS微镜的扫描角度,校正扫描轨迹的畸变。通过建立大视场、线性扫描光学系统物理模型,分析组合光学系统中各透镜的焦距、位置与扩角系数的数值关系。在Zemax软件中建立多重结构,仿真MEMS微镜扫描系统,完成该光学系统的设计。结果表明:正负透镜组将有限的20°视场扩展至58°,基本满足相机系统对视场的需求;远心F-Theta透镜组的点列图和MTF函数均满足衍射极限,远心度为1.206°满足远心光学系统要求。当扫描角度不同时,出射光束的像高随着扫描角度线性变化,系统扫描轨迹的畸变得到校正,提升了单像素相机的成像质量。(3)设计复合抛物面聚光透镜,作为单像素相机的接收光学系统,提高了单像素探测器在60°全视场下的接收效率。分析单像素相机接收系统的光学特性,对比不同面型锥透镜的收光效率,确定依据复合抛物面聚光理论,进行聚光透镜设计。分别设计反射型复合抛物面聚光器、全内反射型聚光透镜,评估其在全视场下的接收增益分别为12和19.9。设计与聚光透镜相配合的接收物镜置于前端,提高接收光学系统的增益至30.9。评估了不同的偏心误差和倾角误差对光学系统接收效率的影响,当误差分别控制在0.4mm和0.2°以内时,接收效率下降不超过峰值增益的40%。综上所述,完成了单像素相机光学系统的设计,为样机的研制提供了设计基础。

关键词：光学设计单像素相机激光准直 MEMS微镜扫描系统非成像聚光透镜

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应用压缩传感理论的单像素相机成像系统

光学精密工程 2012年第11期20卷 2523-2530页

作者：陈涛李正炜王建立王斌郭爽中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100039

采用稀疏二进制矩阵作为测量矩阵完成了单像素相机对不同场景的拍摄。基于压缩传感理论设计的单像素相机,利用数字微镜阵列和单个探测元件实现高分辨率图像的拍摄,将图像采集和压缩合二为一,减少了数据,降低了系统规模、复杂度和成本。... 详细信息

采用稀疏二进制矩阵作为测量矩阵完成了单像素相机对不同场景的拍摄。基于压缩传感理论设计的单像素相机,利用数字微镜阵列和单个探测元件实现高分辨率图像的拍摄,将图像采集和压缩合二为一,减少了数据,降低了系统规模、复杂度和成本。对测量矩阵进行了分析,给出了二进制测量矩阵精确重构条件。搭建了硬件实验平台,采用稀疏二进制测量矩阵,对笔划复杂度不同的"中"字、"国"字和复杂实物这3种不同的场景进行了拍摄实验,利用梯度投影重构算法重构出目标图像,图像分辨率为数字微镜阵列大小。实验结果显示,对于3种不同场景,在测量次数为目标图像像素总数的20%～30%时,能精确重构出目标图像,表明单像素相机能实现高分辨率图像的拍摄。

关键词：单像素相机压缩传感梯度投影稀疏二进制矩阵

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近红外波段单像素相机测试与仿真研究

导航与控制 2023年第6期22卷 88-96页

作者：安华亮何远清刘院省陶东兴曹正彬陈琲郑悦李明飞北京航天控制仪器研究所北京100039 中国航天科技集团有限公司量子工程研究中心北京100094 北京卫星环境工程研究所北京100029

单像素相机在集成化、工程化方面尚不成熟,大多数研究仅针对实验室环境进行搭建与测试。然而在工程应用中,样机的体积、质量和测试环境均是影响单像素成像质量的因素。故在体积、质量和测试环境等约束条件下,利用集成了C++语言高效编解... 详细信息

单像素相机在集成化、工程化方面尚不成熟,大多数研究仅针对实验室环境进行搭建与测试。然而在工程应用中,样机的体积、质量和测试环境均是影响单像素成像质量的因素。故在体积、质量和测试环境等约束条件下,利用集成了C++语言高效编解码算法的近红外波段单像素相机,开展了在自然光源和红外灯等复杂环境下的单像素相机测试。集成的单像素相机在6.25%采样率下可实现2.5帧/s@256×256像素成像,角分辨率为7.3 mrad,随着曝光时间的增加,图像信噪比显著提升,经深度学习的降噪网络处理后,单帧成像质量仍有上升空间。同时,也仿真研究了集成样机对振动的响应特性,讨论了样机在一般运输环境下的适应性。本研究对单像素相机技术成熟度的提升具有推动作用,为低成本红外成像提供了一种解决方案。

关键词：单像素相机近红外工程化深度学习降噪

一种基于单像素相机的压缩感知图像重建优化算法

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半导体光电 2019年第3期40卷 449-454页

作者：魏子然张建林徐智勇刘永中国科学院光电技术研究所成都610209 电子科技大学光电科学与工程学院成都610054 中国科学院光束控制重点实验室成都610209 中国科学院大学北京100049

基于压缩感知图像重构和单像素相机成像的基本原理,对单像素成像系统中的图像重建算法进行了改进优化。基于最小范数类优化算法,结合凸优化算法和非凸优化算法各自的优点,设计了一种逼近L0范数的数学模型,从而实现了从凸优化向非凸优化... 详细信息

基于压缩感知图像重构和单像素相机成像的基本原理,对单像素成像系统中的图像重建算法进行了改进优化。基于最小范数类优化算法,结合凸优化算法和非凸优化算法各自的优点,设计了一种逼近L0范数的数学模型,从而实现了从凸优化向非凸优化算法的迭代逼近,即逼近光滑L0范数算法。该新型算法以更高的效率和更大的概率逼近原始信号全局最优且尽可能稀疏的解。相较于传统压缩感知图像重建的贪婪类算法和最小范数类算法,该算法使压缩感知重建图像的质量和单像素相机的成像效果均得到了有效提升,并通过实验仿真和实际场景的成像实验验证了该优化算法的可行性。

关键词：单像素相机压缩感知稀疏信号全局最优图像重构

基于单像素相机重构矩阵优化的影像采集和重构方法

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探测与控制学报 2014年第4期36卷 30-35,39页

作者：程涛刘玉安广西科技大学汽车与交通学院广西柳州545006 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室湖北武汉430079

传统的重构矩阵优化算法可以事前确定稀疏变换基,却无法事前确定测量矩阵,尽管能够提高可压缩信号的重构效果,但不利于测量矩阵的硬件实现。针对这些问题,基于事前确定的稀疏变换基和单像素相机测量矩阵,提出了无需把二维影像转化成一... 详细信息

传统的重构矩阵优化算法可以事前确定稀疏变换基,却无法事前确定测量矩阵,尽管能够提高可压缩信号的重构效果,但不利于测量矩阵的硬件实现。针对这些问题,基于事前确定的稀疏变换基和单像素相机测量矩阵,提出了无需把二维影像转化成一维信号的基于线阵推扫和重构矩阵优化的单像素相机影像采集和重构方法。该方法实现了以事前确定的单像素相机测量矩阵采集数据,以事后优化的重构矩阵重构信号。初步解决了针对影像的测量矩阵硬件实现难题,改善提高了影像重构效果。同时回避了"测量矩阵和稀疏变换基不相关性好"的测量矩阵设计原则。实验表明无需把二维影像转化成一维信号的基于线阵推扫和重构矩阵优化的单像素相机影像采集和重构方法是可行的。

关键词：压缩感知单像素相机重构矩阵优化影像采集影像重构离散余弦变换矩阵

基于离散余弦变换的单像素相机测量矩阵的性能评估

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探测与控制学报 2021年第2期43卷 81-85页

作者：程涛吴小龙杨明广西科技大学机械与交通工程学院广西柳州545006

采集可压缩信号时,单像素相机的测量矩阵和稀疏变换基共同构成重构矩阵。针对0-1循环测量矩阵,尽管利于编程和硬件实现,但相应重构矩阵重构能力很差的问题,对比分析了基于0-1随机矩阵和0-1循环矩阵的重构矩阵,及其优化前后的重构效果,... 详细信息

采集可压缩信号时,单像素相机的测量矩阵和稀疏变换基共同构成重构矩阵。针对0-1循环测量矩阵,尽管利于编程和硬件实现,但相应重构矩阵重构能力很差的问题,对比分析了基于0-1随机矩阵和0-1循环矩阵的重构矩阵,及其优化前后的重构效果,并给出相应的理论分析和比较评估。该理论分析和比较评估为单像素相机测量矩阵的选型和设计提供了方向指导,利于设计制造出性能更优的单像素相机。实验表明,对于可压缩信号,单像素相机不能使用0-1循环矩阵作为测量矩阵,但可使用0-1随机矩阵作为测量矩阵,并能对相应重构矩阵作有效优化。

关键词：单像素相机离散余弦变换测量矩阵数字微镜 0-1循环矩阵

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单像素相机内部元素对重构矩阵性能的影响

广西科技大学学报 2021年第1期32卷 71-77页

作者：吴小龙程涛杨明广西科技大学机械与交通工程学院广西柳州545006 广西汽车零部件与整车技术重点实验室(广西科技大学) 广西柳州545006

单像素相机测量矩阵易于硬件实现,但对于单像素相机测量矩阵内部元素的改变对重构矩阵性能影响的研究较少.对于该问题,通过改变0-1循环矩阵中1的位置以及行和列的数量,对由基于0-1循环矩阵的重构矩阵优化得到的优化矩阵和近似矩阵进行... 详细信息

单像素相机测量矩阵易于硬件实现,但对于单像素相机测量矩阵内部元素的改变对重构矩阵性能影响的研究较少.对于该问题,通过改变0-1循环矩阵中1的位置以及行和列的数量,对由基于0-1循环矩阵的重构矩阵优化得到的优化矩阵和近似矩阵进行分析来判断重构矩阵的性能.实验结果表明:基于改变后的0-1循环矩阵得到的重构矩阵、优化矩阵和近似矩阵对稀疏度为8~48的信号的重构能力要比0-1循环矩阵中列数和移位步长都是偶数时提升至少15%.该方法使重构矩阵的重构性能达到了理想的状态.

关键词：单像素相机内部元素重构矩阵移位步长重构性能

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基于压缩传感理论的单像素相机成像研究

基于压缩传感理论的单像素相机成像研究

作者：李正炜中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）

学位级别：硕士

传统的图像传输过程中,采集的图像数据经过压缩之后,只保留一部分有效信息、,这无疑造成很大的采集、存储资源和成本的浪费。近年由Candes、 Romberg、Tao和Donoho等人提出的压缩传感理论,为解决这种资源浪费提供了理论基础。基于压缩... 详细信息

传统的图像传输过程中,采集的图像数据经过压缩之后,只保留一部分有效信息、,这无疑造成很大的采集、存储资源和成本的浪费。近年由Candes、 Romberg、Tao和Donoho等人提出的压缩传感理论,为解决这种资源浪费提供了理论基础。基于压缩传感理论的单像素相机成像系统,只需要单个探测器,同时进行图像采集和压缩,这大大降低了系统的规模、成本和复杂度,节省了存储资源。本文深入研究单像素相机结构系统原理,将单像素相机成像系统分为三个模块,光路调制模块、数据采集模块、图像重构模块。 1)光路调制模块根据测量矩阵设置DMD翻转状态,在像面上对光学图像进行线性采样。主要对稀疏二进制随机矩阵、二进制分块对角矩阵、部分沃尔什矩阵进行了研究,结合的重构算进行了模拟和实际的拍摄实验。 2)数据采集模块采用光电倍增管测量收集的总光能量,并采用数据采集卡进行A/D转换及存储。 3)图像重构模块由测量矩阵和采样测量值,利用重构算法重构出目标图像。主要对梯度投影算法和TVAL3这两种算法进行了研究,并编写了这两种重构算法的软件平台。本文对单像素相机不同测量矩阵和重构算法进行了分析比较,提出了只由0、1组成的测量矩阵精确重构出目标图片时需满足一定的稀疏性条件,对梯度投影重构算法与TVAL3重构算法进行了详细分析比较,编写了软件重构平台为单像素相机实际应用提供了软件基础,搭建了室内实验平台,分别对测量矩阵采用稀疏二进制矩阵并利用梯度投影重构算法进行重构和测量矩阵采用离散沃尔什矩阵并利用TVAL3重构算法进行重构这两种组合进行了室内实验。实验结果表明单像素相机能实现高分辨率图像拍摄且抗干扰能力强。采用后一种组合重构速度和重构效果要比前一种组合要好得多,测量率为5%时可分辨出目标轮廓,测量率为10%0%能精确重构出目标图片,可以作为单像素相机实际应用时的测量矩阵和重构算法。

关键词：压缩传感单像素相机梯度投影 TVAL3 测量矩阵

基于压缩感知理论的单像素相机高质量视频成像系统

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基于压缩感知理论的单像素相机高质量视频成像系统

作者：张喆哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

压缩感知理论(Compressive sensing theory)是单像素相机系统的设计理论基础,从相关理论的提出到发展成熟只用了几十年的时间,特别是在21世纪初,随着相关研究人员的持续探索研究,在2004年由Candes、Romberg、Tao和Donoho等科学家提出了... 详细信息

压缩感知理论(Compressive sensing theory)是单像素相机系统的设计理论基础,从相关理论的提出到发展成熟只用了几十年的时间,特别是在21世纪初,随着相关研究人员的持续探索研究,在2004年由Candes、Romberg、Tao和Donoho等科学家提出了完整的压缩感知理论。压缩感知理论又称压缩采样,压缩感知理论是保留信号有用信息,抛弃了信号采样中的冗余信息,将压缩后的观测值进行凸优化求解,最终恢复出原始信号。随着研究人员在各领域探索中不断的将压缩感知理论引入,CS理论在很多方面应用已经取得了突破进展,包括在图像处理领域、计算成像领域、地球物理领域、信号处理领域、应用数学领域等。单像素相机就是压缩感知理论在计算成像领域的应用,单像素相机是由美国莱斯大学于2006年在其发表的论文中首先提出,其主要特点是打破了传统多像素传感器(CCD或CMOS)获取图像的方式,以单像素探测器与DMD数字微镜结合达到数字成像的目的,本课题具体研究工作如下:本课题将首先对单像素相机系统相关的核心理论—压缩感知理论做了分析研究,讨论了传统采样的弊端,继而引出压缩感知理论的特点和优势,详细讨论了它的数学理论模型,并且对压缩感知理论的稀疏采样的各个环节做了详细分析探讨。其后对传统单像素相机各组成部分做了介绍,包括系统搭建部分、软件设置部分、算法恢复部分等。并讨论了传统单像素相机实验中会出现的问题,并对其产生原因做了详细讨论和解决。通过对传统单像素相机成像系统的各组成部分做了详细研究,提出了新的单像素相机高质量视频成像系统。新单像素相机高质量视频成像系统相较于传统单像素相机系统主要在三方面做了优化改进。在光路上,用两个准直透镜搭配光纤采集光路来替代传统笼式透镜光路;在信号采集上,用了新设计的高速信号采集方案替代了旧的低速采样方案;在矩阵设计上,提出了双尺度矩阵算法。通过上述的优化改进让新单像素相机成像系统具备了一次实验可以实现两种分辨率快速高质量视频成像能力。最后,新提出的单像素相机高质量视频成像系统是模块式的,各个器件有很多可选择可替代性,并且矩阵算法和恢复算法也有很大的提升空间,因此本系统有很强的可移植性,甚至可以实现太赫兹波段视频成像,这为替代X光检测器提供了新思路。

关键词：压缩感知单像素相机高分辨率双尺度矩阵高速采样方案