基于遠紅外相機的被動式光場成像

呂南方，張存林，謝緣

（首都師范大學 物理系，北京 100048）

光場成像是一種基于幾何光學原理與全光函數模型的非相干計算成像方式。在光場成像中，光場被抽象為帶有“方向”與“位置”信息的“光線”集合，這種“集合”可通過4D全光函數進行表示[1]。較之傳統成像方式，基于4D光場信息的光場成像方式蘊含著更多的信息量。通過基于相機陣列[2-4]、微透鏡陣列[5-7]、編碼掩模板[8-10]等方式的光場成像系統對成像目標的4D光場進行分辨與采集，可以運用算法對目標的4D光場進行重構與渲染，以實現對目標圖像的重聚焦[11]、超分辨率重構[12]、深度估計[13]、3D重構[14]、高速攝影[2]等方面的拓展與增強。

由于光學設計水平與CCD技術的成熟，光場成像在可見光波段已經得到了深入研究與廣泛應用。然而在對成像質量提升需求同樣迫切的遠紅外與太赫茲波段，光場成像技術的發展與應用則仍在摸索之中[15-16]。自1991年Adelson從計算機圖形學角度提出光場成像的概念[17]，以及1996年Levoy首次提出實用化的光場采集方式與系統以來[18]，可見光波段的光場采集技術與重構算法被廣泛研究，基于光場成像原理的商業化光場相機也已見諸市場。

而在遠紅外波段，一方面，由于遠紅外與太赫茲波的波長遠長于可見光，因而遠紅外與太赫茲波段成像系統本身的分辨能力受到波長性質的限制；另一方面，工作于遠紅外與太赫茲波段的探測器件在噪聲、敏感度、加工工藝等方面的性能仍不足以滿足高性能、高分辨率成像的需求，這進一步限制了遠紅外與太赫茲波段成像系統的成像能力。

基于微測熱輻射計（microbolometer）的面陣探測器是一種響應頻段覆蓋遠紅外波段的新型探測器。較之工作于同樣波段的面陣探測器，其具有響應頻段寬、分辨率高、等效噪聲功率低、幀率高等優點。然而由于其工作原理，導致其在工作過程中，諸如熱噪聲、熱傳導、以及零點漂移等因素會對成像效果造成顯著影響[19]。因此，目前的遠紅外與太赫茲波段成像手段并不能很好地滿足實際應用的需求。然而，通過在遠紅外與太赫茲波段的成像應用中引入光場成像的手段，則有望提升成像能力，解決上述方面的不足。

1 光場理論與4D全光函數

光場（Light Field）理論是一種用于描述光輻射在三維空間中傳輸特性的模型，其基于幾何光學的近似與非相干條件下的簡化，將光的能量抽象為以“方向”和“位置”表示的“光線”集合進行描述。在忽略光的相干性與波動性的情況下，光場理論可以很好地近似描述光的空間傳播與成像過程。

從幾何學的角度，抽象為空間直線的“光線”，在固定波長、固定時刻、忽略遮擋的前提下，可以通過四個參數進行描述。而在實際的光場成像系統中，基于目前主流的光場采集系統所采用的采集方式，最常用的光場參數化模型是雙平面模型。具體而言，就是在空間中構建兩個位置與距離確定的平行平面，然后在兩個平面分別建立直角坐標系，通過光線分別與兩個平面相交的交點坐標來描述光線，如圖1所示。

圖1 雙平面法表示光場示意圖

用來描述“光線”集合的函數，被稱為全光函數，表示為F2P(x,y,u,v)。對應到實際的光場采集系統，雙平面模型中的兩個平面通常分別代表光場采集系統的真實孔徑或等效孔徑所在平面與探測器陣列所在平面（或其在物空間的共軛平面）。對于實際的4D光場采集系統而言，相機陣列構型是最直接也是最易實現的系統構型。相機陣列構型是通過相機陣列或相機掃描的方式，在空間中不同位置采集4D光場的2D切片，并最終將其融合成完整4D光場信息的采集方式。具體而言，可將相機視為記錄光線方向的針孔相機，而對于相機的每一次記錄，則可將其視為記錄了對應xy平面上特定一點（x0，y0）與uv平面上所有點的光線，亦即4D光場的一個2D“切片”，其方程表達式如式（1）所示。

通過相機在xy平面上不同位置記錄的2D切片，我們即可獲得完整的4D光場信息，如圖2所示。

圖2 2D光場“切片”與光場采集模型示意圖

光場的重聚焦同樣基于幾何光學與“光線”模型。如圖3所示，設uv平面與xy平面的距離為d，重聚焦平面與xy平面的距離為l，則4D光場F2P(x,y,u,v)，在距離l的重聚焦切片Srefocused(l)(s,t)可表達為方程（2）：

圖3 光場的重聚焦示意圖

2 實驗與結果

實驗系統的設置如圖4所示。相機系統被安裝在可以進行二維移動與定位的電控平移臺上，相機指向固定。通過由平移臺承載相機在固定平面上的不同位置采集關于樣品2D紅外圖像的方式，來采集關于樣品的4D完整光場信息。

圖4 光場成像系統示意圖

成像目標為帶有不同鏤空形狀的金屬制工具卡片，如圖5所示。成像系統通過接收樣品反射環境中的紅外輻射進行成像。樣品與相機平面的距離約為750mm。

圖5 成像目標示意圖

采用INO公司的IRXCAM-THz-384遠紅外/太赫茲相機系統作為采集系統，該相機系統采用了基于微測熱輻射計的二維面陣探測器，探測器陣列分辨率384×288像素，單個探測器尺寸35μm；探測器的頻率響應范圍在0.1THz-4.25THz，等效噪聲功率低至20pW；相機系統采集幀率48Hz，通過千兆以太網接口輸出16位高質量灰度圖像。相機系統配有一套帶有聚對二甲苯鍍膜的高阻硅材質成像透鏡，焦距44mm，F數0.7。其實物示意圖如圖6所示。

圖6 INO IRXCAM-THz-384相機系統示意圖

通過搭建的光場成像系統，采用相機掃描分時采集的方式采集了關于樣品的遠紅外靜態4D光場。直接由相機采集的光場切片如圖7（a）所示。對于相機直接采集的光場切片而言，由于探測器靈敏度與噪聲限制，原圖像可見顯著而不均勻的尖銳噪聲，且噪聲幅值高于圖像中感興趣特征信號的幅值。這使得噪聲在淹沒了圖像中的感興趣信息的同時，也難以通過常規圖像處理手段進行濾除。

經過重聚焦重構的光場圖像如圖7（b）所示。在經過重聚焦重構之后，原本尖銳而不均勻的噪聲此時已變得相對均勻而平緩。然而此時圖像的信噪比仍然不高，部分感興趣特征也仍然被淹沒于噪聲之中。

注意到探測器的固定模式噪聲在總的噪聲分量重占據了主要因素。通過對圖像信號進行裁剪并在無窮遠距離重聚焦的方式，可以獲得探測器噪聲當中的固定模式噪聲分量，如圖7（c）所示。而以此對光場切片進行預處理，可以顯著濾除光場切片中的噪聲，如圖7（d）所示。通過增強的4D光場信息，再次對其進行重聚焦重構，并得到了高信噪比的清晰圖像，如圖7（e）所示。

圖7 成像結果示意圖

3 結論

利用光場成像的手段，通過對成像目標4D光場的采集與重構，以及基于光場成像方法對2D光場切片的預處理，可以有效改善現有遠紅外相機成像當中信噪比低下以及固定模式噪聲難以濾除的問題，使得成像效果得到顯著增強。