[發(fā)明專利]寬光譜編碼全彩色濾光片陣列

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011041453.0
• 申請日: 2020-09-28
• 公開（公告）號: CN111999788B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郝翔;宋洪亞;劉旭
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G02B5/20
• 分類號: G02B5/20;G02B27/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發(fā)明公開了一種寬光譜編碼全彩色濾光片陣列。在濾光片陣列的最小重復(fù)單元中，每個濾光片的光譜響應(yīng)均為優(yōu)化設(shè)計所得。相比于使用傳統(tǒng)彩色濾光片陣列的圖像探測器，使用寬光譜編碼全彩色濾光片陣列的器件具有更高的進(jìn)光量、更強的光譜信息采集能力和較好的色彩準(zhǔn)確度。配合光譜重構(gòu)算法，本發(fā)明可以將彩色圖像探測器改進(jìn)為光譜圖像探測器，同時不損失成像的空間分辨率；還可以大大提高現(xiàn)有圖像探測器的抗噪聲性能以及成像質(zhì)量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)成像、光電檢測以及光電器件領(lǐng)域。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于現(xiàn)在的各種圖像探測器，如手機攝像模組、光譜成像器件等。

背景技術(shù)

隨著集成圖像探測器制造工藝的發(fā)展，CCD、CMOS圖像探測器的像素尺寸得以不斷減小，以實現(xiàn)更高的成像分辨率和更小的器件體積。然而小像素必然使得單個像素的進(jìn)光量減小，從而降低成像的信噪比。而人們對彩色成像的需求導(dǎo)致集成圖像探測器必須具有顏色的分辨能力，最常見的方案是向圖像探測器前添加一層拜耳濾光片陣列，這使得單個像素的進(jìn)光量又大大減小(減小了約2/3)。

隨著拜耳濾光片陣列(RGGB排列)的缺點不斷凸顯，誕生了許多新的濾光片排列方案，如RYYB、RGBW等。這些方案雖然在一定程度上彌補了拜耳濾光片陣列進(jìn)光量少的缺陷，但是提高依然有限，為了保留顏色的分辨能力而不得不保留了拜耳濾光片陣列原有的窄帶光譜響應(yīng)形式。

另外，由于這些方案本質(zhì)上依然采用的是少量的窄帶濾光片，其光譜解析力與拜耳濾光片陣列相比并無明顯提高。而隨著光譜成像技術(shù)在醫(yī)療、美容、食品安全等方面的廣泛應(yīng)用，人們開始逐漸關(guān)注小型光譜成像設(shè)備在生活中的使用。若能夠提高普通成像設(shè)備(如手機攝像模組)的光譜分辨能力，那么便攜式成像設(shè)備必將煥發(fā)出新的活力，小型光譜成像設(shè)備具有廣闊的市場前景。

近年來，計算成像技術(shù)的發(fā)展使得光學(xué)成像有了新的實現(xiàn)方式，進(jìn)而誕生了許多新型計算光譜成像技術(shù)。通過引入人工智能算法，可以使以往經(jīng)驗主導(dǎo)的濾光片設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)樗惴▋?yōu)化設(shè)計，而且可以更加準(zhǔn)確地實現(xiàn)光譜重構(gòu)與顏色信息還原。同時隨著材料科學(xué)和光學(xué)薄膜技術(shù)的發(fā)展，誕生了各種新型的光譜調(diào)制器件，光譜調(diào)制的精細(xì)度和可控度也越來越高。這使得使用基于寬光譜調(diào)制器件的光譜成像成為可能，且成本大大降低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種寬光譜編碼全彩色濾光片陣列。物體發(fā)出(或反射)的光由寬光譜編碼濾光片調(diào)制后入射到圖像探測器上，得到原始強度值，再經(jīng)過光譜重構(gòu)算法或顏色重構(gòu)算法解算出物體的光譜圖像或者彩色圖像。本發(fā)明將濾光片陣列的進(jìn)光量和光譜或顏色的重構(gòu)精度同時作為優(yōu)化目標(biāo)，不僅能實現(xiàn)光譜信息和全彩色信息的獲取，還能大大提高圖像探測器中單個像素的進(jìn)光量，從而提高彩色圖像探測器的信噪比。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：一種寬光譜編碼全彩色濾光片陣列，包括：

在濾光片陣列的最小重復(fù)單元中，每個濾光片的光譜響應(yīng)均為優(yōu)化設(shè)計所得，所述優(yōu)化設(shè)計方法包括以下步驟：

(1)設(shè)濾光片陣列的最小重復(fù)單元中有M個濾光片，第i個濾光片的光譜透過率曲線為S_i(λ)，其中i＝1,2,…,M。

(2)濾光片陣列放置于圖像探測器前，設(shè)圖像探測器中每個像素的光譜響應(yīng)為D(λ)，確定有效光譜范圍為λ_min至λ_max，則第i個濾光片對應(yīng)的進(jìn)光量

(3)設(shè)目標(biāo)物體光譜曲線為T(λ)，則位于第i個濾光片下的像素所探測到的強度值使用光譜重構(gòu)算法(例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))，可以將最小重復(fù)單元中所有像素探測到的強度值{I₁,I₂,...,I_M}重構(gòu)出光譜響應(yīng)曲線這一過程記為

式中，表示所使用的光譜重構(gòu)算法。