混合式光場(chǎng)成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種成像技術(shù)，特別涉及一種混合式光場(chǎng)成像系統(tǒng)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)普通 二維成像和四維光場(chǎng)成像的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)數(shù)碼相機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，10是物平面，11為系統(tǒng)鏡頭，光線經(jīng)過光學(xué) 系統(tǒng)后到達(dá)像感器12,經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換得到最終的圖片。傳統(tǒng)相機(jī)的成像過程，是對(duì)于三維空 間景物采取了二維投影的方式，只是將光線的強(qiáng)度在探測(cè)器像元上進(jìn)行累加，也就是說只 考慮了物體在像平面上的空間分布，而丟失了光線在傳播方向上的信息，限制了圖像的重 塑性。
[0003] 光場(chǎng)成像不僅采集了物體的空間信息，同時(shí)還收集了物體的方向信息，由于能同 時(shí)記錄光場(chǎng)傳播的二維空間信息和二維方向信息，因而被稱為四維信息。光場(chǎng)相機(jī)可分為 兩種類型，一類是普通光場(chǎng)相機(jī)，一類是聚焦型光場(chǎng)相機(jī)。其中，聚焦型光場(chǎng)相機(jī)能夠獲得 較高的空間分辨率。
[0004] 普通光場(chǎng)相機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。在圖2中，20是物平面，微透鏡陣列22位于主 鏡頭21的焦面上，傳感器23位于微透鏡陣列22的焦面上。微透鏡陣列22將主鏡頭21的 像平面的光線按照不同的方向角分散在傳感器23上，得到一個(gè)聚焦的主鏡頭光闌的圖像， 微透鏡陣列22后方的圖像描述了系統(tǒng)中圖像傳感器23在該位置處的方向分辨率，最終圖 像的空間分辨率取決于微透鏡陣列22中的透鏡數(shù)量。
[0005] 聚焦型光場(chǎng)相機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，可分為兩種情況，分別對(duì)應(yīng)圖3 (a)和圖3 (b)。在圖3 (a)中，310為物平面，微透鏡陣列313對(duì)主鏡頭311的像平面312成像，微透 鏡陣列313的像平面位于其后方成實(shí)像，由傳感器314接收。在圖3 (b)中，同樣320為物 平面，微透鏡陣列323對(duì)主鏡頭321的像平面322成像，微透鏡陣列323的像平面位于其后 方成虛像，由傳感器324接收。
[0006] 光場(chǎng)成像保留了對(duì)圖像重塑的可能性，能夠得到更加靈活化、多元化的圖像信息， 具有非常廣泛的應(yīng)用前景。如可以通過對(duì)光場(chǎng)圖片的數(shù)字重聚焦技術(shù)，計(jì)算出對(duì)焦在不同 深度的二維圖像，實(shí)現(xiàn)"先拍照后對(duì)焦"的功能；提高聚焦能力，擺脫失焦、跑焦困擾；增加 對(duì)圖片處理的靈活性；通過光場(chǎng)數(shù)據(jù)合成視角圖像實(shí)現(xiàn)3D顯示；通過對(duì)光場(chǎng)數(shù)據(jù)的反演， 數(shù)字化校正光學(xué)系統(tǒng)像差，降低光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和加工難度等。
[0007] 但是光場(chǎng)成像會(huì)產(chǎn)生很大的數(shù)據(jù)量，并且還要對(duì)所得圖像進(jìn)行一系列處理，才能 夠得到人們平時(shí)所習(xí)慣看到的圖像?，F(xiàn)有的光場(chǎng)相機(jī)，在完成拍照之后，必須要將圖片導(dǎo)入 特定的軟件，在其中對(duì)光場(chǎng)信息進(jìn)行處理之后，才能得到方便人們觀看的圖像。雖然在相機(jī) 上，往往也提供一個(gè)預(yù)覽圖片，但該預(yù)覽圖片通常是通過對(duì)光場(chǎng)圖像的直接降采樣獲得，相 對(duì)與普通數(shù)碼相機(jī)的照片，這樣的預(yù)覽照片像素?cái)?shù)過低，效果較差。因此，現(xiàn)有的光場(chǎng)相機(jī) 對(duì)于廣大用戶來說不符合大眾的使用習(xí)慣，這給其廣泛使用帶來了很大局限，使其不能夠 替代或進(jìn)入傳統(tǒng)的數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)。
[0008] 有技術(shù)提出在相機(jī)中加入分光結(jié)構(gòu)，如圖4所示，通過分光器件42(如半透半反平 面鏡或半透半反棱鏡等)，將從主鏡頭41出射的光束分成兩路，一路直接由像感器43接收， 獲得類似普通數(shù)碼相機(jī)的二維圖像，另一路在像感器45前加入微透鏡陣列（或小孔陣列） 44,獲得四維光場(chǎng)圖像。這種結(jié)構(gòu)雖然能夠同時(shí)得到一幅普通二維圖像和一幅光場(chǎng)圖像，但 系統(tǒng)不可避免的存在體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)，同時(shí)，由于采用了分光器件，系統(tǒng)每一路的 能量相對(duì)于進(jìn)入主鏡頭的總能量來說都至少減半，為了保證像面上能獲得足夠的照度，就 要求主鏡頭設(shè)計(jì)有更大的相對(duì)孔徑，這也會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高制造成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明是針對(duì)目前光場(chǎng)相機(jī)不能夠直接得到用戶能夠觀看的圖像的問題，提出了 一種混合式光場(chǎng)成像系統(tǒng)，采用可變焦微透鏡陣列，通過控制透鏡陣列變焦，在不對(duì)相機(jī)結(jié) 構(gòu)做任何調(diào)整的情況下，用戶可自由選擇拍攝光場(chǎng)圖像或普通圖像，或兩者共同獲得，從而 達(dá)到方便使用的目的。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種混合式光場(chǎng)成像系統(tǒng)，物平面經(jīng)主鏡頭聚焦后，通過可 變焦微透鏡陣列成像在像感器上，物平面、主鏡頭、可變焦微透鏡陣列、像感器在同一水平 軸依次放置，可變焦微透鏡陣列由多個(gè)相同的微透鏡或微透鏡組按正方形或六邊形排成陣 列構(gòu)成，可變焦微透鏡陣列的厚度為4折射率為《，可變焦微透鏡陣列的光焦度可在0到必 之間變化，即可變焦微透鏡陣列的焦距可在無窮大到之間變化，主鏡頭的焦距為//，主 鏡頭相對(duì)于像感器的距離為廠，可變焦微透鏡陣列相對(duì)于像感器的距離私 當(dāng)可變焦微透鏡陣列的光焦度為0時(shí)，系統(tǒng)獲得普通二維圖像，物方對(duì)準(zhǔn)平面與主鏡 頭主面之間的距離7,滿足：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種混合式光場(chǎng)成像系統(tǒng)，其特征在于，物平面經(jīng)主鏡頭聚焦后，通過可變焦微透鏡 陣列成像在像感器上，物平面、主鏡頭、可變焦微透鏡陣列、像感器在同一水平軸依次放置， 可變焦微透鏡陣列由多個(gè)相同的微透鏡或微透鏡組按正方形或六邊形排成陣列構(gòu)成，可變 焦微透鏡陣列的厚度為4折射率為/7,可變焦微透鏡陣列的光焦度可在O到0之間變化， 即可變焦微透鏡陣列的焦距可在無窮大到廣之間變化，主鏡頭的焦距為//，主鏡頭相對(duì) 于像感器的距離為廠，可變焦微透鏡陣列相對(duì)于像感器的距離私 當(dāng)可變焦微透鏡陣列的光焦度為O時(shí)，系統(tǒng)獲得普通二維圖像，物方對(duì)準(zhǔn)平面與主鏡 頭主面之間的距離7,滿足：
當(dāng)可變焦微透鏡陣列的光焦度由〇變?yōu)?時(shí)，可變焦微透鏡陣列的焦距1/必，系 統(tǒng)獲得四維光場(chǎng)圖像，假設(shè)可變焦微透鏡陣列的焦距廣X)時(shí)，四維光場(chǎng)圖像模式下對(duì)焦物 平面與主鏡頭主面間的距離心假設(shè)可變焦微透鏡陣列的焦距廣<0時(shí)，有Λ; 并且，Λ與7,之間滿足由高斯光學(xué)所確定的關(guān)系：
式中，7,是二維圖像模式下對(duì)焦物平面與主鏡頭主面間的距離，7/是二維圖像模式下 物方對(duì)準(zhǔn)平面經(jīng)主鏡頭成像后的像距，//是主鏡頭的焦距，7/是四維光場(chǎng)圖像模式下對(duì) 焦物平面經(jīng)主鏡頭成像后的像距，a是四維光場(chǎng)圖像模式下對(duì)焦物平面經(jīng)主鏡頭成像后，像 面與可變焦微透鏡陣列之間的距離，6是可變焦微透鏡陣列與像感器之間的距離。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種混合式光場(chǎng)成像系統(tǒng)，物平面經(jīng)主鏡頭聚焦后，通過可變焦微透鏡陣列成像在像感器上，物平面、主鏡頭、可變焦微透鏡陣列、像感器在同一水平軸依次放置，可變焦微透鏡鏡陣列與主鏡頭、像感器的距離始終不變，當(dāng)可變焦微透鏡陣列的光焦度為0時(shí) ， 系統(tǒng)獲得普通二維圖像，當(dāng)可變焦微透鏡陣列的光焦度由0變?yōu)?φ 時(shí) ， 即可變焦微透鏡陣列的焦距 f’= 1/ φ 時(shí) ， 系統(tǒng)獲取四維光場(chǎng)圖像。改變可變焦微透鏡陣列的光焦度，可在二維和四維光場(chǎng)圖像上任意切換。與普通光場(chǎng)相機(jī)相比，在不增加系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的情況下，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)成像與普通二維成像兩種模式，方便用戶選擇與使用。
【IPC分類】H04N5-232, H04N5-225, H04N13-02
【公開號(hào)】CN104539832
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410846918
【發(fā)明人】張薇, 郭鑫, 速晉輝
【申請(qǐng)人】上海理工大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年12月31日