CN103728808A - 液晶透镜成像装置及液晶透镜成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液晶透镜成像装置及成像方法。其中，成像装置包括：至少一个液晶透镜；驱动电路，连接至液晶透镜，在第一时刻使所述液晶透镜处于非透镜状态，以及在第二时刻使所述液晶透镜处于透镜状态；至少一个图像采集单元，用于接收第一时刻经过液晶透镜的第一光信号生成第一图像信号，以及接收第二时刻经过液晶透镜的第二光信号生成第二图像信号；图像处理单元，处理第一和第二图像信号，生成最终成像的图像信号。本发明的液晶透镜成像装置和成像方法没有使用偏振装置，从而保留入射光的完整强度，这使得在较暗的环境下拍摄的图像细节更丰富，并且单一液晶透镜即可清晰成像，减少了整个成像装置的厚度。

Description

液晶透镜成像装置及液晶透镜成像方法

技术领域

本发明涉及透镜成像技术领域，具体而言，涉及一种液晶透镜成像装置和一种液晶透镜成像方法。

背景技术

由于液晶材料的各向异性性，液晶器件通常只对应偏振光；液晶透镜在用于成像设备时，需要加偏振装置，如偏振片，以使入射光呈线偏振状态。但偏振片的使用会使光强度降至初始强度值的一半以下。这样，在较暗的环境下，有可能使到达图像传感器的光量不足，引起信噪比下降，降低成像质量。

为避免偏振片的使用，可以在成像系统中用液晶层的初始配向互相垂直的多个液晶透镜叠加组成液晶透镜，或设计包含初始配向互相垂直的多液晶层叠加的液晶透镜。各液晶透镜或各液晶层分别处理两个偏振分量，从而实现对任意偏振态环境的对应，但这种解决方案存在以下的问题。

（1）多个液晶透镜叠加方案或多个液晶层叠加方案由于增加了液晶透镜或液晶层的数量，因此大幅度增加了液晶透镜的生产成本。

（2）由于增加了液晶透镜或液晶层的数量，因此也大幅度增加了器件的厚度，让液晶透镜成像装置难以搭载进移动设备中。

（3）由于各液晶透镜或各液晶层在系统中所处位置不同，因此偏振光的两个分量的传播行为不完全一致，使系统的成像质量降低。

因此，如何在解决不使用偏振片直接能够通过液晶透镜成像的问题的同时，能够减少透镜结构的厚度，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明正是基于上述问题中至少之一，提出了一种新的液晶透镜成像装置，在该液晶透镜成像装置中没有使用偏振装置，并且也没有因采用多液晶透镜（层）叠加的方式而增加成像装置的厚度。

本发明提出了一种液晶透镜成像装置，包括：至少一个液晶透镜；驱动电路，连接至所述液晶透镜，在第一时刻使所述液晶透镜处于非透镜状态，以及在第二时刻使所述液晶透镜处于透镜状态；至少一个图像采集单元，所述图像采集单元用于采集在所述第一时刻经过所述液晶透镜的第一光信号，并根据所述第一光信号生成第一图像信号，以及采集在所述第二时刻经过所述液晶透镜的第二光信号，并根据所述第二光信号生成第二图像信号；图像处理单元，连接至所述图像采集单元，接收所述第一图像信号和所述第二图像信号，并对所述第一图像信号和所述第二图像信号进行处理，将处理得到的图像信号作为最终成像的图像信号。

在上述实施方式中，在不需要叠加多个液晶透镜的情况下（仅需一个液晶透镜）就能够获取高质量的图像，因此液晶透镜成像结构的厚度被减小。根据本发明的液晶透镜成像装置在没有偏振片的情况下，既能够获得高质量的成像图像，也能够减小液晶透镜成像装置的厚度。

在上述技术方案中，优选的，所述图像处理单元包括：计算单元，用于在所述第二图像信号中去除未被所述液晶透镜调制的光信号生成的图像信号，得到所述最终成像的图像信号，其中，所述未被所述液晶透镜调制的光信号生成的图像根据所述第一图像信号获得。

由于液晶透镜仅对某一偏振方向上的光分量具有调制作用，因此在第二时刻获取的图像信号包含了由未被调制的光信号（即与被调制的偏振方向垂直的偏振方向上的光分量）生成的图像信号，而该图像信号影响了成像质量，因此需要在第二时刻获得总光信号中去除该未被调制的光信号，而该未被调制的光信号可以根据在第一时刻获取的光信号得到。

在上述任一技术方案中，优选的，所述计算单元基于如下公式确定所述最终成像的图像信号：I₃＝I₂-α·I₁，其中，I₃为所述最终成像的图像信号，I₁为所述第一图像信号，I₂为所述第二图像信号，α为偏振态异向因子，表征未被所述液晶透镜调制的偏振分量在入射光中所占的比例，α·I₁即为根据所述未被调制的光信号生成的图像信号。

由于获取的图像信号仅与一个液晶透镜有关，并且杂光信号仅仅是某一分量上的光信号，因此α因子的确定仅与入射光的偏振态差异有关，可将光信号分成x方向上的分量以及y方向上的分量，根据入射光在各方向上的分量情况来确定该α因子。因此，可以实时检测入射光的偏振态差异，然后确定当前的合适的α因子。

在上述任一技术方案中，优选的，所述图像处理单元还包括：第一异向因子确定单元，在预定数值范围内，按照第一预设间隔调整所述偏振态异向因子的值，计算根据每一偏振态异向因子的值所获取的最终成像图像的质量特征判决，将对应于质量特征判决最大的最终成像图像的偏振态异向因子作为所述液晶透镜成像装置的偏振态异向因子。

在另一种实施方式中，可无需检测入射光的偏振态差异，直接输入各个α因子的值，然后输出相对于每一α因子的图像信号，将各图像信号进行比较，获取图像质量最好的图像信号对应的α因子，该α因子即粗略得到的准确的α因子。第一预设间隔越小，确定的α因子的值越准确。可称该过程为α因子的搜索过程，在初次搜索（粗略搜索）时，第一预设间隔可稍大，以快速确定出合适的α因子的取值范围。

在上述任一技术方案中，优选的，所述图像处理单元还可以包括：第二异向因子确定单元，在所述第一偏振态向因子确定单元按照所述第一预设间隔选择出偏振态异向因子时，在选择出的偏振态异向因子的前后偏移预设值的范围内，按照第二预设间隔调整所述偏振态异向因子的值，计算根据每一偏振态异向因子的值所获取的最终成像图像的质量特征判决，将对应于质量特征判决最大的最终成像图像的偏振态异向因子作为所述液晶透镜成像装置的偏振态异向因子，其中，所述第二预设间隔小于所述第一预设间隔。该质量特征判决用于衡量图像质量的好坏。例如，采用归一化方差来衡量图像质量，主要是衡量图像的对比度和亮度，但不局限于衡量图像的对比度和亮度，还需考虑图像的其它因素，如信噪比等。

在进行粗略搜索之后，可进行精确搜索（即第二次搜索）。以第一次搜索之后确定的α因子的值为基准，在前后预设范围内进行搜索，本次搜索中采用的第二预设间隔相对第一次搜索所使用的第一预设间隔稍小，以进一步确定更加准确的α因子的值。

在上述任一技术方案中，优选的，所述预定数值范围为大于等于0且小于等于1。

在上述任一技术方案中，优选的，在进入所述液晶透镜的入射光为自然光的情况下，所述偏振态异向因子α取值为

在上述任一技术方案中，优选的，在进入所述液晶透镜的入射光在x偏振方向的光强度和在y偏振方向的光强度之比为3:7的情况下，所述图像处理单元计算出在所述缩放因子α为0.7时，所述最终成像质量最好。

在上述任一技术方案中，优选的，所述第一时刻与所述第二时刻相隔的时间小于预设时间。为了保证第一时刻的入射光与第二时刻的入射光之间的差异非常小，因此第一时刻与第二时刻之间间隔的时间长越短越好。

在上述任一技术方案中，优选的，所述图像处理单元还连接至所述驱动电路，根据所述最终成像图像的图像特征向所述驱动电路发送控制信号；所述驱动电路根据所述控制信号调节输入至所述液晶透镜的电压。

为了进一步获得高质量特征判决的图像，图像处理器还能够对最终获取的图像进行分析，并根据分析结果来控制调整输入给液晶透镜的电压，从而能够获得效果更好的图像。

在上述任一技术方案中，优选的，所述液晶透镜由液晶微透镜阵列构成，所述液晶微透镜阵列中所有微透镜的取向层的摩擦方向相互平行。

在上述任一技术方案中，优选的，在所述第二时刻使所述液晶透镜处于透镜状态是指调节所述驱动电路的电压，使经过所述液晶透镜后所成的图像的质量特征判决达到最大值时的状态。

根据本发明的又一方面，还提供了一种液晶透镜成像方法，包括：在第一时刻使液晶透镜处于非透镜状态，采集在所述第一时刻经过所述液晶透镜的第一光信号，并根据所述第一光信号生成第一图像信号；在第二时刻使所述液晶透镜处于透镜状态，采集在第二时刻经过所述液晶透镜的第二光信号，并根据所述第二光信号生成第二图像信号；对所述第一图像信号和所述第二图像信号进行处理，将处理得到的图像信号作为最终成像的图像信号。

根据本发明的液晶透镜成像方法在没有偏振片的情况下，既能够获得高质量的成像图像，又能够减小液晶透镜成像装置的厚度。

在上述任一技术方案中，优选的，所述对所述第一图像信号和所述第二图像信号进行处理，具体包括：在所述第二图像信号中去除未被所述液晶透镜调制的光信号生成的图像信号，得到所述最终成像的图像信号，其中，所述未被所述液晶透镜调制的光信号生成的图像根据所述第一图像信号获得。

由于液晶透镜仅对某一偏方向上的光分量具有调制作用，因此在第二时刻获取的图像信号包含了由未被调制的光信号（即与被调制的偏振方向垂直的偏振方向上的光振分量）生成的图像信号，而该图像信号影响了成像质量，因此需要在第二时刻获得总光信号中去除该未被调制的光信号，而该未被调制的光信号可以根据在第一时刻获取的光信号得到。

在上述任一技术方案中，优选的，基于如下公式确定所述最终成像的图像信号：I₃＝I₂-α·I₁，其中，I₃为所述最终成像的图像信号，I₁为所述第一图像信号，I₂为所述第二图像信号，α为偏振态异向因子，表征未被所述液晶透镜调制的偏振分量在入射光中所占的比例，α·I₁为所述未被所述液晶透镜调制的光信号生成的图像信号。

由于获取的图像信号仅与一个液晶透镜有关，并且杂光信号仅仅是某一分量上的光信号，因此α因子的确定仅与入射光的偏振态差异有关，可将光信号分成x方向上的分量以及y方向上的分量，根据入射光在各方向上的分量情况来确定该α因子。因此，可以实时检测入射光的偏振态差异，然后确定当前的合适的α因子。

在上述任一技术方案中，优选的，确定所述偏振态异向因子的方法包括：在预定数值范围内，按照第一预设间隔调整所述偏振态异向因子的值，计算根据每一偏振态异向因子的值所获取的最终成像图像的质量特征判决，将对应于质量特征判决最大的图像所对应的异向因子作为所述液晶透镜成像装置的偏振态异向因子。

在另一种实施方式中，可无需检测入射光的偏振态差异，直接输入各个α因子的值，然后输出相对于每一α因子的图像信号，将各图像信号进行比较，获取图像质量最好的图像信号对应的α因子，该α因子即粗略得到的准确的α因子。第一预设间隔越小，确定的α因子的值越准确。可称该过程为α因子的搜索过程，在初次搜索（粗略搜索）时，第一预设间隔可稍大，以快速确定出合适的α因子的值。

在上述任一技术方案中，优选的，确定所述偏振态异向因子的方法还包括：在按照所述第一预设间隔选择出偏振态异向因子时，在选择出的偏振态异向因子的前后偏移预设值的范围内，按照第二预设间隔+调整所述偏振态异向因子的值，计算根据每一偏振态异向因子的值所获取的最终成像图像的质量特征判决，将对应于质量特征判决最大的最终成像图像的偏振态异向因子作为最终的偏振态异向因子，其中，所述第二预设间隔小于所述第一预设间隔。该质量特征判决用于衡量图像质量的好坏。例如，采用归一化方差来衡量图像质量，主要是衡量图像的对比度和亮度，但不局限于衡量图像的对比度和亮度，还需考虑图像的其它因素，如信噪比等。

在进行粗略搜索之后，可进行精确搜索（即第二次搜索）。以第一次搜索之后确定的α因子的值为基准，在前后预设范围内进行搜索，本次搜索中采用的第二预设间隔相对第一次搜索所使用的第一预设间隔稍小，以进一步确定更加准确的α因子的值。

本发明的液晶透镜成像装置由于没有增加偏振装置，从而保留入射光的完整强度，这使得在较暗的环境下拍摄的图像细节更丰富，并且单一液晶透镜即可清晰成像，减少了液晶透镜结构的厚度。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的液晶透镜成像装置的示意图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的图像质量特征判决受α因子影响的示意图；

图3示出了根据本发明的实施例的液晶透镜成像装置在第一时刻获取的图像截屏图；

图4示出了根据本发明的实施例的液晶透镜成像装置在第二时刻获取的图像截屏图；

图5示出了根据本发明的实施例的经液晶透镜成像装置的图像处理之后生成的图像截屏图；

图6示出了根据本发明的实施例的液晶透镜成像方法的流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

图1示出了根据本发明的一个实施例的液晶透镜成像装置的示意图。

如图1所示，根据本发明的液晶透镜成像装置主要包括液晶透镜130、图像传感器（图像采集单元）140、图像处理器150和驱动电路120，其中，原始入射光L进入液晶透镜130，图像传感器140采集经过液晶透镜130的光信号，并根据该光信号生成图像信号，将生成的图像信号传输至图像处理器150。图像处理器150对图像信号进行分析，生成最终成像图像信号，其还可以分析图像结构，向驱动电路120输出控制信号。驱动电路120根据图像处理器150的控制信号调节施加在所有液晶透镜上的电压。液晶透镜在接收到驱动电路120的电压之后，液晶分子进行偏转，从而对入射光其调制作用。图像处理器150可以是可编程逻辑控制器。

除了液晶透镜之外，还有其他光学器件（例玻璃或塑料光学透镜），由于这些其他光学器件是现有技术，因此在此不再赘述。

在本实施例中，在状态1下（第一时刻）驱动电路120使液晶透镜130处于非透镜状态，该液晶透镜130类似于玻璃，不对入射光起调制作用，此时经过液晶透镜130的光信号为S₁。图像传感器140采集光信号S₁，生成图像信号I₁。在状态2下（第二时刻）驱动电路120使液晶透镜130处于透镜状态，此时，经过液晶透镜130的光信号为S₂。图像传感140采集光信号S₂，生成图像信号I₂。图像处理器150接收两个状态下的图像信号，并对这两个状态下的图像信号进行处理，生成最终的图像信号I₃。

由于本实施例中的液晶透镜成像装置没有使用偏振装置，从而保留了原始的入射光强度。对于同等条件下的图像传感器，不使用偏振装置的设计使得在光照较弱的拍摄环境下能分辨更多的细节。此外，与初始配向互相垂直的多液晶透镜叠加所构成的光学成像系统相比，根据本发明的液晶透镜成像装置可以做得更加轻薄，更适合手机、平板电脑等移动设备。

一般而言，由于不使用偏振装置，通过液晶透镜之后的光波中除了有用的（经液晶透镜汇聚或发散的）偏振光分量，还会混杂其他无用的（未经液晶透镜汇聚或发散的）偏振光分量，后者造成最终成像的质量特征判决下降。为解决这一难题，因此本发明所提出的液晶透镜成像装置记录了在非透镜状态和透镜状态的两个状态下相应的光信号S₁和S₂所生成的图像I₁和I₂，并对这两幅图像I₁和I₂做特殊的图像处理（该部分工作由图像处理器完成），从而有效地去除无用光信号的影响，恢复出高质量特征判决的图像I₃。

下面将详细说明根据本发明的不加偏振装置的液晶透镜成像装置的工作原理。

在第一个状态（非透镜状态），驱动电路120不对液晶透镜施加驱动电压或所施加的驱动电压使液晶透镜的焦点距离为无穷大。这样液晶透镜对入射光L没有调制作用，此时通过液晶透镜后的光信号S₁可以表示成：

$S_1=S_1^x+S_1^y---\left(1\right)$

其中，x和y表征光波的两个互相垂直的偏振方向，由此光信号S₁可以分解成在这两个方向上的分量

和

这里需要注意的是，因为本发明中的液晶透镜没有加偏振装置（如偏振片），所以入射光的x分量和y分量都得以保留并通过液晶透镜。

在第二个状态（透镜状态），驱动电路120对液晶透镜施加驱动电压，使被液晶透镜调制的偏振光所成的像位于图像传感器上。这样液晶透镜对入射光L的某一个偏振方向具有汇聚或发散的调制作用。不失一般性地假设这个方向为x方向，那么液晶透镜对于与x方向垂直的y方向的分量不起调制作用。此时，通过液晶透镜后的光信号S₂可以表示成：

$S_2=S_2^x+S_2^y---\left(2\right)$

其中，是经液晶透镜调制后的入射光的x分量，而未经液晶透镜调制的y分量

会降低图像的质量特征判决。

在液晶透镜对电压的反应速度足够快的情况下，可以做到第一状态和第二状态的时间间隔足够短。尽量控制第一时刻与第二时刻相隔的时间小于预设时间。在该预设时间内，拍摄的场景没有发生明显的变化（光强的变化、场景中的物体位移变化、成像装置移动等变化因素）。这样可以合理假设在这两个状态下的入射光L没有发生变化，或仅发生可以忽略的微小变化。又因为在这两个状态下液晶透镜对y方向的光分量都没有调制作用，从而有：

$S_2^y=S_1^y---\left(3\right)$

最后，对光信号S₁和S₂做如下的信号处理，其中α是一个放缩因子，表示入射光中y分量（在第二状态下未经液晶透镜调制的光分量）所占比例：

S₃＝S₂-α·S₁                （4）

结合（3）和（4），可以得到

$\begin{array}{c}{S}_3=S_2^x+S_2^y-\mathrm{\α}\·S_1^x-\mathrm{\α}\·S_1^y\\ =S_2^x+[(1-\mathrm{\α})S_1^y-\mathrm{\α}\·S_1^x]\end{array}---\left(5\right)$

令

$\mathrm{\Δ}=(1-\mathrm{\α})S_1^y-\mathrm{\α}\·S_1^x---\left(6\right)$

式(5)可以简化表示为：

$S_3=S_2^x+\mathrm{\Δ}---\left(7\right)$

其中，

即为经液晶透镜调制后的有用光信号，而Δ则是须要被进一步去除的干扰信号。从式（7）中也可以看出，图像处理器处理得到的最终的图像信号仅与某一方向上的汇聚光或发散光有关。

当入射光L为自然光，即入射光波具有各向同性的性质时，为消除干扰信号Δ，可以推导出：

$\left.\begin{array}{c}{S}_1^x=S_1^y\\ \mathrm{\Δ}=0\end{array}\right\}\⇒\mathrm{\α}=\frac{1}{2}---\left(8\right)$

也就是说，在入射光是自然光的情况下，通过设置放缩因子α＝0.5就可以由式（4）所述的信号处理有效地从光信号S₁和S₂中恢复出有用的光信号。在α＝0.5时，此时最终成像图像的质量特征判决最高，取得最佳的图像效果。

由于前后两个状态的时间间隔很短，入射图像传感器的光信号强度几乎无变化，故S₁和S₂近乎相等，基本上位于图像传感器的光强响应曲线的同一区间。因此，感应生成的图像信号I₁和I₂将会与光信号S₁和S₂具有相同的信号特性。所以在实际操作中可以通过对第一和第二状态下获得的图像I₁和I₂做式（9）所述的图像处理，来去除I₂中混杂的无用的图像信号，恢复出具有高质量特征判决的图像I₃。

I₃＝I₂-α·I₁                   （9）

当入射光具有各向异性的特征，即其x分量和y分量不相等时，α＝0.5将不再合适。如何选择合适的α值将是恢复出高质量图像的关键。在被实施例中进一步揭露了一种根据处理后的图像I₃的质量特征来判断合适的偏振态的异向因子α，并最终生成高质量图像的方法。

偏振态的异向因子α范围是大于等于0且小于等于1，可以在式（9）中输入各个异向因子α值，然后计算在各异向因子α下的图像的质量特征判决，取质量特征判决最高的异向因子α的值作为最终确定的合适的α值。

例如，每隔0.1进行取数，这样就得到10个α值，计算每个α值对应的图像的归一化方差或改成图像的质量特征判决，若发现第8个图像的质量特征判决最大，因此，取第8个图像对应的α值为0.8作为最终合适的α值。

为了得到更加精确的α值，在上述搜索过程的基础之上，再进行一次搜索过程，可以第一次搜索过程中得到的α值为基础，在其前后预设范围内进行精确搜索。

例如在确定α值为0.8之后，可在0.8前后预设范围内，即0.75和0.85之间进行精确搜索，此次搜索的间隔为0.01，从0.75到0.85需要计算相应的10幅图像的质量特征判决，若发现第3个图像的质量特征判决最高，则最终确定合适的α值为0.78。在计算速度允许的情况下，可进行第三次搜索过程。

当入射光各向异性时，实验验证α值即反映了这种异性程度。实验模拟在原始入射光的x分量强度和y分量强度的比值为3:7时，对不同α取值下生成的I₃图像计算质量特征判决，发现在α取值为0.7时（即7/（3+7））所生成的I₃图像的质量特征判决达到最大。图2给出了这一实验结果，所使用的质量特征判决是整幅图像的归一化方差。

根据上述分析，可以根据式（9）设置不同的α值，从而得到不同的I₃图像，对生成的每幅I₃图像，计算一个衡量其图像质量的特征判决（例如上述实验所使用的归一化方差）。当特征判决达到极值时，对应的α值即反映了真实的偏振异性程度，而对应的图像也将达到最佳效果。

图3是在第一状态下获得的图像，此时入射光未被液晶透镜调制；图4是在第二状态下获得的图像，此时入射光某一偏振方向的分量被液晶透镜所调制；图5则是根据本发明所揭露的方法选取最佳的α值来进行如式（9）的图像处理，最终生成的图像。从图5中可以看出，图像整体的亮度得到了提升，并且也更加清晰。

传统的液晶透镜成像系统会在液晶透镜前加上偏振装置，如偏振片。不失一般性地假设y方向的光信号被偏振装置遮蔽，而只有x方向的光信号通过偏振装置并经液晶透镜汇聚或发散。也就是说，图像传感器最后接受的光信号是式（2）中的

然而，这也意味着光信号在通过偏振装置后光强大大下降。当图像传感器接受的光信号很弱时，感应的电信号也会很弱，甚至有可能信号的强度低于噪声的强度。这就导致在光线较暗的拍摄环境下，成像细节会丢失，图像的信噪比也会降低，即便是通过后期做图像处理也难以恢复。

传统的液晶透镜成像装置在没有增加偏振装置时，会采用多个液晶透镜叠加的方案，这样的做法使得整个液晶透镜成像装置的厚度被增加，不符合器件的轻薄化要求。

根据本发明的液晶透镜成像系统没有使用偏振装置。在第一状态和第二状态下，通过液晶透镜的光信号S₁和S₂都保留着所有偏振方向的能量。对于较强的光信号，图像传感器更容易感应到光信号的细微变化，这使得生成的图像的细节也更丰富。因此，相较于使用偏振装置的传统液晶透镜成像系统，本发明可以有效地改善暗环境光下的拍摄效果。

根据本发明的液晶透镜成像系统将液晶透镜呈阵列设置，因此，相较于多个液晶透镜叠加的传统液晶透镜成像系统，本发明可以大大减小液晶透镜成像系统的厚度，便于应用在轻薄的设备中。

该液晶透镜可以是由液晶微透镜阵列构成，该液晶微透镜阵列中所有微透镜的取向层的摩擦方向相互平行。使用液晶微透镜阵列具有以下优点：使成像装置更轻薄，液晶透镜对电压的响应速度更快。

图6示出了根据本发明的实施例的液晶透镜成像方法的流程图。

如图6所示，根据本发明的实施例的液晶透镜成像方法，可以包括以下步骤：

步骤602，在第一时刻使液晶透镜处于非透镜状态，采集在第一时刻经过液晶透镜的第一光信号，并根据第一光信号生成第一图像信号；步骤604，在第二时刻使液晶透镜处于透镜状态，采集在第二时刻经过液晶透镜的第二光信号，并根据第二光信号生成第二图像信号；步骤606，对第一图像信号和第二图像信号进行处理，将处理得到的图像信号作为最终成像的图像信号。

一方面，每一图像采集单元对应一个液晶透镜，图像处理器根据经过一个液晶透镜的光信号就能够得到高质量的图像，也就是说在不需要叠加多个液晶透镜的情况下（仅需要一个液晶透镜）就能够获取高质量的图像，因此液晶透镜成像结构的厚度被减小。另一方面，为了在没有偏振片的情况下能够获取高质量的图像，在上述实施方式中，采用了一种特殊的控制方式，即在第一时刻驱动电路使液晶透镜处于非透镜状态，此时的液晶透镜不对入射光起汇聚或发散的作用，类似于一块玻璃，在第二时刻驱动电路使液晶透镜处于非透镜状态，此时的液晶透镜能够对入射光起汇聚或发散的作用。对在这两个时刻下分别获取的图像进行处理，来消除不使用偏振片对成像带来的影响，从而获取高质量的成像。因此，根据本发明的液晶透镜成像方法在没有偏振片的情况下，既能够获得高质量的成像图像，也能够减小液晶透镜成像装置的厚度。

在上述任一技术方案中，优选的，所述对所述第一图像信号和所述第二图像信号进行处理，具体可以包括：在所述第二图像信号中去除未被所述液晶透镜调制的光信号生成的图像信号，得到所述最终成像的图像信号，其中，所述未被所述液晶透镜调制的光信号生成的图像根据所述第一图像信号获得。

由于液晶透镜仅对某一偏方向上的光分量具有调制作用，因此在第二时刻获取的图像信号包含了由未被调制的光信号（即与被调制的偏振方向垂直的偏振方向上的光振分量）生成的图像信号，而该图像信号影响了成像质量，因此需要在第二时刻获得总光信号中去除该未被调制的光信号，而该未被调制的光信号可以根据在第一时刻获取的光信号得到。

在上述任一技术方案中，优选的，基于如下公式确定所述最终成像的图像信号：I₃＝I₂-α·I₁，其中，I₃为所述最终成像的图像信号，I₁为所述第一图像信号，I₂为所述第二图像信号，α为偏振态异向因子，表征未被液晶透镜调制的偏振分量在入射光中所占的比例，α·I₁为所述未被所述液晶透镜调制的光信号生成的图像信号。

由于获取的图像信号仅与一个液晶透镜有关，并且杂光信号仅仅是某一分量上的光信号，因此α因子的确定仅与入射光的偏振态差异有关，可将光信号分成x方向上的分量以及y方向上的分量，根据入射光在各方向上的分量情况来确定该α因子。因此，可以实时检测入射光的偏振态差异，然后确定当前的合适的α因子。

在上述任一技术方案中，优选的，确定所述偏振态异向因子的方法包括：在预定数值范围内，按照第一预设间隔调整所述偏振态异向因子的值，计算根据每一偏振态异向因子的值所获取的最终成像图像的质量特征判决，将对应于质量特征判决最大的图像所对应的异向因子作为所述液晶透镜成像装置的偏振态异向因子。

在另一种实施方式中，可无需检测入射光的偏振态差异，直接输入各个α因子的值，然后输出相对于每一α因子的图像信号，将各图像信号进行比较，获取图像质量最好的图像信号对应的α因子，该α因子即粗略得到的准确的α因子。第一预设间隔越小，确定的α因子的值越准确。可称该过程为α因子的搜索过程，在初次搜索（粗略搜索）时，第一预设间隔可稍大，以快速确定出合适的α因子的值。

在上述任一技术方案中，优选的，确定所述偏振态异向因子的方法还包括：在按照所述第一预设间隔选择出偏振态异向因子时，在选择出的偏振态异向因子的前后偏移预设值的范围内，按照第二预设间隔+调整所述偏振态异向因子的值；计算根据每一偏振态异向因子的值所获取的最终成像图像的质量特征判决，将对应于质量特征判决最大的最终成像图像的偏振态异向因子作为最终的偏振态异向因子，其中，所述第二预设间隔小于所述第一预设间隔。该质量特征判决用于衡量图像质量的好坏。例如，采用归一化方差来衡量图像质量，主要是衡量图像的对比度和亮度，但不局限于衡量图像的对比度和亮度，还需考虑图像的其它因素，如信噪比等。

在进行粗略搜索之后，可进行精确搜索（即第二次搜索）。以第一次搜索之后确定的α因子的值为基准，在前后预设范围内进行搜索，本次搜索中采用的第二预设间隔相对第一次搜索所使用的第一预设间隔稍小，以进一步确定更加准确的α因子的值。

在上述任一技术方案中，优选的，所述预定数值范围为大于等于0且小于等于1。

在上述任一技术方案中，优选的，在进入所述液晶透镜的入射光为自然光的情况下，所述偏振态异向因子α取值为

时，所述最终成像图像的质量特征判决最高。

在上述任一技术方案中，优选的，所述第一时刻与所述第二时刻相隔的时间小于预设时间。为了保证第一时刻的入射光与第二时刻的入射光之间的差异非常小，因此第一时刻与第二时刻之间间隔的时间长越短越好。

在上述任一技术方案中，优选的，所述液晶透镜由液晶微透镜阵列构成，所述液晶微透镜阵列中所有微透镜的取向层的摩擦方向相互平行。

在上述任一技术方案中，优选的，在所述第二时刻使所述液晶透镜处于透镜状态是指调节所述驱动电路的电压，使经过所述液晶透镜所成的图像的质量特征判决达到最大值的状态。

本发明的液晶透镜成像方法由于没有增加偏振装置，从而保留入射光的完整强度，这使得在较暗的环境下拍摄的图像细节更丰富，并且单一液晶透镜即可清晰成像，减少了液晶透镜结构的厚度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种液晶透镜成像装置，其特征在于，包括：

至少一个液晶透镜；

驱动电路，连接至所述液晶透镜，在第一时刻使所述液晶透镜处于非透镜状态，以及在第二时刻使所述液晶透镜处于透镜状态；

至少一个图像采集单元，所述图像采集单元用于采集在所述第一时刻经过所述液晶透镜的第一光信号，并根据所述第一光信号生成第一图像信号，以及采集在所述第二时刻经过所述液晶透镜的第二光信号，并根据所述第二光信号生成第二图像信号；

图像处理单元，连接至所述图像采集单元，接收所述第一图像信号和所述第二图像信号，并对所述第一图像信号和所述第二图像信号进行处理，将处理得到的图像信号作为最终成像的图像信号。

2.根据权利要求1所述的液晶透镜成像装置，其特征在于，所述图像处理单元包括：

计算单元，用于在所述第二图像信号中去除未被所述液晶透镜调制的光信号生成的图像信号，得到所述最终成像的图像信号，其中，所述未被所述液晶透镜调制的光信号生成的图像根据所述第一图像信号获得。

3.根据权利要求2所述的液晶透镜成像装置，其特征在于，所述计算单元基于如下公式确定所述最终成像的图像信号：

I₃＝I₂-α·I₁

其中，I₃为所述最终成像的图像信号，I₁为所述第一图像信号，I₂为所述第二图像信号，α为偏振态异向因子，表征未被所述液晶透镜调制的偏振分量在入射光中所占的比例，α·I₁为根据所述未被所述液晶透镜调制的光信号生成的图像信号。

4.根据权利要求3所述的液晶透镜成像装置，其特征在于，所述图像处理单元还包括：

第一异向因子确定单元，在预定数值范围内，按照第一预设间隔调整所述偏振态异向因子的值，计算根据每一偏振态异向因子的值所获取的最终成像图像的质量特征判决，将对应于质量特征判决最大的图像所对应的异向因子作为所述液晶透镜成像装置的偏振态异向因子。

5.根据权利要求4所述的液晶透镜成像装置，其特征在于，所述图像处理单元还包括：

第二异向因子确定单元，在所述第一异向因子确定单元按照所述第一预设间隔选择出偏振态异向因子时，在选择出的偏振态异向因子的前后偏移预设值的范围内，按照第二预设间隔调整所述偏振态异向因子的值，计算根据每一偏振态异向因子的值所获取的最终成像图像的质量特征判决，将对应于质量特征判决最大的最终成像图像的偏振态异向因子作为所述液晶透镜成像装置的偏振态异向因子，其中，所述第二预设间隔小于所述第一预设间隔。

6.根据权利要求4所述的液晶透镜成像装置，其特征在于，所述预定数值范围为大于等于0且小于等于1。

7.根据权利要求3所述的液晶透镜成像装置，其特征在于，在进入所述液晶透镜的入射光为自然光的情况下，所述偏振态异向因子α取值为

8.根据权利要求1所述的液晶透镜成像装置，其特征在于，所述第一时刻与所述第二时刻相隔的时间小于预设时间。

9.根据权利要求1所述的液晶透镜成像装置，其特征在于，所述液晶透镜由液晶微透镜阵列构成，所述液晶微透镜阵列中所有的液晶微透镜的取向层的摩擦方向相互平行。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的液晶透镜成像装置，其特征在于，在所述第二时刻使所述液晶透镜处于透镜状态是指调节所述驱动电路的输出电压，使经过所述液晶透镜后所成的图像的质量特征判决达到最大值时的状态。

11.一种液晶透镜成像方法，其特征在于，包括：

在第一时刻使液晶透镜处于非透镜状态，采集在所述第一时刻经过所述液晶透镜的第一光信号，并根据所述第一光信号生成第一图像信号；

在第二时刻使所述液晶透镜处于透镜状态，采集在第二时刻经过所述液晶透镜的第二光信号，并根据所述第二光信号生成第二图像信号；

对所述第一图像信号和所述第二图像信号进行处理，将处理得到的图像信号作为最终成像的图像信号。

12.根据权利要求11所述的液晶透镜成像方法，其特征在于，所述对所述第一图像信号和所述第二图像信号进行处理，具体包括：

在所述第二图像信号中去除未被所述液晶透镜调制的光信号生成的图像信号，得到所述最终成像的图像信号，其中，所述未被所述液晶透镜调制的光信号生成的图像根据所述第一图像信号获得。

13.根据权利要求12所述的液晶透镜成像方法，其特征在于，基于如下公式确定所述最终成像的图像信号：

I₃＝I₂-α·I₁

其中，I₃为所述最终成像的图像信号，I₁为所述第一图像信号，I₂为所述第二图像信号，α为偏振态异向因子，表征未被所述液晶透镜调制的偏振分量在入射光中所占的比例，α·I₁为所述未被所述液晶透镜调制的光信号生成的图像信号。

14.根据权利要求13所述的液晶透镜成像方法，其特征在于，确定所述偏振态异向因子的方法包括：

在预定数值范围内，按照第一预设间隔调整所述偏振态异向因子的值，计算根据每一偏振态异向因子的值所获取的最终成像图像的质量特征判决，将对应于质量特征判决最大的图像所对应的异向因子作为所述液晶透镜成像装置的偏振态异向因子。

15.根据权利要求14所述的液晶透镜成像方法，其特征在于，所述确定所述偏振态异向因子的方法还包括：

在按照所述第一预设间隔选择出偏振态异向因子时，在选择出的偏振态异向因子的前后偏移预设值的范围内，按照第二预设间隔调整所述偏振态异向因子的值；

计算根据每一偏振态异向因子的值所获取的最终成像图像的质量特征判决，将对应于质量特征判决最大的最终成像图像的偏振态异向因子作为最终的偏振态异向因子，其中，所述第二预设间隔小于所述第一预设间隔。

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