CN104166225B - 具有多成像平面的成像装置及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有多成像平面的成像装置及成像方法，克服了传统照相机无法进行远距离高分辨成像的缺点，利用开普勒式望远镜原理解决了对远距离目标进行成像的问题，通过将CMOS图像传感器阵列排布到多个成像平面完成高分辨率图像采集的工作，在此基础上，利用远光透镜的特性消除了同一场景中物体处于不同深度上可能造成的成像局部清晰化的问题。

Description

具有多成像平面的成像装置及成像方法

技术领域

本发明涉及一种光学成像装置及成像方法，具体为具有多成像平面的成像装置及成像方法。

背景技术

光学成像系统应用广泛，最常见的莫过于照相机，一组镜头加一些光学传感器就能完成简单的成像和图像采集，但是一般照相机的拍摄距离十分有限，虽然使用长焦的镜头可以进行较远距离场景的拍摄，但是成本十分昂贵，并且受制于照相机本身的体积，使得照相机不能采集高分辨率的图像；用于太空拍摄的哈勃望远镜，虽然能够拍摄超远距离的星系，且获取到的图像也是超高分辨率的，但是造价太昂贵，体积也十分庞大，对于个人用户来说，没有实际的应用价值。

HermannDiehl,FranzMiiller等人提出了一种具有多成像平面的光学成像系统，该成像系统能够将同一个场景分别映射到不同的成像平面上，并且保证每一个成像平面成的像没有重叠的区域，这样做的好处是，对于面积大小相同的成像平面，没有重叠的成像比有重叠的成像拍摄到的场景具有更大的有效区域，从而减少数据的冗余。但是该系统并没有考虑拍摄具有深度变化的场景，即，所要拍摄的场景中的物体处在不同的深度上，导致的问题是成像局部清晰化，所成的像在某一位置上是清晰的，而在别的区域则比较模糊，除此之外，由于受到前端镜头的限制，该系统并不能对远距离的场景进行高分辨成像。

发明内容

要解决的技术问题

为了克服现有技术中不能对远距离场景进行高分辨率成像以及无法适应具有深度变化的场景的问题，本发明提出一种具有多成像平面的成像装置及成像方法。利用开普勒式望远镜能够对远距离场景进行拉近放大的特性，完成对远距离场景进行成像的工作；为了克服场景中可能出现的深度变化，本发明使用远心透镜来改变光路，使得在同一场景一定深度范围内处于不同深度的物体都会成像到同一个平面上，即不会出现局部清晰的情况；为了能够进行高分辨的成像，成像平面上以阵列的形式排布了CMOS图像传感器。

技术方案

一种具有多成像平面的成像装置，其特征在于包括远光透镜1、第一凸透镜2、第二凸透镜3、第一分光镜4、第二分光镜7、第一凹透镜5、第二凹透镜8、第三凹透镜10、成像平面A6、成像平面B9、成像平面C11和黑盒12；远光透镜1位于黑盒12的入口处，光透镜1、第一凸透镜2、第二凸透镜3、第一分光镜4、第二分光镜7、第三凹透镜10和成像平面C11安装在同一轴心上；远心透镜1与第一凸透镜2之间的间隔大于两者焦距之差的绝对值且小于两者焦距之和，第一凸透镜2、第二凸透镜3之间的间隔大于两者焦距之差的绝对值且小于两者焦距之和，第一分光镜4与第二分光镜7的间隔为第二凸透镜3的1～2倍焦距，第一凹透镜5与第一分光镜4的间隔为第一凹透镜5的1～2倍焦距，第二凹透镜8与第二分光镜7的间隔为第二凹透镜8的1～2倍焦距；第一凹透镜5与成像平面A6安装在同一轴心上，两者的间距为第一凹透镜5焦距的1～2倍；第二凹透镜8与成像平面B9安装在同一轴心上，两者的间距为第二凹透镜8焦距的1～2倍；第三凹透镜10与成像平面C11安装在同一轴心上，两者的间距为第三凹透镜10焦距的1～2倍。

所述的第一分光镜4与入射光呈逆时针45°，第二分光镜7与入射光呈逆时针135°。

一种利用具有多成像平面的成像装置的成像方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：光线进入远心透镜1，远心透镜1将光线中同一场景中处于不同深度的物体的像映射到同一个平面上；

步骤2：经过远心透镜后的光线进入由第一凸透镜2、第二凸透镜3组成的开普勒式望远镜系统，第一凸透镜2、第二凸透镜3将远距离场景拉近放大；

步骤3：拉近放大的像由第二凸透镜3引导至第一分光镜4，第一分光镜4对光线的光路作了改变：1/3光线被反射引导至第一凹透镜5，2/3光线穿过第一分光镜4进入第二分光镜7；

步骤4：被引导至第一凹透镜5的光线经过第一凹透镜5发散后被成像平面A6采集；

步骤5：透过第一分光镜4进入第二分光镜7的光线，1/2被反射引导至第二凹透镜8，1/2穿过第二分光镜7被引导至第三凹透镜10；

步骤6：被引导至第二凹透镜8的光线经过第二凹透镜8发散后被成像平面B9采集；

步骤7：透过第二分光镜7的光线进入第三凹透镜10发散后被成像平面C11采集；

步骤8：将成像平面A6、成像平面B9、成像平面C11采集到的场景区域填补到计算机所生成的空白图像中对应的区域，生成一幅场景图，所述的空白图像尺寸大小为CMOS图像传感器所能支持的最大分辨率*图像传感器数量。

有益效果

本发明提出的一种具有多成像平面的成像装置及成像方法，消除场景中的深度变化对成像结果造成的局部清晰化影响，利用望远镜原理和CMOS图像传感器阵列进行远距离高分辨成像。

附图说明

图1是本发明的装置图。

1-远光透镜、2-第一凸透镜、3-第二凸透镜、4-第一分光镜、5-第一凹透镜、6-成像平面A、7-第二分光镜、8-第二凹透镜、9-成像平面B、10-第三凹透镜、11-成像平面C、12-黑盒。

图2是成像平面CMOS图像传感器的排列方式：(a)成像平面A；(b)成像平面B；(c)成像平面C。

图3是不同成像平面所拍场景示意图：(a)需要拍摄的场景；(b)成像平面A需要拍摄的场景；(c)成像平面B需要拍摄的场景；(d)成像平面C需要拍摄的场景。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

如图1所示的具有多成像平面的成像装置：包括远光透镜1、第一凸透镜2、第二凸透镜3、第一分光镜4、第二分光镜7、第一凹透镜5、第二凹透镜8、第三凹透镜10、成像平面A6、成像平面B9、成像平面C11和黑盒12；远光透镜1位于黑盒12的入口处，光透镜1、第一凸透镜2、第二凸透镜3、第一分光镜4、第二分光镜7、第三凹透镜10和成像平面C11安装在同一轴心上；远心透镜1与第一凸透镜2之间的间隔大于两者焦距之差的绝对值且小于两者焦距之和，第一凸透镜2、第二凸透镜3之间的间隔大于两者焦距之差的绝对值且小于两者焦距之和，第一分光镜4与第二分光镜7的间隔为第二凸透镜3的1.5倍焦距，第一凹透镜5与第一分光镜4的间隔为第一凹透镜5的1.5倍焦距，第二凹透镜8与第二分光镜7的间隔为第二凹透镜8的1.5倍焦距；第一凹透镜5与成像平面A6安装在同一轴心上，两者的间距为第一凹透镜5焦距的1.5倍；第二凹透镜8与成像平面B9安装在同一轴心上，两者的间距为第二凹透镜8焦距的1.5倍；第三凹透镜10与成像平面C11安装在同一轴心上，两者的间距为第三凹透镜10焦距的1.5倍。

利用以上成像装置进行的成像方法：首先利用远心透镜的特性，将所摄同一场景中一定深度范围内处于不同深度的物体投影到同一个平面，接着使从远心透镜中穿过的光线进入望远镜装置部分，得到拉近放大的像，由于本系统有多个成像平面，因此需要分光镜来对目镜中的光线进行透射和反射，从而引导到不同的成像平面，再利用成像平面上呈阵列排布的CMOS图像传感器，对光线进行采集。

具体步骤如下：光线首先通过安装在系统前端的远心透镜1进入整个装置，远心透镜1将同一场景中一定深度范围内处于不同深度的物体的像映射到同一个平面上，即使物距发生改变，像距也发生改变，但像高并不会发生改变，同时消除成像局部清晰的影响；之后，光线进入由第一凸透镜2、第二凸透镜3组成的开普勒式望远镜系统，目的是将远距离场景拉近放大；光线由第二凸透镜3引导出来，经过与入射光呈逆时针45°的第一分光镜4，光线的光路被改变，由于第一分光镜4能透射2/3的光线，反射1/3的光线，所以从第二凸透镜3出来的光线，有1/3会被反射引导至第一凹透镜5处，2/3会穿过第一分光镜4进入第二分光镜7；被引导至第一凹透镜5的光线经过第一凹透镜5会被发散，发散的光线被成像平面A6采集；透过第一分光镜4的光线进入与入射光呈逆时针135°的第二分光镜7，由于第二分光镜7能透射1/2的光线，反射1/2的光线，所以透过第一分光镜4的光线，有1/2会被反射引导至第二凹透镜8，1/2会穿过第二分光镜7被引导至第三凹透镜10；被引导至第二凹透镜8的光线经过第二凹透镜8会被发散，发散的光线被成像平面B9采集；透过第二分光镜7的光线进入第三凹透镜10，被第三凹透镜10发散的光线由成像平面C11采集；由于成像平面A6，成像平面B9，成像平面C11上CMOS图像传感器排列位置的不同，彼此可以采集到没有重叠区域的图像，消除数据冗余；整个装置处于黑盒12中，表示除了光线能够从远心透镜1进入装置，装置其他位置既不允许光线进入，也不允许光线传出。

在图2中，(a)，(b)，(c)分别给出了成像平面A、成像平面B、成像平面C上CMOS图像传感器的排列情况，可以看出，成像平面A、B、C的面积大小相同，只是传感器的排列方式不同。图像(a)，(b)，(c)中d_A，d_B，d_C分别表示成像平面A，B，C上一块传感器的长度，其中d_A＝d_B＝d_C，d表示相同成像平面上两个传感器之间的间隔，其中d＝2d_A＝2d_B＝2d_C。在图2(a)中，CMOS图像传感器从成像平面A的左上角开始排列，在一行中，每间隔距离d安放一块图像传感器，每列的传感器对齐放置，直到成像平面A放不下更多的传感器为止。在图2(b)和图2(c)中，传感器的排列方式与图2(a)中传感器的排列方式类似，不同之处在于传感器排布的起始位置不同，在图2(b)中，传感器的起始位置为成像平面B左上角移动d_B距离的位置，在图2(c)中，传感器的起始位置为成像平面C左上角移动d距离的位置。从图1中的光路图可以知道，成像平面A、成像平面B、成像平面C都是对同一个场景进行成像，但是由于每个成像平面上传感器排列的位置不同，因此，每个成像平面上所成的像也会有所不同，都是同一场景的不同区域，传感器这样的排列方式就是为了使得每个成像平面所成像没有重叠部分，虽然每个成像平面所成像没有重叠的区域，但是根据每个传感器的位置排布，可以将这三个成像平面所成像拼接成为一幅完整的场景图，刚好填补每一个成像平面所成像空缺的部分。

在图3中，(a)表示需要拍摄的场景，可以看到，整个大场景可以被分割成24个小场景，这里类似于使用手机进行拍照时，手机界面上出现的3x3或4x4的网格，所要拍摄的场景可以看作是这9块或16块小场景的叠加。图3(b)，(c)，(d)展示了成像平面A、成像平面B、成像平面C对图3(a)中场景成像的结果。根据图像传感器在成像平面A中的排列方式，从图3(b)中可以看出，成像平面A对图3(a)的场景中区域1、区域4、区域7、区域10、区域13、区域16、区域19、区域22进行了成像，其他区域没有成像；根据图像传感器在成像平面B中的排列方式，从图3(c)中可以看出，成像平面B对图3(a)的场景中区域2、区域5、区域8、区域11、区域14、区域17、区域20、区域23进行了成像，其他区域没有成像；根据图像传感器在成像平面C中的排列方式，从图3(d)中可以看出，成像平面C对图3(a)的场景中区域3、区域6、区域9、区域12、区域15、区域18、区域21、区域24进行了成像，其他区域没有成像。可以看出，只要成像平面A、成像平面B、成像平面C中的图像传感器位置排列适当，这三个成像平面所能成的像就不会有重叠区域，从而减少场景区域重叠所带来的数据冗余。

虽然本装置有三个成像平面，能够得到三组不同的成像数据，但是最终的生成结果却需要像普通照相机一样，只生成一幅场景图，为此，需要将成像平面A、成像平面B、成像平面C得到的结果融合成为一幅图像：

1)首先在计算机内存中生成一幅尺寸大小为CMOS图像传感器所能支持的最大分辨率*图像传感器数量的空白图像，成像平面A(6)，成像平面B(9)，成像平面C(11)使用同一种CMOS图像传感器，例如：CMOS图像传感器支持的最大图像分辨率为1920*1080，传感器阵列排布为6*4，那么需要生成的图像尺寸为(1920*6)*(1080*4)。

2)将每个成像平面所采集到的对场景区域所成的像直接填补到空白图像中对应的区域，例如，成像平面B中的第一块CMOS图像传感器采集的场景区域需要放置到空白图像中由(width,0),(width*2,0),(0,height),(width*2,heig这h)t四个坐标构成的矩形中，其中，width表示图像传感器所能采集的图像的宽度，height表示图像传感器所能采集到的图像的高度。

Claims (3)

1.一种具有多成像平面的成像装置，其特征在于包括远光透镜(1)、第一凸透镜(2)、第二凸透镜(3)、第一分光镜(4)、第二分光镜(7)、第一凹透镜(5)、第二凹透镜(8)、第三凹透镜(10)、成像平面A(6)、成像平面B(9)、成像平面C(11)和黑盒(12)；远光透镜(1)位于黑盒(12)的入口处，远光透镜(1)、第一凸透镜(2)、第二凸透镜(3)、第一分光镜(4)、第二分光镜(7)、第三凹透镜(10)和成像平面C(11)依次安装在同一轴心上；远光透镜(1)与第一凸透镜(2)之间的间隔大于两者焦距之差的绝对值且小于两者焦距之和，第一凸透镜(2)、第二凸透镜(3)之间的间隔大于两者焦距之差的绝对值且小于两者焦距之和，第一分光镜(4)与第二分光镜(7)的间隔为第二凸透镜(3)的1～2倍焦距，第一凹透镜(5)与第一分光镜(4)的间隔为第一凹透镜(5)的1～2倍焦距，第二凹透镜(8)与第二分光镜(7)的间隔为第二凹透镜(8)的1～2倍焦距；第一凹透镜(5)位于第一分光镜(4)的反射光路上，第一分光镜(4)、第一凹透镜(5)与成像平面A(6)安装在同一轴心上，成像平面A(6)和第一凹透镜(5)的间距为第一凹透镜(5)焦距的1～2倍；第二凹透镜(8)位于第二分光镜(7)的反射光路上，第二分光镜(7)、第二凹透镜(8)与成像平面B(9)安装在同一轴心上，成像平面B(9)和第二凹透镜(8)的间距为第二凹透镜(8)焦距的1～2倍；第三凹透镜(10)与成像平面C(11)安装在同一轴心上，两者的间距为第三凹透镜(10)焦距的1～2倍。

2.根据权利要求1所述的具有多成像平面的成像装置，其特征在于所述的第一分光镜(4)与入射光呈逆时针45°夹角，第二分光镜(7)与入射光呈逆时针135°夹角。

3.一种利用权利要求1所述的具有多成像平面的成像装置的成像方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：光线进入远心透镜(1)，远心透镜(1)将光线中同一场景中处于不同深度的物体的像映射到同一个平面上；

步骤2：经过远心透镜后的光线进入由第一凸透镜(2)、第二凸透镜(3)组成的开普勒式望远镜系统，第一凸透镜(2)、第二凸透镜(3)将远距离场景拉近放大；

步骤3：拉近放大的像由第二凸透镜(3)引导至第一分光镜(4)，第一分光镜(4)对光线的光路作了改变：1/3光线被反射引导至第一凹透镜(5)，2/3光线穿过第一分光镜(4)进入第二分光镜(7)；

步骤4：被引导至第一凹透镜(5)的光线经过第一凹透镜(5)发散后被成像平面A(6)采集；

步骤5：透过第一分光镜(4)进入第二分光镜(7)的光线，1/2被反射引导至第二凹透镜(8)，1/2穿过第二分光镜(7)被引导至第三凹透镜(10)；

步骤6：被引导至第二凹透镜(8)的光线经过第二凹透镜(8)发散后被成像平面B(9)采集；

步骤7：透过第二分光镜(7)的光线进入第三凹透镜(10)发散后被成像平面C(11)采集；

步骤8：将成像平面A(6)、成像平面B(9)和成像平面C(11)采集到的场景区域填补到计算机所生成的空白图像中对应的区域，生成一幅场景图，所述的空白图像尺寸大小为CMOS图像传感器所能支持的最大分辨率*图像传感器数量。