CN105573007A - 液晶透镜成像装置和液晶透镜成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液晶透镜成像装置，包括：液晶透镜，其具有一个第一孔径光阑，所述液晶透镜成像装置的实际孔径光阑为所述液晶透镜的第一孔径光阑；光学透镜组，其包括至少一个光学透镜；以及图像采集单元，所述图像采集单元用于采集经过所述液晶透镜、光学透镜组的光线而生成图像。由于本成像装置保证了液晶透镜的孔径光阑为整个成像装置的孔径光阑，因此当我们使用液晶透镜改变焦距时，经过液晶透镜的第一孔径光阑中心的光线均不发生折射。因此，这些光线与所述光学透镜组的入射或出射角度不会发生变化，所以光斑中心也不发生移动，仅仅光斑大小发生变化而中心坐标不变，从而，图像的放大率不变。

Description

液晶透镜成像装置和液晶透镜成像方法

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

一个成像装置的核心部件是镜头和成像传感器，外界物体发出或反射的光线通过镜头汇聚在成像传感器上成像，这个像再经过传感器光电转换或与传感器上的物质发生化学反应，最终被记录下来。对于成像装置来说，图像放大率是物体反射的光线在成像传感器上的像的大小与物体实际大小的比例。改变成像装置的聚焦设置，比如推动镜头对物体进行对焦，往往带来图像放大率的变化，这个变化使得很多图像处理和机器视觉领域的应用效果降低甚至不能使用。下面给出三个例子介绍放大率变化带来的影响。

一，在数码相机的自动对焦过程中，一个常用做法是选取图像中某一感兴趣物体的像并选取图像中能容纳该物体像的一个窗口，不断改变聚焦设置并计算窗口内图像聚焦值，并最终选取聚焦值最大的聚焦设置作为自动对焦。然而随着聚焦设置不断改变，图像的放大率不断发生变化，因此窗口内的图像内容也就发生变化，感兴趣物体会偏离甚至完全偏出窗口，使得我们在比较该物体聚焦值的时候发生误差，影响自动对焦结果。

二，采用若干张同一场景在不同聚焦设置下的图像计算其聚焦值，并根据聚焦值峰值的分布计算物体深度，即depth-from-focus算法(EnsJ,LawrenceP.Aninvestigationofmethodsfordeterminingdepthfromfocus[J].PatternAnalysisandMachineIntelligence,IEEETransactionson,1993,15(2):97-108.)，或使用同一场景在两个不同聚焦设置下的图像计算场景每一物体的散焦度，并计算其深度，即depth-from-defocus算法(PentlandAP.Anewsensefordepthoffield[J].PatternAnalysisandMachineIntelligence,IEEETransactionson,1987(4):523-531.)。这些算法均需要对比同一个物体在不同聚焦设置下的聚焦或散焦程度来推测深度，因此当图像放大率不同时，物体在图像上的坐标也就不同，因此对比的结果就会产生较大误差。

三，在使用数码相机拍摄微距场景时，只有处于对焦平面前后很小范围内的物体清晰，其他物体模糊，因此常常需要拍摄若干张不同对焦平面的相片并将每张相片内的清晰部分的物体集合到一张图像上，该过程被称为图像叠加(imagestacking)。该方法需要将因放大率变化后而发生不同比例缩放的像放到一个固定缩放比例的图像上，因而需要将其他每一张图像中的清晰物体部分的像进行缩放，这种图像变形算法(imagewarping)的方法不仅消除了原有图像的一些高频部分，而且增加了计算量。

因此，如何获得在改变聚焦设置的同时保持图像放大率不发生变化，成为当前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明正是基于上述技术问题，提出了一种新的液晶透镜成像装置和液晶透镜成像方法。

有鉴于此，本发明提出了一种液晶透镜成像装置，其特征在于，包括：液晶透镜，其具有一个第一孔径光阑，所述液晶透镜成像装置的实际孔径光阑为所述液晶透镜的第一孔径光阑；光学透镜组，其包括至少一个光学透镜；以及图像采集单元，所述液晶透镜以及所述光学透镜组设置在所述图像采集单元的同一侧，所述图像采集单元用于采集经过所述液晶透镜、光学透镜组的光线而生成图像。

在上述实施方式中，所述液晶透镜成像装置的实际孔径光阑为所述液晶透镜的第一孔径光阑。场景物体可以看成为无数个点光源的集合，对于一个点光源物体，其在成像传感器上的像为一个光斑。在场景物体发射或反射的光线中，经过整个成像装置实际孔径光阑中心的光线决定了该物体的放大率，由于本成像装置保证了液晶透镜的孔径光阑为整个成像装置的孔径光阑，因此当我们使用液晶透镜改变焦距时，经过液晶透镜的第一孔径光阑中心的光线均不发生折射，因此，这些光线与所述光学透镜组的入射或出射角度也不发生变化，所以光斑中心不发生移动。仅仅光斑大小发生变化而中心坐标不变，因此，图像的放大率不变。其他不经过孔径光阑中心的光线发生折射且折射程度随液晶透镜的焦距变化而变化，结果是物体图像的模糊程度发生变化。

在上述任一技术方案中，优选的，当所述光学透镜组包括一个光学透镜，所述液晶透镜设置在所述光学透镜的靠近或者远离所述图像采集单元的一侧。

当所述光学透镜组包括多个光学透镜时，所述液晶透镜设置在所述光学透镜的靠近或者远离所述图像采集单元的一侧，或者设置在所述多个光学透镜之间。

在上述任一技术方案中，优选的，当所述光学透镜组包括一个光学透镜，所述光学透镜组具有一个第二孔径光阑，且所述第二孔径光阑大于所述第一孔径光阑。

在上述任一技术方案中，优选的，所述光学透镜组的第二孔径光阑a2表示为如下公式：

$a2>a1+2*d*\tan \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)$

其中，表示所述液晶透镜的第一孔径光阑，d表示所述液晶透镜与所述光学透镜组之间的距离，α为所述液晶透镜成像装置的视野角。

在上述任一技术方案中，优选的，光经过所述液晶透镜的第一孔径光阑的中心的光线不发生折射，直接入射至所述光学透镜组，且入射到所述光学透镜组的光线的角度及入射位置不随液晶透镜焦距的变化而变化，即光线在所述图像传感器所成的像的中心坐标不变。

在上述任一技术方案中，优选的，所述液晶透镜的第一孔径光阑的中心为所述液晶透镜的光学中心。

在上述任一技术方案中，优选的，所述液晶透镜成像装置无渐晕光阑。

根据本发明的另一方面，还提供了另一种液晶透镜成像装置，其包括：光学透镜组，其包括至少一个光学透镜，所述光学透镜组具有第一主点；液晶透镜，其具有第二主点，所述液晶透镜的第二主点与所述光学透镜组的第一主点重合；以及图像采集单元，其用于采集经过所述液晶透镜、光学透镜组的光线而生成图像。

在上述任一技术方案中，优选的，所述光学透镜组包括多个光学透镜时，所述多个光学透镜的等效前主点与等效后主点重合，作为所述光学透镜组的第一主点。

在上述任一技术方案中，优选的，场景物体发射或者反射的光经过所述液晶透镜的第二主点的光线不发生折射，直接在所述图像传感器成像，且改变所述液晶透镜的焦距，所述像的坐标不变。

在上述实施方式中，场景物体发射或者反射的光经过所述液晶透镜的第二主点的光线不发生折射，直接在所述图像传感器上成像。并且，当改变所述液晶透镜的焦距时，由于所述液晶透镜与所述光学透镜组的等效主点不变，因此，所述场景物体在所述图像传感器所成的像的坐标不发生变化，即图像的放大率不变。

附图说明

图1为点光源成像的示意图；

图2为当液晶透镜处于非透镜状态时的成像示意图；

图3为当液晶透镜处于透镜状态时的成像示意图；

图4为本发明第一实施例提供的液晶透镜成像装置的结构示意图；

图5为图4中的液晶透镜成像装置的光路示意图；

图6为本发明第二实施例提供的液晶透镜成像装置的结构示意图。

图7为本发明第三实施例提供的液晶透镜成像装置的结构示意图。

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。

首先，介绍传统成像装置在对不同物体对焦成像时发生图像放大率变化的原因。

具体地，一个物体经过成像系统在图像采集单元上成像，像的大小与物体实际大小的比例即为图像放大率。物体的大小是不变的，图像放大率由像的大小决定，根据几何光学原理，图像放大率m＝-v/u，其中，v是指像距，即透镜后主点与传感器的距离；u是指物距，即物体与透镜前主点的距离。其中，前(后)主点的准确位置是透镜前(后)焦点向透镜方向前进一个焦距的长度所处的位置。

一个物体可以被看成为无数点光源的集合，而物体所成的像的大小由所有这些点光源在图像采集单元上的坐标所决定。如果这些点光源的坐标发生变化，像的坐标也就发生变化，即图像放大率变化。如图1所示，一个点光源11的光线通过光圈13后经透镜15照射在图像采集单元17上形成一个和光圈形状一样的光斑19，假设此光圈13均为圆形。则该光斑19的坐标可以用光斑中心191表示，这个点是经过点光源11和光圈中心点131的光线与图像采集单元17的交点。光斑19的边缘是由经过点光源11与光圈13边缘点的光线与图像采集单元17的交点。当我们移动透镜15或者图像采集单元17，光斑中心191会在图像采集单元上的坐标就会发生变化，即图像放大率发生变化。

传统的成像装置通常通过两种方式可以实现对物体对焦成像，一种是移动成像装置中的整个透镜组，另一种是移动透镜组中的某一片或几片透镜。两种方法可以使得装置的像距v或像距v和焦距f发生变化，并找到合适的v或v和f的组合，使得物体对焦(满足高斯成像公式)。第一种方法改变整个透镜组的位置会改变成像装置的像距，物体在图像上的放大率-v/u会发生变化。第二种方法通过改变其中某一块或几块透镜的位置，可以实现整个透镜组焦距的变化，然而随之到来的是成像装置主点(前主点与后主点皆有可能)的变化。主点的变化也就带来了像距和物距的变化，所以这种方法也会带来图像放大率的变化。

随着透镜技术的不断发展，一些新型的透镜不断出现，其中一些透镜如液晶透镜和液体透镜可以实现通过外加电场，实现了折射率的梯度分布，从而达到透镜的效果。其中，液晶透镜的特点是通过外加电场使得液晶分子的倾向成梯度式分布，由于液晶分子的各向异性，不同倾向的液晶分子对光的折射率不一样，因此整体上形成了折射率的梯度分布，实现了类似透镜的效果。而液体透镜通过使用特殊材料的液体，通过外加电场使得液体或两种不同折射率液体之间的分界面形成类似透镜的曲面，从而实现透镜的效果。对于上述以及其他可以通过外加信号改变其汇聚能力的透镜，由于除了焦距之外的其他聚焦条件并不发生变化，因此，单纯使用液晶透镜或者液体透镜作为成像装置的透镜可保持图像的放大率不发生变化。

然而，液晶透镜或者液体透镜的汇聚能力往往很小，常常需要配合使用固体透明材料制成的普通透镜作为调焦用的辅助透镜。在这种情况下，仅仅使用这种类型的透镜不能保证图像放大率的完全不变，具体原理如下：

如图2所示，我们使用能够仅改变焦距的液晶透镜24配合一个玻璃透镜25成像。其中，图2是液晶透镜24处于非透镜状态时的成像示意图，图3是液晶透镜24处于透镜状态时的成像示意图。如图2所示，当液晶透镜24处于非透镜状态时，可以看成没有液晶透镜24，点光源21在成像传感器27上的成像为光斑290，点光源21与光圈中心231之间的光线是一条直线，当系统不存在渐晕光阑时，该直线经玻璃透镜25折射后与图像采集单元27的交点就是点光源21所成的像。该直线也被称为这个点光源与成像镜头的主线。

如图3所示，当液晶透镜24处于透镜状态时，此时，主线上的点光源21和光圈中心点231之间的部分不再是一条直线(经过光圈中心231的虚线)，而是一条折线(经过光圈中心231的实线)，由此可知，该折线射进玻璃透镜25的角度与原来的液晶透镜24处于非透镜状态时射入玻璃透镜25的角度不一样，经过同一个玻璃透镜25折射后，该折线在图像采集单元27的形成的光斑291会发生偏移：即由原来的光斑290移到光斑291。由此可知，点光源21在图像采集单元27上的坐标发生了变化，则图像放大率也同样发生变化。

图4为本发明第一实施例提供的液晶透镜成像装置400的结构示意图。所述液晶透镜成像装置400包括：液晶透镜44，光学透镜组45以及图像采集单元47。

所述液晶透镜44具有一个第一孔径光阑441。

所述光学透镜组45包括一个光学透镜451，在本实施例中，所述光学透镜451设置在所述液晶透镜组44的靠近所述图像采集单元47的一侧，所述光学透镜组45具有一个第二孔径光阑452。所述光学透镜组45的第二孔径光阑452大于所述液晶透镜44的第一孔径光阑441。可以理解的是，所述光学透镜451也可以设置在所述液晶透镜组44的远离所述图像采集单元47的一侧。即在本实施例中，只要所述液晶透镜44以及所述光学透镜组45设置在所述图像采集单元47的同一侧即可，

在本实施例中，所述图像采集单元47设置在所述光学透镜组45的远离所述液晶透镜44的一侧。所述图像采集单元47用于采集经过所述液晶透镜44、光学透镜组45的光线而生成图像。在本实施例中，所述图像采集单元47为图像传感器。

在本实施例中，所述液晶透镜成像装置400的实际孔径光阑为所述液晶透镜44的第一孔径光阑441。所述液晶透镜成像装置400实现图像放大率不变的原理如下：场景物体41发射或者反射的光线经过第一孔径光阑的中心442(即液晶透镜44的光学中心)不发生折射，因而入射到所述光学透镜组45的光线的角度及入射位置不随液晶透镜44焦距的变化而变化，所以场景物体41在所述图像采集单元47上所成的像49(光斑)的光斑中心491的中心坐标不发生移动。改变所述液晶透镜44的焦距时，仅仅像49(光斑)的大小发生变化而中心坐标不变，因此，图像放大率不变。优选地，在本实施例中，所述液晶透镜成像装置400不存在渐晕光阑。

在本实施例中，所述场景物体41为一点光源，其直接发射光线。当然，在其他实施中，所述场景物体41也可以为其他光源、或者不同形状的可反射入至其上的光线的物体。

可以理解的是，当所述光学透镜组45包括多个光学透镜451时，所述液晶透镜44可以设置在所述光学透镜451的靠近或者远离所述图像采集单元47的一侧，或者设置在所述多个光学透镜451之间。

请参见图5，在本实施例中，以一个液晶透镜44以及一个光学透镜451为例，推导所述光学透镜组45的第二孔径光阑452与所述液晶透镜44的第一孔径光阑441之间的关系。

具体地，所述液晶透镜成像装置400的视野角为α，α的大小决定了摄像头可以拍摄的场景的范围。当一个物体410与所述液晶透镜成像装置400组成的直线与光轴L(垂直于透镜平面的直线)之间的夹角θ大于时，该物体410发射或反射的光线经过所述光学透镜451折射后，不能成像于图像采集单元47上。

由于只有处于视野角α范围之内的物体才能成像，因此我们需要保证处于视野角α范围内的物体410在经过所述液晶透镜成像装置400时，其孔径光阑为a1，即所述液晶透镜44的第一孔径光阑441，且物体p发出的充满a1的光线都必须通过孔径光阑a2，即第二孔径光阑452。在本实施例中，假设孔径光阑a1和所述液晶透镜44与所述光学透镜组45之间的距离d固定，并计算a2的范围。

可以看到，如果a2远大于a1，则所有经过a1的光线均可通过a2，问题的关键是计算一个a2的下限。在图5中，我们可以看到，当物体p离光轴越远即θ越大，其经过光圈a1的光线就越接近光圈a2的边缘。当物体p处于视野角α临界点时，即当θ接近于，我们即可确定a2的下限。在图5中，物体p处于光轴下方的视野角α的临界点，该点经过a1的光线确定了孔径光阑a2在光轴上方的下限。

通常，物体与镜头的距离即物距u远大于孔径光阑a1。在实际情况中，一般地，u>10cm，而孔径光阑a1约为2mm，我们有θ≈α。根据相似三角形关系可知：

$a2>a1+2*d*\tan \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)$

同理，当物体处于光轴上方的视野角临界点，该点经过a1的光线确定了光圈a2在光轴下方的下限。

在本实施例中，所述液晶透镜成像装置400的实际孔径光阑为所述液晶透镜44的第一孔径光阑441，经过场景物体41与第一孔径光阑的中心442的光线均不发生折射，因此，入射到所述光学透镜组45的光线的角度及入射位置不随液晶透镜44焦距的变化而变化，所以光斑中心491不发生移动。当我们改变所述液晶透镜44的焦距时，仅仅光斑49大小发生变化而中心坐标不变，因此，图像的放大率不变。

图6为本发明第二实施例提供的液晶透镜成像装置500的结构示意图。所述液晶透镜成像装置500包括：液晶透镜54，光学透镜组55以及图像采集单元57。其中，所述液晶透镜成像装置500所包括的液晶透镜54，光学透镜组55以及图像采集单元57与第一实施例中相应的结构基本相同，不同之处在于：所述光学透镜组55包括多个光学透镜551，且所述液晶透镜成像装置500的实际孔径光阑为所述液晶透镜54的孔径光阑。在本实施例中，所述光学透镜组55为一个照相机镜头，如天赛镜头。图6展示了本实施例中使用的天赛镜头，经模拟实验，当所述液晶透镜54的焦距小于20mm时，轴外物点发出并充满孔径光阑的光束才能全部通过光学透镜组55(天赛镜头)的孔径光阑552，即所述液晶透镜成像装置500的成像的放大率不变。

图7为本发明第三实施例提供的液晶透镜成像装置600的结构示意图。所述液晶透镜成像装置600包括：液晶透镜64，光学透镜组65以及图像采集单元67。其中，所述液晶透镜成像装置600所包括的液晶透镜64，光学透镜组65以及图像采集单元67与第一实施例中相应的结构基本相同，不同之处在于：所述光学透镜组65具有第一主点651，且所述光学透镜组65的第一主点651与其前主点以及后主点重合。所述液晶透镜64具有第二主点641，且所述液晶透镜64的第二主点641与所述光学透镜组65的第一主点651重合。由此可知，所述液晶透镜54与所述光学透镜组65的等效主点不变。

在本实施例中，所述光学透镜组65包括一个光学透镜，当然，所述光学透镜65也可以包括两个或者多个光学透镜。当所述光学透镜组65包括一个光学透镜时，所述光学透镜的前主点与后主点重合，作为所述光学透镜组65的第一主点。当所述光学透镜65包括两个或者多个光学透镜时，所述两个或者多个光学透镜的等效前主点与等效后主点重合，作为所述光学透镜组65的第一主点。

在本实施例中，场景物体610发出的光经过所述液晶透镜64的第二主点的光线641不发生折射，直接在所述图像传感器67上成像。并且，当改变所述液晶透镜64的焦距时，由于所述液晶透镜64与所述光学透镜组65的等效主点不变，因此，所述光源610在所述图像传感器57所成的像的坐标不发生变化，即图像的放大率不变。

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 (11)

1.一种液晶透镜成像装置，其特征在于，包括：

液晶透镜，其具有一个第一孔径光阑，所述液晶透镜成像装置的实际孔径光阑为所述液晶透镜的第一孔径光阑；

光学透镜组，其包括至少一个光学透镜；以及

图像采集单元，所述液晶透镜以及所述光学透镜组设置在所述图像采集单元的同一侧，所述图像采集单元用于采集经过所述液晶透镜、光学透镜组的光线而生成图像。

2.根据权利要求1所述的液晶透镜成像装置，其特征在于，当所述光学透镜组包括一个光学透镜时，所述液晶透镜设置在所述光学透镜的靠近或者远离所述图像采集单元的一侧。

3.根据权利要求1所述的液晶透镜成像装置，其特征在于，当所述光学透镜组包括多个光学透镜时，所述液晶透镜设置在所述光学透镜的靠近或者远离所述图像采集单元的一侧，或者设置在所述多个光学透镜之间。

4.根据权利要求1所述的液晶透镜成像装置，其特征在于，当所述光学透镜组包括一个光学透镜，所述光学透镜组具有一个第二孔径光阑，且所述第二孔径光阑大于所述第一孔径光阑。

5.根据权利要求4所述的液晶透镜成像装置，其特征在于，所述光学透镜组的第二孔径光阑a2表示为如下公式：

$a2>a1+2*d*\tan \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)$

其中，表示所述液晶透镜的第一孔径光阑，d表示所述液晶透镜与所述光学透镜组之间的距离，α为所述液晶透镜成像装置的视野角。

6.根据权利要求1所述的液晶透镜成像装置，其特征在于，光经过所述液晶透镜的第一孔径光阑的中心的光线不发生折射，直接入射至所述光学透镜组，且入射到所述光学透镜组的光线的角度及入射位置不随液晶透镜焦距的变化而变化，即光线在所述图像传感器所成的像的中心坐标不变。

7.根据权利要求6所述的液晶透镜成像装置，其特征在于，所述液晶透镜的第一孔径光阑的中心为所述液晶透镜的光学中心。

8.根据权利要求1所述的液晶透镜成像装置，其特征在于，所述液晶透镜成像装置无渐晕光阑。

9.一种液晶透镜成像装置，其特征在于，包括：

光学透镜组，其包括至少一个光学透镜，所述光学透镜组具有第一主点；

液晶透镜，其具有第二主点，所述液晶透镜的第二主点与所述光学透镜组的第一主点重合；以及

图像采集单元，其用于采集经过所述液晶透镜、光学透镜组的光线而生成图像。

10.根据权利要求9所述的液晶透镜成像装置，其特征在于，所述光学透镜组包括多个光学透镜时，所述多个光学透镜的等效前主点与等效后主点重合，作为所述光学透镜组的第一主点。

11.根据权利要求9所述的液晶透镜成像装置，其特征在于，场景物体发射或者反射的光经过所述液晶透镜的第二主点的光线不发生折射，直接在所述图像传感器成像，且改变所述液晶透镜的焦距，所述像的坐标不变。