CN105635530A - 光场成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光场成像系统，包括：微透镜阵列、光束引导单元、成像单元和图像处理单元，其中微透镜阵列，包括多个微透镜单元，用于聚焦光束；光束引导单元，用于将通过所述微透镜阵列成像的光束进行引导，使得与所述光场成像系统的光轴之间夹角更大的光线通过所述微透镜阵列透射到所述成像单元上；成像单元，布置在所述微透镜阵列的焦平面上，用于接收通过微透镜阵列透射的光来感光成像；图像处理单元，用于将所述成像单元收集的电信号进行处理。根据本发明的光场成像系统，结构简单，能为光场成像收集大视角的光线，从而有效地扩大光场成像系统的视场角。
Description
技术领域
本发明涉及光场成像技术领域，特别涉及一种具有大视场角的光场成像系统。
背景技术
传统摄像机的成像过程，是对于三维空间景物采取了二维投影的方式，只是将光线的强度在探测器像元上进行累加，也就是说只考虑了物体的在像平面上的空间分布，而丢弃掉了光线的传播方向信息，并限制了图像的重塑性。
相比，光场成像技术则保留了对图像重塑的可能性，能够得到更加灵活化、多元化的图像信息，具有非常广泛的应用前景。如可以通过对光场图片的数字重聚焦技术，计算出对焦在不同深度的二维图像，实现“先拍照后对焦”的功能；提高聚焦能力，摆脱失焦、跑焦困扰；增加对图片处理的灵活性；通过光场数据合成视角图像实现3D显示；通过对光场数据的反演，数字化校正光学系统像差，降低光学系统设计和加工难度等。可以说，光场成像技术能够延伸到目前所有应用到光学成像的领域，扩展现有光学成像技术能够获得的信息量。
对光场成像系统而言，视场角的大小决定了光场成像系统的视野范围，视场角越大，视野就越大，能拍摄到更多的图像。目前，有例如4*4个30万像素的摄像头拼成一个光场成像系统，最后总的光场成像系统的分辨率只有35万，每个摄像头拍摄到大量的信息是重复的。
因此，需要一种能有效地扩大光场成像系统的视场角以提高分辨率的装置和方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种光场成像系统，包括：微透镜阵列、光束引导单元、成像单元和图像处理单元，其中：微透镜阵列，包括多个微透镜单元，用于聚焦光束；光束引导单元，用于将通过所述微透镜阵列成像的光束进行引导，使得与所述光场成像系统的光轴之间夹角更大的光线通过所述微透镜阵列透射到所述成像单元上；成像单元，布置在所述微透镜阵列的焦平面上，用于接收通过微透镜阵列透射的光来感光成像；图像处理单元，用于将所述成像单元收集的电信号进行处理。
优选地，所述光束引导单元包括遮罩，所述遮罩位于所述微透镜阵列和所述成像单元之间，包括由不透光材料制成的多个筒状结构子遮罩，用于引导和过滤光束；所述微透镜阵列中的每个微透镜单元均对应其中一个筒状结构，所述遮罩一端的开口与微透镜单元的边缘密封连接，另一端开口连接到所述成像单元的对应区域上。
优选地，所述子遮罩距离所述成像光轴越远，所述子遮罩的中心轴线与所述成像光轴之间的夹角就越大。
优选地，所述光束引导单元包括光折射单元，所述光折射单元位于所述微透镜阵列相对于所述成像单元的另一侧，用于将更大角度范围内的光线折射后进入所述微透镜阵列中。
优选地，所述光折射单元选自平凹透镜、双凹透镜、凸凹透镜、折线式透镜或偏转棱镜阵列中的至少一个或多个的组合。
优选地，所述光折射单元是一侧截面呈多段折线组合式从边缘向中心凹入的折线式透镜。
优选地，所述折线式透镜的每一段折线设计成与所述微透镜阵列中的微透镜单元的一个或一部分对应布置且设计其偏转角度以形成大视角图像。
优选地，还包括图像重现单元，所述图像重现单元根据偏转棱镜阵列中的每个子棱镜的偏转角度来对应重现出各个子成像单元所成图像中的各个光线的原始位置。
优选地，所述偏转棱镜阵列中的各个子棱镜的偏转角度由边缘向中心逐渐减小，且各个子棱镜分立布置成对应于微透镜阵列中的子透镜中的一个或一部分布置且设计其偏转角度以形成大视角图像。
优选地，所述系统还包括在所述微透镜阵列和所述成像单元间设置的光阑单元，所述光阑单元的每个光阑与所述微透镜阵列中的微透镜单元一一对应。
根据本发明的改进的光场成像系统，可以获取大视场角光场图像。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1(a)-图1(b)示意性示出根据本发明一个实施例的光场成像系统的光学系统结构和成像原理图；
图1(c)示出了根据本发明另一实施例的带有光折射单元的光场成像系统的成像原理图；
图1(d)示出了根据本发明又一实施例的带有光折射单元和遮罩的光场成像系统的成像原理图；
图2(a)-图2(b)示出无光束引导单元和布置有光束引导单元的光场成像系统成像光路对比图；
图3示意性示出光折射单元的几种实施方式的结构示意图；
图4示意性示出光阑单元的结构示意图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
根据本发明的光场成像系统包括微透镜阵列、光束引导单元、成像单元和图像处理单元，其中微透镜阵列包括多个微透镜单元，用于聚焦光束；光束引导单元用于将通过所述微透镜阵列成像的光束进行引导，使得与所述光场成像系统的光轴之间夹角更大的光线通过所述微透镜阵列透射到所述成像单元上；成像单元，布置在所述微透镜阵列的焦平面上，用于接收通过微透镜阵列透射的光来感光成像；图像处理单元，用于将所述成像单元收集的电信号进行处理。下面参照图1的几个具体实施例对各个部件进行说明。
参见图1(a)，根据本发明一个实施例的光场成像系统100沿成像光轴方向依次包括：微透镜阵列101、遮罩103和成像单元102，以及图像处理单元104。物体106在光源107的照射下，通过微透镜阵列101，在遮罩103的引导下在成像单元102上成像。在本实施例中，光束引导单元以遮罩103的方式实现。
微透镜阵列101，包括多个微透镜单元，用于聚焦光束，微透镜的形状可以为圆形或方形。根据本发明的一个实施例，微透镜阵列101的各个微透镜单元的焦距可以设置成相同的，也可以是不同的，以便可以采集到不同距离的用于成像的光学信息。
成像单元102，布置在微透镜阵列101的焦平面上，用于接收通过微透镜阵列透射的光来感光成像。成像单元102的传感器例如可以为CCD或CMOS，用于接收成像光强信号，转变为电信号存储起来。根据本发明的一个实施例，成像单元102优选由多个子成像单元构成。每个成像子单元分别设置成对应于微透镜阵列101的每个微透镜单元。
遮罩103，包括由不透光材料制成的多个筒状结构子遮罩，位于所述微透镜阵列101和所述成像单元102之间，用于引导光束的走向。每个筒状结构子遮罩对应于微透镜阵列101的一个微透镜单元。图1(b)示意性地示出了遮罩103的立体结构。其中仅示出了四个微透镜单元101和对应的遮罩的四个筒状结构子遮罩103，以及成像单元102。如图1(b)所示，遮罩103相当于一个光通道，使用所述遮罩103可以防止相邻微透镜单元聚焦后的光束之间相互干扰，起到了过滤和引导的作用。每个微透镜单元均对应一个遮罩103的其中一个筒状结构子遮罩，其两端的形状与微透镜的形状相匹配，一端与微透镜单元的边缘密封连接，另一端开口连接到成像单元102的对应区域上。
根据本发明的一个实施例，遮罩103的形状可以为两端面积相同的筒形或两端面积不同的锥形。例如，与微透镜单元连接的遮罩103一端的开口面积可以大于另一端开口的面积。如果微透镜单元是圆形，遮罩103的形状为两端开口面积不一致的圆筒；如果微透镜单元是方形，遮罩103的相撞即为两端开口面积不一致的方筒。
根据本发明的一个实施例，遮罩103的多个筒状结构子遮罩分别倾斜一定的角度排列。例如，如图1(a)所示，遮罩103轴线与光轴重合时，该遮罩103相对于光轴没有倾斜角度，且遮罩103与光轴离得越远，遮罩103的倾斜角度越大。根据本发明的一个实施例，遮罩103的倾斜角度(即遮罩103与光轴之间的夹角)最小角度为0度(即此时的遮罩103与光轴重合)，且遮罩103的倾斜角度(与光轴之间的夹角)最大可达60度。
图像处理单元104，用于将成像单元102收集的电信号进行处理，以呈现出所需要的图像。
图1(c)示出了根据本发明另一实施例的光场成像系统的成像原理图。在该实施例中，光束引导单元以光折射单元108的方式实现。如图1(c)所示，所述光折射单元108位于微透镜阵列101相对于所述成像单元102的另一侧。所述光折射单元108与所述微透镜阵列101的中心微透镜单元共光轴布置。光折射单元108通过折射方式将更大角度范围内的光线收纳进来，并通过所述微透镜阵列102在成像单元102上成像。物体106在光源107的照射下，依次通过光折射单元108和微透镜阵列101，在成像单元102上成像。
图1(d)示出了根据本发明又一实施例的光场成像系统的成像原理图。在该实施例中，光束引导单元以光折射单元108和遮罩103组合的方式实现。如图1(d)所示，所述光折射单元108位于微透镜阵列101相对于所述成像单元102的另一侧。所述光折射单元108与所述微透镜阵列101的中心微透镜单元共光轴布置。光折射单元108通过折射方式将更大角度范围内的光线收纳进来，并通过所述微透镜阵列102在成像单元102上成像。所述遮罩103位于所述微透镜阵列101和所述成像单元102之间。遮罩103的具体配置和结构参考上述图1(a)和图1(b)描述的实施例。物体106在光源107的照射下，依次通过光折射单元108和微透镜阵列101，在成像单元102上成像。
图2(a)-图2(b)分别示出无光束引导单元和布置有光束引导单元的光场成像系统的成像光路对比图。如图2(a)，如果不设置光束引导单元，整个光场成像系统100的视场角为θ1，边缘光入射后不能通过微透镜阵列101在成像单元102形成图像。相比，如图2(b)，如果在微透镜阵列101的光路上布置光束引导单元，边缘光倾斜入射后通过光折射单元108向中心偏折，或通过遮罩103的引导而入射到微透镜阵列101上，并聚焦在成像单元102上形成图像，这样可以将更大角度范围内的环境光线通过折射方式收纳进来而通过微透镜阵列101成像，此时整个光场成像系统100的视场角扩大为θ2，θ2＞θ1，从而提升了光场成像系统100的视场角。其中θ2可达到大约150-180度。
此时，参见图2(a)-图2(b)可知，PO是无光束引导单元时获得的各个微透镜场景图像，如图2(a)可见PO是重叠的，PN是布置有光束引导单元时获得的各个微透镜场景图像，如图2(a)可见PN是分散不重叠的。本领域技术人员可知通过设计光束引导单元的尺寸可以使得各个微透镜成像尽可能减少所拍摄画面的重叠，同时保证全景成像，在整个视场角范围内无遗漏成像。
图3示意性示出前置光折射单元108的几种实施例，例如单一的平凹透镜(图3中的A)、双凹透镜(图3中的B)、凸凹透镜(图3中的C)、折线式透镜(图3中的D)、或偏转棱镜阵列(图3中的E和F)；但是并不限于这些构成，只要是能实现入射光光折射功能的介质或构造均可。
特别指出的是，图3中的D所指的折线式透镜类似上述平凹、双凹或凹凸透镜，只是其两侧的凹或凸面的截面均为从边缘向中心逐渐凹入的多段折线的组合，且每一段折线设计成与微透镜阵列中的微透镜单元中的一个或一部分对应布置，并且根据形成更大视场角图像的成像要求来设计每段折线透镜的偏转角度。根据本发明，另外还包括一图像重现单元，图像重现单元在提取成像单元的各个子成像单元的图像时也需要根据每段折线透镜的偏转角度来对应换算出所成图像中的各个光线的原始位置，以获得实景图像。
同样的，图3中的E和F中的偏转棱镜阵列由多个分立的子棱镜阵列排列，其中各个子棱镜的偏转角度由边缘向中心逐渐减小，且各个子棱镜分立布置成对应于微透镜阵列101中的子透镜中的一个或一部分对应布置，并且根据形成更大视场角图像的成像要求来设计每段折线透镜的偏转角度。根据本发明，另外还包括一图像重现单元，图像重现单元在提取成像单元的各个子成像单元的图像时也需要根据每个子棱镜的偏转角度来对应换算出所成图像中的各个光线的原始位置，以获得实景图像。
本领域技术人员可以根据常规光学方法自行设计上述偏转角度，只要图像能够尽量减少重叠并且在整个视场内无遗漏成像即可。
如此，根据本发明的光场成像系统100具有更大的视场角，能够采集更多的场景图像，此外，由于采用了光折射单元，不需要常规光场成像系统中的总成光学系统，能够减少整个装置的体积和厚度。
根据本发明的另一实施例，可以在光折射单元108和微透镜阵列101之间放置光阑单元109，如图4所示。光阑单元109是孔板，每个孔与微透镜阵列101的单个微透镜的位置对应，减小相邻微透镜单元的光干扰，改善成像质量。光阑孔不必特别是圆形孔，例如，可以是六边形等多边形形状。
本发明的组成要素在附图中被简单描绘，这些要素的尺寸、形状、以及要素之间的距离不一定反映实际的情况。
根据本发明的光场成像系统，结构简单，能为光场成像收集大视角的光线，从而有效地扩大光场成像系统的视场角。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (10)
1.一种光场成像系统，包括：微透镜阵列、光束引导单元、成像单元和图像处理单元，其中：
微透镜阵列，包括多个微透镜单元，用于聚焦光束；
光束引导单元，用于将通过所述微透镜阵列成像的光束进行引导，使得与所述光场成像系统的光轴之间夹角更大的光线通过所述微透镜阵列透射到所述成像单元上；
成像单元，布置在所述微透镜阵列的焦平面上，用于接收通过微透镜阵列透射的光来感光成像；
图像处理单元，用于将所述成像单元收集的电信号进行处理。
2.根据权利要求1所述的光场成像系统，其特征在于：所述光束引导单元包括遮罩，所述遮罩位于所述微透镜阵列和所述成像单元之间，包括由不透光材料制成的多个筒状结构子遮罩，用于引导和过滤光束；所述微透镜阵列中的每个微透镜单元均对应其中一个筒状结构，所述遮罩一端的开口与微透镜单元的边缘密封连接，另一端开口连接到所述成像单元的对应区域上。
3.根据权利要求1所述的光场成像系统，其特征在于：所述子遮罩距离所述成像光轴越远，所述子遮罩的中心轴线与所述成像光轴之间的夹角就越大。
4.根据权利要求1或2所述的光场成像系统，其特征在于：所述光束引导单元包括光折射单元，所述光折射单元位于所述微透镜阵列相对于所述成像单元的另一侧，用于将更大角度范围内的光线折射后进入所述微透镜阵列中。
5.根据权利要求4所述的光场成像系统，其特征在于：所述光折射单元选自平凹透镜、双凹透镜、凸凹透镜、折线式透镜或偏转棱镜阵列中的至少一个或多个的组合。
6.根据权利要求4所述的光场成像系统，其特征在于：所述光折射单元是一侧截面呈多段折线组合式从边缘向中心凹入的折线式透镜。
7.根据权利要求6所述的光场成像系统，其特征在于：所述折线式透镜的每一段折线设计成与所述微透镜阵列中的微透镜单元的一个或一部分对应布置且设计其偏转角度以形成大视角图像。
8.根据权利要求5所述的光场成像系统，其特征在于：还包括图像重现单元，所述图像重现单元根据偏转棱镜阵列中的每个子棱镜的偏转角度来对应重现出各个子成像单元所成图像中的各个光线的原始位置。
9.根据权利要求5所述的光场成像系统，其特征在于：所述偏转棱镜阵列中的各个子棱镜的偏转角度由边缘向中心逐渐减小，且各个子棱镜分立布置成对应于微透镜阵列中的子透镜中的一个或一部分布置且设计其偏转角度以形成大视角图像。
10.根据权利要求1所述的光场成像系统，其特征在于：所述系统还包括在所述微透镜阵列和所述成像单元间设置的光阑单元，所述光阑单元的每个光阑与所述微透镜阵列中的微透镜单元一一对应。
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