CN105812623A - 微透镜阵列成像装置与成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微透镜阵列成像装置，其包括主透镜、微透镜阵列以及图像采集单元，所述主透镜对物体所成的第一图像位于所述主透镜与所述微透镜阵列之间，且所述第一图像经过所述微透镜阵列包括的每个子透镜后在所述图像采集单元上成一个第二图像，每个第二图像包括一个像圆以及围绕所述像圆的弥散圆，每个子透镜的像圆和与其相邻的子透镜的像圆之间的距离大于等于所述子透镜对应的第二图像的半径和与其相邻的子透镜对应的像圆的半径之和。所述微透镜阵列成像装置可以保证相邻子透镜在图像采集单元上成的第二图像内容不出现干扰混叠，并且能有效地利用图像采集单元上的象素单元。本发明进一步包括一种微透镜阵列成像方法。

Description

微透镜阵列成像装置与成像方法

技术领域

本发明涉及成像技术领域，具体而言，涉及一种微透镜阵列成像装置与成像方法。

背景技术

微透镜阵列广泛应用于光场相机，复眼相机以及大视野的显微相机。一般地，需要对微透镜阵列所成的像进行后续处理，如将每个微透镜所成的像进行匹配或者拼接。然而，由于光的波动性，每个微透镜成像都会出现中间亮四周暗的现象，从而导致处理后的像造成严重的干扰。

目前消费电子设备，工业检测设备等都逐渐趋向于便携化，轻薄化。一般地，为了实现灵活的图像获取功能而经常采用多透镜组等方案，如此一来，就限制了器件的轻薄化，便携化。

发明内容

本发明正是基于上述技术问题，提出了一种微透镜阵列成像装置与成像方法。

一种微透镜阵列成像装置，其包括主透镜、微透镜阵列以及位于微透镜阵列的远离所述主透镜一侧的图像采集单元，所述微透镜阵列包括多个阵列排布的子透镜，所述主透镜对物体所成的第一图像位于所述图像采集单元的远离所述微透镜阵列的一侧，且所述第一图像经过每个子透镜后在所述图像采集单元上成一个第二图像，每个第二图像包括一个像圆以及围绕所述像圆的弥散圆，每个子透镜的像圆和与其相邻的子透镜的像圆之间的距离大于等于所述子透镜对应的第二图像的半径和与其相邻的子透镜对应的像圆的半径之和，且小于等于所述子透镜对应的第二图像的半径和与其相邻的子透镜对应的第二图像的半径之和。

在上述实施方式中，所述微透镜阵列成像装置可以保证相邻子透镜在图像采集单元上的成的第二图像内容不出现干扰混叠，并且能有效地利用图像采集单元上的象素单元。由于第一图像位于所述图像采集单元的远离所述微透镜阵列的一侧，即所述微透镜阵列成像装置采用所述微透镜阵列对虚物成像的方法，其能进一步降低所述微透镜阵列成像装置的厚度。

在上述任一技术方案中，优选的，每个子透镜的弥散圆与其相邻的子透镜的弥散圆相切。

在上述任一技术方案中，优选的，所述微透镜阵列成像装置的实际孔径光阑为所述主透镜的孔径光阑。

在上述任一技术方案中，优选的，所述像圆为图像采集单元上光阑像的主光线覆盖范围。

在上述任一技术方案中，优选的，所述多个子透镜的大小形状相同。

在上述任一技术方案中，优选的，每个子透镜的像圆与其相邻的子透镜的弥散圆相切。

在上述任一技术方案中，优选的，所述微透镜阵列成像装置进一步包括一个图像处理单元，所述图像处理单元用于将所述多个子透镜所成的第二图像进行拼接。

在上述任一技术方案中，优选的，每个子透镜的第二图像和与其相邻的子透镜的第二图像内容的重复率与所述子透镜的第二图像的像圆的直径成正比。

在上述任一技术方案中，优选的，每个子透镜的第二图像的像圆和与其对角线的子透镜的第二图像的像圆相切。

一种微透镜阵列成像方法，包括如下步骤：通过主透镜对物体成第一图像；以及所述第一图像经过微透镜阵列的每一个子透镜成一个第二图像，其中，所述第一图像作为所述微透镜阵列的虚物，每个第二图像包括一个像圆以及围绕所述像圆的弥散圆，每个子透镜的像圆和与其相邻的子透镜的像圆之间的距离大于等于所述子透镜对应的第二图像的半径和与其相邻的子透镜对应的像圆的半径之和，且小于等于所述子透镜对应的第二图像的半径和与其相邻的子透镜对应的第二图像的半径之和。

在上述实施方式中，所述微透镜阵列成像方法可以保证相邻子透镜在图像采集单元上的成的第二图像内容不出现干扰混叠，并且能有效地利用图像采集单元上的象素单元。并且，由于所述第一图像作为所述微透镜阵列的虚物，即采用所述微透镜阵列对虚物成像的方法，其能进一步降低所微透镜阵列成像系统的厚度。在上述任一技术方案中，优选的，每个子透镜的弥散圆与其相邻的子透镜的弥散圆相切。

在上述任一技术方案中，优选的，进一步包括对所述多个子透镜所成的第二图像进行拼接。

在上述任一技术方案中，优选的，每个子透镜的第二图像的像圆和与其对角线的子透镜的第二图像的像圆相切。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的微透镜阵列成像装置的结构框图；

图2为发明第一实施例提供的微透镜阵列成像装置的光路图；

图3为图2中的微透镜阵列的像圆模型图；

图4为图2中一个子透镜在图像采集单元上所成的第二图像的示意图；

图5为图2中相邻子透镜的第二图像之间的第一位置关系示意图；

图6为图2中相邻子透镜的第二图像之间的第二位置关系示意图；

图7为图2中相邻子透镜的第二图像之间的第三位置关系示意图；

图8为图2中每个子透镜在图像采集单元上所成的第二图像的示意图；

图9为图像处理单元对每个子透镜的第二图像进行拼接时的示意图；

图10为提供给图1中微透镜阵列成像装置成像的原始图表；

图11-图14为图1提供的微透镜阵列成像装置对图8的原始图表成像拼接的示意图；

图15为本发明第二实施例提供的微透镜阵列成像方法的流程图。

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。

请参见图1、图2与图3，一种微透镜阵列成像装置，其包括主透镜120、微透镜阵列130以及位于微透镜阵列130的远离所述主透镜一侧的图像采集单元150。在本实施例中，所述主透镜120与所述微透镜阵列130作所述微透镜阵列成像装置的光学镜头组140。

所述微透镜阵列130包括多个阵列排布的子透镜131。在本实施例中，所述多个子透镜131的大小形状相同。可以理解的是，在其他实施例中，所述多个子透镜131的大小形状也可以不相同，其可以根据需要设置。

在本实施例中，所述主透镜120对物体110所成的第一图像121位于所述图像采集单元150的远离所述微透镜阵列130的一侧，如图3中的第一图像S与第一图像L，其均位于所述图像采集单元150的远离所述微透镜阵列130的一侧，并且作为所述微透镜阵列130的物。在本实施例中，由于第一图像121位于所述图像采集单元150的远离所述微透镜阵列130的一侧，相对于微透镜阵列130而言属于虚物，即所述第一图像121作为所述微透镜阵列130的虚物。根据高斯成像原理可知，当正透镜对实物成像时，任意物距成像时其像距都必须大于或等于该透镜的焦距。而当正透镜对虚物成像时，任意物距成像时其像距均小于或等于该透镜的焦距。因此，所述微透镜阵列成像装置采用微透镜阵列130对虚物成像的方法能进一步降低所述微透镜阵列成像装置的厚度。

所述第一图像121经过每个子透镜后在所述图像采集单元上成一个第二图像，在本实施例中，所述微透镜阵列成像装置的实际孔径光阑为所述主透镜120的孔径光阑122。请一并参见图4，每个第二图像包括一个像圆181以及围绕所述像圆181的弥散圆182。所述像圆181为所述图像采集单元150上光阑像的主光线覆盖范围，它规定了每个子透镜131的有效视场范围。而弥散圆182为光阑像的弥散圆环，沿主光线对称分布。一般地，由于弥散圆环c内的图像畸变较大且出现亮度急剧下降，会降低成像质量。

每个子透镜130将主透镜120所得的第一图像121分别成像于图像采集单元150上，经过透镜的两次变换，最终得到正立的像。因此，最后图像处理时只需做镜像处理便能还原初始物。其中，每个子透镜130单元与主透镜120和其孔径光阑122构成的光路，均遵从高斯成像原理，当器件置于空气介质中时，其物像关系如公式(1)至公式(3)所示：

$\frac{1}{u_1}+\frac{1}{v_1}=\frac{1}{f_1}---\left(1\right)$

$\frac{1}{{-u}_2}+\frac{1}{v_2}=\frac{1}{f_2}---\left(2\right)$

$\frac{1}{u}+\frac{1}{v}=\frac{1}{f_2}---\left(3\right)$

上述公式中，u₁表示所述主透镜120成像的物距，v₁表示所述主透镜120成像的像距，f₁表示所述主透镜120的焦距；u₂表示所述微透镜阵列130成像的物距，v₂表示所述微透镜阵列130成像的像距，即所述图像采集单元150与所述微透镜阵列130的间距，f₂表示所述微透镜阵列130的焦距；u表示所述主透镜120的孔径光阑122离所述微透镜阵列130的距离，v表示所述微透镜阵列130对所述主透镜120的孔径光阑122成像的像距。

假设子透镜131有效半孔径a，相邻的子透镜131的间距为p，此时子透镜131的主光线像圆181的直径b可表示为：

$\begin{array}{ccc}\frac{b}{A}=\frac{v_2}{u}& =>& b=\frac{v_2}{u}\end{array},A=\frac{d-u}{u}A---\left(4\right)$

其中，A表示所述主透镜120的孔径光阑122的大小。

主光线像圆181的中心间距e为：

$\begin{array}{ccc}\frac{p}{e}=\frac{u}{d}& =>& e=\frac{d}{u}p\end{array}---\left(5\right)$

由于在后期图像处理时需要将各个子透镜图像进行拼接以还原完整的图像，因此在拍摄图像时必须保证相邻子透镜131在图像采集单元150上成的第二图像内容不出现干扰混叠。在本实施例中，每个子透镜131的像圆181和与其相邻的子透镜131的像圆181之间的距离D大于等于所述子透镜131对应的第二图像的半径R1和与其相邻的子透镜131对应的像圆181的半径r2之和，且小于等于所述子透镜131对应的第二图像的半径R1和与其相邻的子透镜131对应的第二图像的半径R2之和。

请一并参见图5，当相邻子透镜131的第二图像的半径不相同时，当每个子透镜131的像圆181和与其相邻的子透镜131的像圆181之间的距离D等于所述子透镜131对应的第二图像的半径R1和与其相邻的子透镜131对应的像圆181的半径r2之和时，即其中一个子透镜131的像圆181和与其相邻的子透镜131的弥散圆182相切。

请一并参见图6，当每个子透镜131的像圆181和与其相邻的子透镜131的像圆181之间的距离D等于所述子透镜131对应的第二图像的半径R1和与其相邻的子透镜131对应的第二图像半径R2之和时，即所述子透镜131的弥散圆182和与其相邻的子透镜131的弥散圆182相切。即相邻子透镜131的弥散圆182不会有混叠。

请参见图7所示，在本实施例中，当所述多个子透镜131的大小形状相同时，当每个子透镜131的像圆181和与其相邻的子透镜131的像圆181之间的距离D等于所述子透镜131对应的第二图像的半径R1和与其相邻的子透镜131对应的像圆181的半径r2之和，即任一所述子透镜131的像圆181和与其相邻的子透镜131的弥散圆182相切。即相邻子透镜131的弥散圆182会有混叠，但不影响各自的主光线像圆181，此时，既保证相邻子透镜131的主光线像圆181不相互干扰混叠，并且能最大效率地利用图像采集单元150的象素单元。

具体地，c表示所述子透镜131的弥散圆182的半径，其表达式如公式(6)所示

$c=\frac{v_2-v}{v}a---\left(6\right)$

由(6)可知，每个子透镜131的有效孔径越小，每个子微透镜131光路上所能接受的远轴光线越少，以使所述子透镜131的弥散圆环c减小，从而提高所述图像采集单元150上的象素单元的利用率。

在本实施例中，所述微透镜阵列成像装置进一步包括图像处理单元160，所述图像处理单元用于将所述多个子透镜131所成的第二图像进行拼接。

请一并参见图8与图9，所述图像处理单元160对所述多个子透镜131所成的第二图像进行拼接时，采用移动所述多个第二图像的方式进行拼接，具体地，每个子透镜131的第二图像的像圆181和与其相邻的子透镜131的第二图像的像圆181的内容部分重复。且每个子透镜131的第二图像和与其相邻的子透镜131的第二图像内容的重复率与所述子透镜131的第二图像的像圆181的直径成正比。

在本实施例中，为了保证相邻的第二图像的像圆181无缝拼接且拼接后的图像分辨率最大，每个子透镜131的第二图像的像圆181和与其对角线的子透镜131的第二图像的像圆181相切。由图9分析可知，每个子透镜131的第二图像的像圆181和与其相邻的子透镜131的第二图像的像圆181内容的重复率为：

$\mathrm{\Δ}=2R-\sqrt{2}R=(1-\frac{1}{\sqrt{2}})b---\left(7\right)$

同时，为了保证每个子透镜131的第二图像的像圆181和与其对角线的子透镜131的第二图像的像圆181相切，所述微透镜阵列成像装置需要满足如下条件：

$r=\frac{P}{A}---\left(8\right)$

$\frac{u_2}{v_1}\≥\sqrt{2}r---\left(9\right)$

其中，p表示对子透镜131间距p，r表示子透镜131间距p与主透镜120的孔径光阑122的比值，v₁表示主透镜120的像距，u₂表示子透镜131的物距的比值。

请一并参见图10-图14，所述微透镜阵列成像装置对原始图表进行成像并进行拼接的示意图，由此可知，所述微透镜阵列成像装置可以保证相邻子透镜在图像采集单元160上成的第二图像内容不出现干扰混叠，并且能有效地利用图像采集单元160上的象素单元。当图像处理单元160在对第二图像进行移动拼接时，每个子透镜131的第二图像的像圆181和与其对角线的子透镜131的第二图像的像圆181相切，此时，拼接后的图像分辨率最大。

所述微透镜阵列成像装置能够保证相邻子透镜131在图像采集单元150上成的第二图像内容不出现干扰混叠，并且能有效地利用图像采集单元150上的象素单元。由于第一图像121位于所述图像采集单元150的远离所述微透镜阵列130的一侧，即所述第一图像121作为所述微透镜阵列130的虚物，换而言之，所述微透镜阵列成像装置采用所述微透镜阵列130对虚物成像的方法，其能进一步降低所述微透镜阵列成像装置的厚度。

请参见图15，本发明第二实施例提供的一种微透镜阵列成像方法，其包括如下步骤：

步骤21：通过主透镜对物体成第一图像。

步骤22：所述第一图像经过微透镜阵列的每一个子透镜成一个第二图像，其中，所述第一图像作为所述微透镜阵列的虚物，每个第二图像包括一个像圆以及围绕所述像圆的弥散圆，每个子透镜的像圆和与其相邻的子透镜的像圆之间的距离大于等于所述子透镜对应的第二图像的半径和与其相邻的子透镜对应的像圆的半径之和，且小于等于所述子透镜对应的第二图像的半径和与其相邻的子透镜对应的第二图像的半径之和。

步骤23：对所述多个子透镜所成的第二图像进行拼接。对所述多个子透镜所成的第二图像采用移动拼接的方式，并且每个子透镜的第二图像的像圆和与其相邻的子透镜的第二图像的像圆部分重叠。在本实施例中，每个子透镜的第二图像的像圆和与其对角线的子透镜的第二图像的像圆相切。

所述微透镜阵列成像方法能够保证相邻子透镜在图像采集单元150上成的第二图像内容不出现干扰混叠，并且能有效地利用图像采集单元上的象素单元。所述第一图像121作为所述微透镜阵列130的虚物，换而言之，采用所述微透镜阵列对虚物成像的方法，其能进一步降低所微透镜阵列成像系统的厚度。

上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 (13)

1.一种微透镜阵列成像装置，其包括主透镜、微透镜阵列以及位于微透镜阵列的远离所述主透镜一侧的图像采集单元，所述微透镜阵列包括多个阵列排布的子透镜，其特征在于，所述主透镜对物体所成的第一图像位于所述图像采集单元的远离所述微透镜阵列的一侧，且所述第一图像经过每个子透镜后在所述图像采集单元上成一个第二图像，每个第二图像包括一个像圆以及围绕所述像圆的弥散圆，每个子透镜的像圆和与其相邻的子透镜的像圆之间的距离大于等于所述子透镜对应的第二图像的半径和与其相邻的子透镜对应的像圆的半径之和，且小于等于所述子透镜对应的第二图像的半径和与其相邻的子透镜对应的第二图像的半径之和。

2.根据权利要求1所述的微透镜阵列成像装置，其特征在于，每个子透镜的弥散圆与其相邻的子透镜的弥散圆相切。

3.根据权利要求1所述的微透镜阵列成像装置，其特征在于，所述微透镜阵列成像装置的实际孔径光阑为所述主透镜的孔径光阑。

4.根据权利要求1所述的微透镜阵列成像装置，其特征在于，所述像圆为图像采集单元上光阑像的主光线覆盖范围。

5.根据权利要求1所述的微透镜阵列成像装置，其特征在于，所述多个子透镜的大小形状相同。

6.根据权利要求5所述的微透镜阵列成像装置，其特征在于，每个子透镜的像圆与其相邻的子透镜的弥散圆相切。

7.根据权利要求1所述的微透镜阵列成像装置，其特征在于，所述微透镜阵列成像装置进一步包括一个图像处理单元，所述图像处理单元用于将所述多个子透镜所成的第二图像进行拼接。

8.根据权利要求7所述的微透镜阵列成像装置，其特征在于，每个子透镜的第二图像和与其相邻的子透镜的第二图像内容的重复率与所述子透镜的第二图像的像圆的直径成正比。

9.根据权利要求7所述的微透镜阵列成像装置，其特征在于，每个子透镜的第二图像的像圆和与其对角线的子透镜的第二图像的像圆相切。

10.一种微透镜阵列成像方法，其特征在于，所述微透镜阵列成像方法包括如下步骤：

通过主透镜对物体成第一图像；以及

所述第一图像经过微透镜阵列的每一个子透镜成一个第二图像，其中，所述第一图像作为所述微透镜阵列的虚物，每个第二图像包括一个像圆以及围绕所述像圆的弥散圆，每个子透镜的像圆和与其相邻的子透镜的像圆之间的距离大于等于所述子透镜对应的第二图像的半径和与其相邻的子透镜对应的像圆的半径之和，且小于等于所述子透镜对应的第二图像的半径和与其相邻的子透镜对应的第二图像的半径之和。

11.根据权利要求10所述的微透镜阵列成像方法，其特征在于，每个子透镜的弥散圆与其相邻的子透镜的弥散圆相切。

12.根据权利要求10所述的微透镜阵列成像方法，其特征在于，进一步包括对所述多个子透镜所成的第二图像进行拼接。

13.根据权利要求12所述的微透镜阵列成像方法，其特征在于，每个子透镜的第二图像的像圆和与其对角线的子透镜的第二图像的像圆相切。