CN106019536A - 一种面阵图像传感器扩展景深的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面阵图像传感器扩展景深的装置，包括光学镜头、分束装置、第一面阵图像传感器以及第二面阵图像传感器；分束装置位于光学镜头后面，其入射光轴与光学镜头光轴重合；两个面阵图像传感器分别位于各自物平面的共轭位置；分束装置将光学镜头捕获的前后两个物平面发出的光线分成两个光路，分别于两个面阵图像传感器上成像。本发明面阵图像传感器扩展景深的装置无运动部件，能对不同深度的两个物体成像，能够大相对孔径情况下，获取大景深高分辨率的图像，且结构简单，成本低，适用于双像面光学成像相机。

Description

一种面阵图像传感器扩展景深的装置

技术领域

本发明属于光学仪器技术领域，尤其涉及一种面阵图像传感器扩展景深的装置。

背景技术

景深是指在摄影机镜头或其他成像器前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围。在聚焦完成后，在焦点前后的范围内都能形成清晰的像，这一前一后的距离范围，便叫做景深；当镜头对准被摄景物时，被摄景物前面的清晰范围叫前景深，后面的清晰范围叫后景深。前景深和后景深加在一起，也就是整个电视画面从最近清晰点到最远清晰点的深度，叫全景深，如图1所示。

如图2所示，扩展景深镜头的光学成像原理如下：

扩展景深镜头7可以分别对物平面2和物平面5成像，两物平面对应的像平面分别为平面8和平面9；物平面2有景深，其前景平面为平面1，其后景平面为平面4；物平面5也有景深，其前景平面为平面3，其后景平面为平面6；扩展景深镜头7能够对“物平面2与像平面8”和“物平面5与像平面9”两对共轭位置校正像差，同时使平面3和平面4重合或者使平面3处于平面4前方，达到景深衔接的目的。基于上述扩展景深镜头的光学成像原理，由于平面8处的图像传感器会阻挡到达平面9图像传感器的光线；无法于获取两个物平面的图像。

随着技术的发展，人们对拍摄画面的要求越来越高，因此，景深原理在摄像上有着极其重要的作用；决定景深大小的因素有光圈、焦距以及物距，目前为了扩大景深一般采用的方法有两种：一种是通过改变镜头的光学特性来扩展景深，例如缩小孔径，减小焦距，但是缩小孔径会带来分辨率下降，减小焦距不适于远距离拍摄；另外一种是通过移动镜头组或者像面CCD拍摄不同位置处的物体，以达到扩展景深的目的，但这种方式存在机械结构复杂，动态拍摄不稳定等缺点。

公开号为CN103703413A的中国专利公开了一种使用颜色相关波前编码扩展透镜系统中景深的系统和方法，其系统包括：相位掩模和有色波前编码透镜；有色波前编码透镜通过在由透镜创建的图像中生成指定色差来提供光的轴向色分离；相位掩模驱使光学系统的光学传递函数在远离像平面的指定范围内保持基本恒定，并且系统的光学传递函数在至少一个感兴趣的光谱通带内不包含零值；可以在图像上执行数字处理以通过反转由相位掩模生成的调制传递函数的下降来生成最终图像，实现扩展景深的目的，但这种方法系统复杂，成本高，不利于大规模的生产和使用。

发明内容

为了解决现有通过缩小光圈、减小镜头焦距、远离主体等扩展景深技术存在的成像质量下降、系统复杂、动态拍摄不稳定以及成本高等问题，本发明提出了一种扩展景深的装置，该装置采用分光技术，结合面阵图像传感器，能够实现扩展景深，且结构简单，成本低，成像质量提升。

一种面阵图像传感器扩展景深的装置，包括光学镜头、分束装置、第一面阵图像传感器以及第二面阵图像传感器；所述的分束装置位于光学镜头后面，其入射光轴与光学镜头光轴重合；所述的第一面阵图像传感器以及第二面阵图像传感器分别位于各自物平面的共轭位置；所述的分束装置将光学镜头捕获的前后两个物平面发出的光线分成两个光路，分别于第一面阵图像传感器和第二面阵图像传感器上成像。

所述的光学镜头为扩展景深镜头，对物方前后两个物平面分别成像，能够实现对两个共轭距校正像差，并使两个物平面的景深拼接或部分重叠，且能够达到大孔径情况下获取大景深高分辨率的图像。

所述的共轭距即为从物平面到像平面的距离，两个共轭距即为物方前后两个物平面到各自像平面的距离。

所述的分光装置可以采用分光棱镜或半透半反板，可以将光束分为两束，即将光能量分为反射光能量和透射光能量，且两者的比例和透射光的波长范围依据所用的分光装置的属性。

所述的面阵图像传感器可以选用CCD图像传感器或CMOS图像传感器。

景深的计算方法如下：

对于给定的光学系统，已知镜头的拍摄光圈值F，焦距f，允许的弥散圆直径σ，根据以下公式计算前景深ΔL₁，后景深ΔL₂以及总景深ΔL。

${\mathrm{\ΔL}}_1=\frac{{\mathrm{F\σL}}^2}{f^2+F\mathrm{\σ}L},$

${\mathrm{\ΔL}}_1=\frac{{\mathrm{F\σL}}^2}{f^2-F\mathrm{\σ}L},$

$\mathrm{\Δ}L={\mathrm{\ΔL}}_1+{\mathrm{\ΔL}}_2=\frac{2f^2{\mathrm{F\σL}}^2}{f^4-F^2{\mathrm{\σ}}^2{L}^2}.$

本发明面阵图像传感器扩展景深的装置无运动部件，能对前后两个物平面的物体成像，能够实现大孔径下扩展景深的目的，适用于双像面光学成像相机，具体优点如下：

(1)光学镜头为扩展景深镜头，实现了大相对孔径情况下，获取大景深高分辨率的图像。

(2)利用分光装置对光学镜头捕获的光能量分束，成像于两个面阵图像传感器上，结构简单，克服了扩展景深镜头成像重叠问题。

(3)成像装置采用面阵图像传感器，一次获得一整幅图像，无需加入运动组进行图像扫描，无需进行图像拼接，可以大幅提高速率，能够应用于对采集速率高的场合，实时拍摄速度快等优点。

附图说明

图1是景深原理图；

图2是扩展景深镜头的光学成像原理示意图；

图3是本发明面阵图像传感器扩展景深的装置光学成像原理示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图3所示，本发明面阵图像传感器扩展景深的装置主要包括：扩展景深镜头7、分光棱镜10、CCD图像传感器8，CCD图像传感器9；分光棱镜10倾斜位于扩展景深镜头7后面，其入射光轴与扩展景深镜头光轴重合；CCD图像传感器8和CCD图像传感器9分别位于扩展景深镜头物方物平面2和物平面5的共轭位置处。

扩展景深镜头物方的前后平面分别为物平面2和物平面5，物平面2有景深，其前景平面为平面1，其后景平面为平面4；物平面5也有景深，其前景平面为平面3，其后景平面为平面6；

摄像时，分光棱镜10将扩展景深镜头7捕获的物平面2和物平面5发出的光线分成两个光路，分别于CCD图像传感器8和CCD图像传感器9上成像。

本实施例中，分光棱镜的反射光的能量和透射光能量的比例为1:1，透射光的波长范围是可见光波长范围。

本实施例中，扩展景深镜头7的镜头焦距f为100mm，选择光圈值F为4.8，可接受弥散圆直径σ为0.05mm。

在此面阵图像传感器扩展景深装置的基础上，对近距离物体进行拍摄：

当物距为2000mm时，

ΔL₁＝101mm，ΔL₂＝112mm，ΔL＝213mm，

景深远端距离为2112mm，景深近端距离为1899mm；

当物距为2200mm时，

ΔL₁＝120mm，ΔL₂＝134mm，ΔL＝254mm，

景深远端距离为2334mm，景深近端距离为2080mm；

当物距为2000mm、2200mm时，分别于对应的共轭平面处分别放置两个CCD图像传感器，可得总景深为435mm，可见景深扩展了近两倍。

在此面阵图像传感器扩展景深装置的基础上，对远距离物体进行拍摄：

当物距为6300mm时，

ΔL₁＝827mm，ΔL₂＝1122mm，ΔL＝1949mm，

景深远端距离为7422mm，景深近端距离为5473mm；

当物距为8900mm时，

ΔL₁＝1566mm，ΔL₂＝2417mm，ΔL＝3983mm，

景深远端距离为11317mm，景深近端距离为7334mm；

当物距为6300mm、8900mm时，分别于对应的共轭平面处分别放置两个CCD图像传感器，可得总景深为5844mm，可见景深扩展了近两倍。

由此可见采用双面阵图像传感器方案对近距和远距景深都有很大的扩展，对一些近距离拍摄又要求大景深高分辨率的场合尤为实用。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种面阵图像传感器扩展景深的装置，其特征在于：包括光学镜头、分束装置、第一面阵图像传感器以及第二面阵图像传感器；所述的分束装置位于光学镜头后面，其入射光轴与光学镜头光轴重合；所述的第一面阵图像传感器以及第二面阵图像传感器分别位于各自物平面的共轭位置；所述的分束装置将光学镜头捕获的前后两个物平面发出的光线分成两个光路，分别于第一面阵图像传感器和第二面阵图像传感器上成像。

2.根据权利要求1所述的面阵图像传感器扩展景深的装置，其特征在于：所述的光学镜头是扩展景深镜头。

3.根据权利要求1所述的面阵图像传感器扩展景深的装置，其特征在于：所述的分光装置为分光棱镜或半透半反板。

4.根据权利要求1所述的面阵图像传感器扩展景深的装置，其特征在于：所述的第一面阵图像传感器和第二面阵图像传感器为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。