CN107071253A - 结构紧凑的光场相机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种结构紧凑的光场相机，包括依序设置的底座；图像传感器设置于底座上；微透镜阵列设置于图像传感器的入光侧，包括阵列排布的多个微透镜单元，每个微透镜单元对应图像传感器上的多个感光单元；主透镜设置于微透镜阵列的入光侧，用于接收待成像物体的光并将其投射到微透镜阵列；镜筒设置于底座上并用于固定主透镜和微透镜阵列；红外截止滤光片贴覆于微透镜阵列背向图像传感器的一面；增透膜贴覆于微透镜阵列面向或背向图像传感器的一面。红外截止滤光片和增透膜分别与微透镜阵列的表面贴合，减小了光场相机的体积；且便于相机组装，提高装配效率；且提升了光学元件的稳定性，保证成像效果，提升相机品质。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，更具体地说，是涉及一种结构紧凑的光场相机。
背景技术
光场相机相对于传统相机而言，不仅可以获取光线的强度还可以采集到光线的方向，这使得光场相机拥有更多的功能，比如先拍照后聚焦、大景深成像、3D成像以及透视成像等等。光场相机中使用比较广泛的结构是基于微透镜阵列(MLA)的结构，即通过在感光芯片与成像透镜之间布置一个MLA阵列，每个MLA阵列单元对应于多个感光芯片上的像素，通过MLA单元即可以使得原本聚焦为一点的目标光线经MLA单元以不同的角度成像在该单元对应的像素上，后期通过对这些像素的处理从而实现上述的多种功能。
在现有技术中，为了提高拍照的质量，诸如去除红外线干扰、减少“鬼影”等问题，往往在相机中增加至少一个光学元件，增加光学元件无疑会带来一些问题，比如相机体积增大，相机内部结构复杂导致不便组装以及故障率高等等。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种结构紧凑的光场相机，以解决现有技术中存在相机体积大、结构复杂、不易安装的技术问题。
为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案是：提供一种结构紧凑的光场相机，包括依序设置的：
底座；
图像传感器，设置于所述底座上，其表面设有可见光滤光片；
微透镜阵列，设置于所述图像传感器的入光侧，包括阵列排布的多个微透镜单元，每个所述微透镜单元对应所述图像传感器上的多个感光单元；
主透镜，设置于所述微透镜阵列的入光侧，用于接收待成像物体的光并将其投射到所述微透镜阵列；
镜筒，设置于所述底座上并用于固定所述主透镜和微透镜阵列；
红外截止滤光片，贴敷于所述微透镜阵列背向所述图像传感器的一面；
增透膜，贴敷于所述微透镜阵列面向或背向所述图像传感器的一面。
本发明实施例提供的光场相机与传统光场相机相比具有如下有益效果：在微透镜阵列背向图像传感器的一面设置红外截止滤光片，有效抑制红外光信息，在微透镜阵列面向或者背向图像传感器的一面设置增透膜，避免光学元件各表面之间的往复反射造成的“鬼影”现象，并减少光能量的损失。
更重要的是，红外截止滤光片和增透膜分别与微透镜阵列的表面贴合，不需单独设置镀膜元件于光路中，减小了光学成像系统的体积，进而减小了整个光场相机的体积；并且，直接在微透镜阵列表面贴合红外截止滤光片和增透膜，使三者结合为一整体，便于相机组装，提高装配效率；并且，三者一体结构提升了光学元件的稳定性，防止红外截止滤光片和增透膜出现异位、倾斜等现象，保证成像效果，提升相机品质。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的光场相机的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的光场相机的微透镜阵列的结构示意图。
其中，图中各附图标记：
10-底座；20-图像传感器；30-微透镜阵列；40-主透镜；50-镜筒；60-红外截止滤光片；70-增透膜；301-微透镜单元。
具体实施方式
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请一并参阅图1及图2，现对本发明实施例提供的结构紧凑的光场相机进行说明。
该结构紧凑的光场相机至少包括底座10、图像传感器20、微透镜阵列30、主透镜40、镜筒50、红外截止滤光片60及增透膜70；其中，主透镜40、微透镜阵列30、图像传感器20和底座10沿着成像光束的传输方向依次设置，镜筒50用于固定主透镜40和微透镜阵列30，并且镜筒50的一端与底座10固定连接，优选地，镜筒50的轴线垂直于底座10表面。红外截止滤光片60则设置于微透镜阵列30背向图像传感器20的表面，即面向主透镜40。增透膜70则优选设置于微透镜阵列30面向图像传感器20的表面，与红外截止滤光片60分设于微透镜阵列30的两侧表面。在另一种可行的实施方式中，增透膜70也可以设置于微透镜阵列30背向图像传感器20的表面，即与红外截止滤光片60一起位于微透镜阵列30的同一侧。图像传感器20用于纪录到达光线的强度信息，表面设有可见光滤光片以实现清晰的成像，图像传感器20包括多个感光单元；微透镜阵列30包括阵列排布的多个微透镜单元301，每个微透镜单元301对应图像传感器20上的多个感光单元。在本实施例中，红外截止滤光片60和增透膜70均贴覆于微透镜阵列30的表面，与微透镜阵列30形成一整体。本实施例所述的“贴覆”不仅包括将不同的光学元件贴合到一起，还包括在一光学元件的表面直接形成另一光学元件，例如电镀、喷涂、打印、电沉积、化学沉积、涂刷、溅射沉积等。
本发明实施例中的微透镜阵列30与主透镜40的间距等于主透镜40的焦距，图像传感器20与微透镜阵列30的间距等于微透镜单元301的焦距，以保证良好的成像效果。
上述光场相机的工作原理为：物方光线由主透镜40射入，经过主透镜40聚焦于微透镜阵列30，经过微透镜阵列30表面的红外截止滤光片60将红外光有效拦截后，入射到微透镜阵列30的每一微透镜单元301上，再由微透镜单元301的折光作用向图像传感器20的方向出射，并投向与微透镜单元301对应的多个感光单元上，并且在微透镜阵列30一表面上的增透膜70减弱或消除了不同光学表面之间的光反射，增加了透过率。与一个微透镜单元301对应的多个感光单元收集的光强度之和代表该微透镜单元301发出的总光强度。这样空间中一点发出的光线经由主透镜40聚焦到微透镜单元301上之后会继续发散，最终到达该微透镜单元301对应的多个感光单元上。空间中该点的多条光线的方向信息可以通过感光单元与微透镜单元301之间的相对角度计算出来，同时每个微透镜单元301对应的多个感光单元接收的光强度之和可以看成是该空间点的强度信息。这样通过主透镜40、微透镜阵列30与图像传感器20的配合工作可以纪录目标光线的强度信息以及方向信息，进而实现光场相机的相应功能，例如先拍照后聚焦。
上述的图像传感器可以采用CCD或CMOS图像传感器，其表面设置的可见光滤光片可以采用拜尔滤光片，以保证图像传感器可以获取红、绿、蓝三种光信号用于可见光成像。
本发明实施例提供的光场相机中，红外截止滤光片60和增透膜70分别与微透镜阵列30的表面贴合，不需设置专门的镀膜元件，减小了光学成像系统的体积，进而减小了整个光场相机的体积；并且，直接在微透镜阵列30表面贴合红外截止滤光片60和增透膜70，使三者结合为一整体，便于相机组装，提高装配效率；并且，三者一体结构提升了光学元件的稳定性，防止红外截止滤光片60和增透膜70出现异位、倾斜等现象，保证成像效果，提升相机品质。
更进一步地，在光传输过程中，由于红外截止滤光片60设置于微透镜阵列30背向图像传感器20的表面，可以将主透镜40射出的光线中的红外光进行有效隔离，防止红外光进入微透镜阵列30，进而避免一系列干扰成像的因素，例如，当红外截止滤光片60设置于微透镜阵列30面向图像传感器20的表面时，红外光在微透镜阵列30中多次折反射，不仅会影响截止效果，还会造成微透镜阵列30的发热，影响微透镜阵列30材质的稳定性，导致微变形及某些光学性能参数改变，这些都会影响成像效果。
另外，由于微透镜阵列30面向或背向图像传感器20的表面设置了增透膜70，可以减少或消除光学元件不同表面间的光反射，提高光能利用率，并消除由反射光线导致的“鬼影”问题。本发明实施例优选将红外截止滤光片60和增透膜70分设于微透镜阵列30的不同表面，既保证成像效果，又利于工艺加工以及结构上的稳定性。
进一步地，增透膜70可以是多种材质、结构或形状，厚度和层数也不必严格限制，可以从单层到多层，每层的厚度满足对相应波长的光实现增透的效果，凡是被用来增加光线透过率的光学膜层都可以作为增透膜70。
在本发明实施例中，底座10可以与图像传感器20电连接，比如底座10为PCB电路板、软硬结合板，也可以是柔性电路板与刚性材料组成的底板等。作为一种优选的实施例，底座10采用半导体基板。底座10和图像传感器20可以在同一制程中形成，在该半导体基板上直接制作多个阵列排布的感光单元即形成图像传感器20。具体地，在一个晶圆上以一定的间距同时制作多个图像传感器20，然后围绕每个图像传感器20直接封装上已经安装微透镜阵列30及主透镜40等光学元件的镜筒50，最后再进行切割就可以直接形成多个光场相机。这种方式可以大大提高制造效率。
进一步参考图2，本发明实施例中的微透镜阵列30是一种由耐高温、高透光的玻璃材质加工而成的一面为平面、另一面为阵列凸面的阵列式微透镜结构，具体材质可以但不限于采用蓝玻璃。该微透镜阵列30的平面面向主透镜40，凸面面向图像传感器20，一个凸面和与其正对的平面之间的部分构成了一个微透镜单元301，优选地，平面上设置红外截止滤光片60，凸面上设置增透膜70。
在其他实施例中，微透镜阵列30也可以由其他材料加工成上述形状或者其他形状，例如将其两面均加工为曲面，即两面均为阵列凸面，或者一面为阵列凸面另一面为阵列凹面等。考虑加工工艺的易于实施以及光路的简化，本实施例优选为一面平面、另一面为阵列凸面的结构。
在本发明实施例中，微透镜阵列30和主透镜40由镜筒50固定，该镜筒50可以是组合结构，也可以是一体结构，组合结构的镜筒50包括用于固定主透镜40的上镜筒50和用于固定微透镜阵列30的下镜筒50，下镜筒50的端部与底座10固定连接，上镜筒50和下镜筒50的端部可以对接，即上镜筒50和下镜筒50的端部通过粘接或焊接等方式正对连接。上镜筒50和下镜筒50也可以套接，即上镜筒50和下镜筒50的直径不同，二者的端部各设有螺纹结构，二者螺纹套接，或者二者的端部设有相互配合的卡扣结构，二者卡扣套接等。而一体结构的镜筒50，其上镜筒50和下镜筒50是一体成型的，二者的划分仅是对其固定的主透镜40和微透镜阵列30而言，在结构上并不具有可拆分性。在实际组装时，可以根据组装的难易选择采用适合的镜筒结构。
进一步地，镜筒50靠近底座10的一端与底座10固定连接，具体地，镜筒50的一端与底座10之间可以胶水连接、焊接或通过连接件连接。例如，可以在底座10上设置若干个定位柱，在镜筒50端部对应开设定位孔，或者在底座10上开设定位孔，在镜筒50端部设置定位柱。
在本实施例中，主透镜40用于接收目标光线并聚焦成像，可以是单个透镜也可以是多个透镜构成的透镜组，也可以是变焦透镜组。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.结构紧凑的光场相机，其特征在于，包括依序设置的：
底座；
图像传感器，设置于所述底座上，其表面设有可见光滤光片；
微透镜阵列，设置于所述图像传感器的入光侧，包括阵列排布的多个微透镜单元，每个所述微透镜单元对应所述图像传感器上的多个感光单元；
主透镜，设置于所述微透镜阵列的入光侧，用于接收待成像物体的光并将其投射到所述微透镜阵列；
镜筒，设置于所述底座上并用于固定所述主透镜和微透镜阵列；
红外截止滤光片，贴敷于所述微透镜阵列背向所述图像传感器的一面；
增透膜，贴敷于所述微透镜阵列面向或背向所述图像传感器的一面。
2.如权利要求1所述的光场相机，其特征在于，所述图像传感器与所述微透镜阵列的距离等于所述微透镜单元的焦距，所述微透镜阵列与所述主透镜的距离等于所述主透镜的焦距。
3.如权利要求1所述的光场相机，其特征在于，所述底座为半导体基板，所述图像传感器为在所述半导体基板上制作多个感光单元所形成的图像传感器。
4.如权利要求1所述的光场相机，其特征在于，所述红外截止滤光片和增透膜镀于所述微透镜阵列的表面。
5.如权利要求1所述的光场相机，其特征在于，所述微透镜阵列的一面为平面，另一面为阵列排布的凸面，每个所述凸面与同其正对的平面之间的部分构成一个微透镜单元。
6.如权利要求5所述的光场相机，其特征在于，所述平面背向所述图像传感器，所述凸面面向所述图像传感器。
7.如权利要求1所述的光场相机，其特征在于，所述可见光滤光片为拜尔滤光片。
8.如权利要求1所述的光场相机，其特征在于，所述微透镜阵列的材质为蓝玻璃。
9.如权利要求1-8任一项所述的光场相机，其特征在于，所述镜筒包括用于固定所述主透镜的上镜筒和用于固定所述微透镜阵列的下镜筒，所述下镜筒的端部与所述底座固定连接。
10.如权利要求9所述的光场相机，其特征在于，所述上镜筒和下镜筒的端部对接；或者所述上镜筒和下镜筒套接；或者所述上镜筒和下镜筒一体成型。
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