CN107230232B - 聚焦型光场相机的f数匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚焦型光场相机的F数匹配方法，涉及一种计算光学成像的基础技术方法，它抛弃现有聚焦型光场相机主透镜光阑直径通过传统光场相机F数匹配法则计算再乘以经验系数的方法，确定了聚焦型光场相机主透镜光阑直径与相机其它几何参数之间的直接关系。本发明根据聚焦型光场相机结构特点，通过几何光学的方法分析出聚焦型光场相机的几个重要几何参数之间所满足的匹配的关系，导出满足F数匹配时主镜头光阑直径与相机其它几何参数的直接关系。本发明所提供的方法可为聚焦型光场相机的计算重聚焦、目标深度信息提取、采样特性数值模拟及光场相机组装调试提供技术基础。

Description

聚焦型光场相机的F数匹配方法

技术领域

本发明属于计算光学成像技术领域，具体涉及一种聚焦型光场相机的F数匹配方法。

背景技术

传统光场相机由Ren与2005年最早提出，它是在主镜头和探测器之间放置了一个微透镜阵列，其中探测器刚好处在微透镜阵列的焦平面上，但这种相机的空间分辨率较低。目前关于光场相机的研究正在繁荣开展，在图像数字重聚焦、合成孔径成像、光场显微成像、物体三维外形重建、目标深度估计、火焰三维温度场测量、三维流场PIV测量等领域开始有些应用。Lumsdaine在传统光场相机的基础上提出了聚焦型光场相机的设计，探测器平面不再处于微透镜阵列的焦平面上，降低了传统光场相机的方向分辨率，而提高了其空间分辨率，目前关于聚焦型光场相机的研究还不多见。

由于微透镜阵列的存在，会导致主透镜光瞳的分割，在探测器平面上形成若干子孔径图像，这些图像对应了方向信息。每个微透镜后覆盖的像素数与主透镜光阑直径存在一个匹配关系，若主透镜光阑直径过大则导致微透镜后覆盖的像素重叠，从而丧失光场相机的方向分辨特征；若主透镜光阑直径过小则导致微透镜后覆盖的像素数太少，很多像素接收不到光线，造成探测器像素的大量浪费。为了最大限度的利用探测器像素，让每个微透镜覆盖像素范围刚好相切，即F数匹配。

关于传统光场相机的F数匹配问题，由于光学结构相对简单，F数匹配问题已经得到很好的解决。聚焦型光场相机的光场分布复杂，其F数匹配的研究没有达成共识，很多学者任然采用传统光场相机的F数匹配方法，然后通过在所计算得到的主透镜光阑直径上乘以一个经验系数来确定。本发明提出一种聚焦型光场相机的F数匹配方法，摒弃目前采用的经验方法，根据聚焦型光场相机结构特点，通过几何光学的方法分析出聚焦型光场相机的几个重要几何参数之间所满足的匹配的关系，导出满足F数匹配时主镜头光阑直径与相机其它几何参数的直接关系。

发明内容

本发明摒弃目前聚焦型光场相机F数匹配的经验方法，根据聚焦型光场相机的结构特点，通过几何光学的方法分析出聚焦型光场相机的几个重要几何参数之间所满足的匹配的关系，导出满足F数匹配时主镜头光阑直径与相机其它几何参数的直接关系。

为实现上述的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：

一种聚焦型光场相机的F数匹配方法，根据聚焦型光场相机的结构特点，通过几何光学的方法，分析出聚焦型光场相机的各重要几何参数之间所满足的匹配的关系，导出满足F数匹配时，主镜头光阑直径D与聚焦型光场相机其它几何参数的直接关系；其中，在进行聚焦型光场相机的几何光学分析时，所涉及的重要几何参数包括：工作距离L、主透镜的焦距F、微透镜的焦距f、微透镜直径d、微透镜的个数N_m×N_n、探测器像素数N_i×N_j、探测器的像素大小Δ、微透镜平面和探测器平面的距离L_mc；对于给定的聚焦型光场相机，上述的重要几何参数为已知参数。

作为本发明的进一步改进，通过判断微透镜平面和探测器平面的距离L_mc与微透镜的焦距f之间的关系，得到虚拟像平面相对于主透镜、微透镜平面的位置，进而得到虚拟像平面处于不同位置时，主镜头光阑直径D与聚焦型光场相机其它几何参数的直接关系，具体是：

当L_mc＞f时：

L_mM＝L_mi+L_Mi

当L_mc＜f时：

L_mM＝L_Mi-L_mi

式中：L_mM为主透镜平面和微透镜平面之间的距离；L_mi为微透镜平面和虚拟像平面之间的距离，

L_Mi为主透镜平面和虚拟像平面之间的距离，

l_i为每个微透镜对应虚拟像平面的边长、d为微透镜直径。

本发明的另一技术目的是提供另一种聚焦型光场相机的F数匹配方法，该方法的具体步骤为：

步骤一：根据聚焦型光场相机的工作距离L和主透镜的焦距F，利用高斯成像公式可以求得主透镜平面和虚拟像平面之间的距离L_Mi：

步骤二：根据微透镜平面和探测器平面的距离L_mc和微透镜的焦距f，利用高斯成像公式可以求得微透镜平面和虚拟像平面之间的距离L_mi。

步骤三：根据微透镜的个数N_m×N_n和探测器像素数N_i×N_j，确定每个微透镜后覆盖的像素数N×N：

步骤四：根据每个微透镜后覆盖的像素数N×N和探测器的像素大小Δ，确定每个微透镜后覆盖的像素面积l_m×l_m：

l_m×l_m＝NΔ×NΔ (4)

步骤五：根据微透镜平面和虚拟像平面之间的距离L_mi、微透镜平面和探测器平面的距离L_mc和每个微透镜后覆盖的像素面积l_m×l_m，确定每个微透镜对应的虚拟像平面的面积l_i×l_i：

步骤六：判断微透镜平面和探测器平面的距离L_mc与微透镜焦距之间的关系，若L_mc＞f，则虚拟像平面应处于主透镜和微透镜平面之间；若L_mc＜f，则虚拟像平面应处于探测器平面后方；

步骤七：当L_mc＞f时，主透镜平面和微透镜平面之间的距离L_mM可由下式求得：

L_mM＝L_mi+L_Mi (6)

根据几何光学的原理，主透镜光阑直径D、每个微透镜对应虚拟像平面的边长l_i、微透镜直径d、微透镜平面和虚拟像平面之间的距离L_mi和主透镜平面和微透镜平面之间的距离L_mM应满足以下关系：

进一步得到主透镜光阑直径D与聚焦型光场相机其他参数之间的关系：

当L_mc＜f时，主透镜平面和微透镜平面之间的距离L_mM可由下式求得：

L_mM＝L_Mi-L_mi (9)

根据几何光学的原理，主透镜光阑直径D、每个微透镜对应虚拟像平面的边长l_i、微透镜直径d、微透镜平面和虚拟像平面之间的距离L_mi和主透镜平面和微透镜平面之间的距离L_mM应满足以下关系：

进一步得到主透镜光阑直径D与聚焦型光场相机其他参数之间的关系：

有益效果：它抛弃现有聚焦型光场相机主透镜光阑直径通过传统光场相机F数匹配法则计算再乘以经验系数的方法，从理论推导上得出聚焦型光场相机主透镜光阑直径与相机其它几何参数之间的直接关系，相比较传统方法本发明所提供方法得到的结果稳定、可靠，它可为聚焦型光场相机的计算重聚焦、目标深度信息提取、采样特性数值模拟及光场相机组装调试提供技术基础。

附图说明

图1是微透镜和探测器距离大于微透镜焦距时聚焦型光场相机F数匹配示意图。

图2是微透镜和探测器距离小于微透镜焦距时聚焦型光场相机F数匹配示意图。

图3是F数匹配时聚焦型光场相机所得白图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改落于本申请所附权利要求所限定的范围。

对于给定对象的聚焦型光场相机，一般工作距离L、主透镜的焦距F、微透镜的焦距f、微透镜直径d、微透镜的个数N_m×N_n、探测器像素数N_i×N_j、探测器的像素大小Δ、微透镜平面和探测器平面的距离L_mc为已知参数。

实施例1

假设某聚焦型光场相机的几何参数和光学参数如下：工作距离L＝1m、主透镜的焦距F＝50mm、微透镜的焦距f＝400μm、微透镜直径d＝114μm、微透镜的个数N_m×N_n＝8×8、探测器像素数N_i×N_j＝128×128、探测器的像素大小Δ＝7.4μm、微透镜平面和探测器平面的距离L_mc为440μm。

一种聚焦型光场相机的F数匹配方法，该方法的具体步骤为：

步骤一：根据聚焦型光场相机的工作距离L和主透镜的焦距F，利用高斯成像公式可以求得主透镜平面和虚拟像平面之间的距离L_Mi。

步骤二：根据微透镜平面和探测器平面的距离L_mc和微透镜的焦距f，利用高斯成像公式可以求得微透镜平面和虚拟像平面之间的距离L_mi。

步骤三：根据微透镜的个数N_m×N_n和探测器像素数N_i×N_j，确定每个微透镜后覆盖的像素数N×N。

步骤四：根据每个微透镜后覆盖的像素数N×N和探测器的像素大小Δ，确定每个微透镜后覆盖的像素面积l_m×l_m。

l_m×l_m＝NΔ×NΔ＝118.4μm×118.4μm (4)

步骤五：根据微透镜平面和虚拟像平面之间的距离L_mi、微透镜平面和探测器平面的距离L_mc和每个微透镜后覆盖的像素面积l_m×l_m，确定每个微透镜对应的虚拟像平面的面积l_i×l_i。

步骤六：判断微透镜平面和探测器平面的距离L_mc与微透镜焦距之间的关系，L_mc＞f，则虚拟像平面应处于主透镜和微透镜平面之间，如附图1所示，执行步骤七。

步骤七：主透镜平面和微透镜平面之间的距离L_mM可由下式求得：

L_mM＝L_mi+L_Mi＝57mm (6)

根据几何光学的原理，主透镜光阑直径D、每个微透镜对应虚拟像平面的边长l_i、微透镜直径d、微透镜平面和虚拟像平面之间的距离L_mi和主透镜平面和微透镜平面之间的距离L_mM应满足一下关系：

进一步可以得到主透镜光阑直径D与聚焦型光场相机其他参数之间的关系：

该光场相机在以上光学参数和几何参数下的白图像如附图3所示。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处仅在于，改变了微透镜平面和探测器平面的距离L_mc，使得微透镜平面和探测器平面的距离L_mc＝360μm。则在匹配该聚焦型光场相机的F数时，步骤一至五均与实施例1相同，不同之处在于，在进行步骤六中，判断微透镜平面和探测器平面的距离L_mc与微透镜焦距之间的关系时，本实施例中，L_mc＜f，则主透镜平面和微透镜平面之间的距离L_mM可由下式求得：

L_mM＝L_Mi-L_mi＝48.2mm (9)

根据几何光学的原理，主透镜光阑直径D、每个微透镜对应虚拟像平面的边长l_i、微透镜直径d、微透镜平面和虚拟像平面之间的距离L_mi和主透镜平面和微透镜平面之间的距离L_mM应满足一下关系：

进一步可以得到主透镜光阑直径D与聚焦型光场相机其他参数之间的关系：

Claims (2)

1.一种聚焦型光场相机的F数匹配方法，其特征在于，根据聚焦型光场相机的结构特点，通过几何光学的方法，分析出聚焦型光场相机的各重要几何参数之间所满足的匹配的关系，导出满足F数匹配时，主镜头光阑直径D与聚焦型光场相机其它几何参数的直接关系；其中，在进行聚焦型光场相机的几何光学分析时，所涉及的重要几何参数包括：工作距离L、主透镜的焦距F、微透镜的焦距f、微透镜直径d、微透镜的个数N_m×N_n、探测器像素数N_i×N_j、探测器的像素大小Δ、微透镜平面和探测器平面的距离L_mc；对于给定的聚焦型光场相机，上述的重要几何参数为已知参数；

在进行几何光学的方法时，通过判断微透镜平面和探测器平面的距离L_mc与微透镜的焦与微透镜的焦距f之间的关系，得到虚拟像平面相对于主透镜、微透镜平面的位置，进而得到虚拟像平面处于不同位置时，主镜头光阑直径D与聚焦型光场相机其它几何参数的直接关系，具体是：

当L_mc＞f时：

L_mM＝L_mi+L_Mi

当L_mc＜f时：

L_mM＝L_Mi-L_mi

式中：L_mM为主透镜平面和微透镜平面之间的距离；L_mi为微透镜平面和虚拟像平面之间的距离，

L_Mi为主透镜平面和虚拟像平面之间的距离，

l_i为每个微透镜对应虚拟像平面的边长、d为微透镜直径。

2.一种聚焦型光场相机的F数匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据聚焦型光场相机的工作距离L和主透镜的焦距F，利用高斯成像公式求得主透镜平面和虚拟像平面之间的距离L_Mi：

步骤二：根据微透镜平面和探测器平面的距离L_mc和微透镜的焦距f，利用高斯成像公式可以求得微透镜平面和虚拟像平面之间的距离L_mi：

步骤三：根据微透镜的个数N_m×N_n和探测器像素数N_i×N_j，确定每个微透镜后覆盖的像素数N×N：

步骤四：根据每个微透镜后覆盖的像素数N×N和探测器的像素大小Δ，确定每个微透镜后覆盖的像素面积l_m×l_m：

l_m×l_m＝NΔ×NΔ (4)

步骤五：根据微透镜平面和虚拟像平面之间的距离L_mi、微透镜平面和探测器平面的距离L_mc和每个微透镜后覆盖的像素面积l_m×l_m，确定每个微透镜对应的虚拟像平面的面积l_i×l_i：

步骤六：判断微透镜平面和探测器平面的距离L_mc与微透镜焦距之间的关系，若L_mc＞f，则虚拟像平面应处于主透镜和微透镜平面之间；若L_mc＜f，则虚拟像平面应处于探测器平面后方；

步骤七：当L_mc＞f时，主透镜平面和微透镜平面之间的距离L_mM可由下式求得：

L_mM＝L_mi+L_Mi (6)

根据几何光学的原理，主透镜光阑直径D、每个微透镜对应虚拟像平面的边长l_i、微透镜直径d、微透镜平面和虚拟像平面之间的距离L_mi和主透镜平面和微透镜平面之间的距离L_mM应满足以下关系：

进一步得到主透镜光阑直径D与聚焦型光场相机其他参数之间的关系：

当L_mc＜f时，主透镜平面和微透镜平面之间的距离L_mM可由下式求得：

L_mM＝L_Mi-L_mi (9)

根据几何光学的原理，主透镜光阑直径D、每个微透镜对应虚拟像平面的边长l_i、微透镜直径d、微透镜平面和虚拟像平面之间的距离L_mi和主透镜平面和微透镜平面之间的距离L_mM应满足以下关系：

进一步得到主透镜光阑直径D与聚焦型光场相机其他参数之间的关系：

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