CN107741644A - 一种用于不同视角成像的成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于不同视角成像的成像装置，包括用于成像的透镜系统，以及与所述透镜系统位于同一光路上的微棱镜组件；所述微棱镜组件包括基板以及设置在所述基板上的至少一个第一微棱镜阵列；所述基板与所述第一微棱镜阵列的折射率相同；所述第一微棱镜阵列，设置在所述基板的一侧，用于对入射光线按照波长进行不同程度的偏转。本发明提供的用于从不同视角成像的成像装置，成像时，只要保证透镜系统与微棱镜组件位于同一光路上，在光路的末端即可形成不同角度的图像。利用本发明可以方便、快捷地从不同角度成像，而且装置的体积小，结构简单，成本低，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及三维光场拍摄技术领域，特别涉及一种用于不同视角成像的成像装置。
背景技术
近年来，三维成像与显示技术受到越来越多的关注。由于具有完整的视差，连续的视点、无需任何观察眼镜和特殊光照，基于微镜头阵列的集成成像脱颖而出，逐渐发展成为最具潜力和前景的自动立体显示技术。微棱镜阵列就是实现三维光场采集的一种重要的微光学元件，利用微棱镜阵列成像，形成多种新功能，实现从不同的观察视角成像。
传统的光场采集方法有放置在平面上的相机阵列，它可以从不同的观察视角成像，该设备对同一场景中的目标物体，通过采用多个相机从不同的角度同时拍摄场景中目标物体的多个图像，来捕捉不同视角的图像。但是，这种类型的装置体积很大，并且难以操作。光场相机通过在普通相机镜头(主镜头)的焦距处添加微透镜阵列来记录光线，实现从不同的观察视角成像。微透镜阵列通过记录每个微透镜元对应相同位置不同角度的场景图像的光线来获取不同视角的图像。
现有的微透镜阵列生产周期长，制作成本大，而且光场相机的空间分辨率不足。时间复用技术可以用来捕获不同视角的图像，该技术通过使用一个移动的相机在不同的时刻从不同的角度拍摄场景中目标物体的照片，但是只能应用于静态场景。另一种技术是使用光学掩模来保存角度信息，但是需要对捕获的数据进行后期处理，计算复杂。
因此，目前缺乏一种低成本、能方便快捷地在三维光场拍摄中实现从不同视角成像的装置。
发明内容
基于此，本发明提供了一种用于从不同视角成像的成像装置，该装置通过在成像光路中改变光线的传输路径，能够方便、快捷地从不同角度成像。其结构简单、体积小、制作成本低，易于操作和生产。
本发明提供的用于不同视角成像的成像装置，包括用于成像的透镜系统，以及与所述透镜系统位于同一光路上的微棱镜组件；
所述微棱镜组件包括基板以及设置在所述基板上的至少一个第一微棱镜阵列；
所述基板与所述第一微棱镜阵列的折射率相同；
所述第一微棱镜阵列，设置在所述基板的一侧，用于对入射光线按照波长进行不同程度的偏转；
成像时，所述微棱镜组件对经所述透镜系统形成的目标物体的像，按照波长进行不同程度的偏转后，在图像传感器上形成不同角度的图像；或者，所述微棱镜组件对目标物体的入射光线按照波长进行不同程度的偏转后，经所述透镜系统分别成像，在图像传感器上形成不同角度的图像。
作为一种可实施方式，用于不同视角成像的成像装置，还包括图像传感器；
所述图像传感器位于所述透镜系统和所述微棱镜组件所在光路的末端。
作为一种可实施方式，所述基板上设置有两个所述第一微棱镜阵列；
两个所述第一微棱镜阵列对称分布在所述基板的两侧。
作为一种可实施方式，所述第一微棱镜阵列中的微棱镜的投影为多边形。
作为一种可实施方式，所述第一微棱镜阵列中的微棱镜的投影为正方形。
作为一种可实施方式，所述基板与所述第一微棱镜阵列的大小一致，所述基板的厚度为1mm至2mm。
作为一种可实施方式，所述微棱镜组件还包括第二微棱镜阵列；
所述第二微棱镜阵列与所述第一微棱镜阵列的折射率不同；
所述第二微棱镜阵列与所述第一微棱镜阵列结合，形成一个复合棱镜。
作为一种可实施方式，所述基板有两个，一个所述基板与所述第一微棱镜阵列连接，另一个所述基板与所述第二微棱镜阵列连接。
作为一种可实施方式，所述透镜系统为双高斯结构。
本发明相比于现有技术的有益效果在于：
本发明提供的用于从不同视角成像的成像装置，成像时，只要保证透镜系统与微棱镜组件位于同一光路上，并在光路的末端设置一图像传感器即可。微棱镜组件可设置在透镜系统之后，微棱镜组件对经透镜系统形成的目标物体的像，按照波长进行不同程度的偏转后，在图像传感器上形成不同角度的图像。微棱镜组件也可设置在透镜系统之前，微棱镜组件对目标物体的入射光线按照波长进行不同程度的偏转后，经透镜系统分别成像，在图像传感器上形成不同角度的图像。本发明通过将微棱镜组件放置在成像光路中以改变光线的传输路径，方便、快捷地从不同角度成像，而且体积小，结构简单，成本低，易于实现。
附图说明
图1为本发明提供的用于不同视角成像的成像装置中的微棱镜组件的一结构示意图；
图2为图1中所示的微棱镜组件的另一结构示意图；
图3为本发明提供的用于不同视角成像的成像装置中的微棱镜组件的另一结构示意图；
图4为本发明提供的用于不同视角成像的成像装置中的微棱镜组件的又一结构示意图；
图5为本发明实施例一提供的用于不同视角成像的成像装置的结构示意图；
图6为本发明实施例二提供的用于不同视角成像的成像装置的结构示意图；
图7为本发明实施例三提供的用于不同视角成像的成像装置的结构示意图；
图8为本发明实施例四提供的用于不同视角成像的成像装置的结构示意图；
图9为本发明实施例五提供的用于不同视角成像的成像装置的结构示意图；
图10为本发明实施例六提供的用于不同视角成像的成像装置的结构示意图；
图11为本发明实施例七提供的用于不同视角成像的成像装置的结构示意图；
图12为本发明实施例八提供的用于不同视角成像的成像装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。
本发明提供了一种用于不同视角成像的成像装置，包括用于成像的透镜系统以及与透镜系统位于同一光路上的微棱镜组件。如图1和图2所示，微棱镜组件包括基板01以及设置在基板01上的至少一个第一微棱镜阵列02，基板01与第一微棱镜阵列02的折射率相同。第一微棱镜阵列02设置在基板01的一侧，用于对入射光线按照波长进行不同程度的偏转。
成像时，只要保证透镜系统与微棱镜组件位于同一光路上，并在光路的末端设置一图像传感器即可。微棱镜组件可设置在透镜系统之后，微棱镜组件对经透镜系统形成的目标物体的像，按照波长进行不同程度的偏转后，在图像传感器上形成不同角度的图像。微棱镜组件也可设置在透镜系统之前，微棱镜组件对目标物体的入射光线按照波长进行不同程度的偏转后，经透镜系统分别成像，在图像传感器上形成不同角度的图像。本发明通过将微棱镜组件放置在成像光路中以改变光线的传输路径，方便、快捷地从不同角度成像。透镜系统可采用对称结构的透镜组实现(例如双高斯结构)，体积小，结构简单，成本低，易于实现。
具体地，如图2所示，第一微棱镜阵列02中包含了多个均与分布的微棱镜，微棱镜表面为平整的矩形形状，垂直于光轴方向正交轴上的边长取决于显示源子图的大小。上述微棱镜表面也可以为平整的菱形或正六边形或其他多边形等形状，相对应的微棱镜的投影依次为菱形、正六边形或其他多边形。
基板01与第一微棱镜阵列02的大小一致，基板01的厚度可以为1mm、2mm或者1mm至2mm之间的任一值。
进一步地，作为一种可实施方式，如图3所示，基板01上还可以设置两个第一微棱镜阵列02，两个第一微棱镜阵列02对称分布在基板01的两侧。
更进一步地，参见图4，微棱镜组件在第一微棱镜阵列02的基础上还可以包括第二微棱镜阵列03，第二微棱镜阵列03作为补充的微棱镜阵列，与第一微棱镜阵列02的折射率不同。第二微棱镜阵列03中的微棱镜的表面形状与第一微棱镜阵列03中的微棱镜表面形状保持一致。第二微棱镜阵列03与第一微棱镜阵列02结合，形成一个复合棱镜。对应地，基板01也可以有两个，一个与第一微棱镜阵列02连接，另一个与第二微棱镜阵列03连接。
下面参见附图5至附图12，具体列举8个具体的实施例，对本发明进行充分的说明。附图中的箭头代表光信号传输方向，并不指代实际的光路。
实施例一
微棱镜组件位于透镜系统后，微棱镜组件中的基板位于第一微棱镜阵列前。
参见图5，在目标物体100之后放置透镜系统200，透镜系统200为普通光学透镜或普通光学透镜组，在透镜系统200之后放置微棱镜组件300，光路末端放置图像传感器400。
目标物体100首先经过透镜系统200成一个完整的像，之后经过微棱镜组件300，之前经透镜系统200成的完整的像按波长发生不同程度的偏转，最终在图像传感器400上形成不同角度的图像。
由于棱镜的色散效应，成像装置中会出现色差(Chromatic aberration)。色差分为轴向色差(位置色差)和倍率色差(垂轴色差)。此实施例中，目标物体100经过透镜系统200形成的完整的像，进而通过微棱镜组件300按波长不同程度进行偏转，偏转程度受光学系统中微棱镜组件300的位置所影响。微棱镜组件300越接近图像传感器400，成像的偏转程度越小。所成像主要存在倍率色差、彗差、像散等，其中倍率色差由图像偏转后的传播距离决定。对称结构可以有效地校正倍率色差和彗差，所以透镜系统200采用对称结构的透镜组，例如双高斯对称结构。双高斯对称结构，可校正垂轴像差：慧差、畸变、倍率色差(垂轴色差)，每一半又可以校正轴向像差：球差，像散，场曲，轴向色差(位置色差)。此外，采用异常/超低色散的光学玻璃可以有效校正倍率色差。此实施例中，整个光学系统一起进行优化，合理控制图像偏转后的传播距离，实现所有像差的有效校正。如果校正后的光学系统仍有色散影响，可以在系统中添加掩模补偿色散。
实施例二
微棱镜组件位于透镜系统后，微棱镜组件中的基板位于第一微棱镜阵列后。
参见图6，在目标物体100之后放置透镜系统200，透镜系统200为普通光学透镜或普通光学透镜组，在透镜系统200之后放置微棱镜组件300，光路末端放置图像传感器400。
目标物体100首先经过透镜系统200成一个完整的像，之后经过微棱镜组件300，之前经透镜系统200成的完整的像按波长发生不同程度的偏转，最终在图像传感器400上形成不同角度的图像。
由于棱镜的色散效应，成像装置中会出现色差。色差分为轴向色差(位置色差)和倍率色差(垂轴色差)。此实施例中，目标物体100经过透镜系统200形成的完整的像，进而通过微棱镜组件300按波长不同程度进行偏转，偏转程度受光学系统中微棱镜组件300的位置所影响。微棱镜组件300越接近图像传感器400，成像的偏转程度越小。所成像主要存在倍率色差、彗差、像散等，其中倍率色差由图像偏转后的传播距离决定。对称结构可以有效地校正倍率色差和彗差，所以透镜系统200采用对称结构的透镜组，例如双高斯对称结构。双高斯对称结构，可校正垂轴像差：慧差、畸变、倍率色差(垂轴色差)，每一半又可以校正轴向像差：球差，像散，场曲，轴向色差(位置色差)。此外，采用异常/超低色散的光学玻璃可以有效校正倍率色差。此实施例中，整个光学系统一起进行优化，合理控制图像偏转后的传播距离，实现所有像差的有效校正。如果校正后的光学系统仍有色散影响，可以在系统中添加掩模补偿色散。
实施例三
微棱镜组件位于透镜系统前，微棱镜组件中的基板位于第一微棱镜阵列前。
参见图7，在目标物体100之后放置微棱镜组件300，之后放置透镜系统200，透镜系统200为普通光学透镜或普通光学透镜组，在透镜系统200之后放置图像传感器400。
目标物体100首先经过微棱镜组件300，光线发生偏折，不同波长的光的入射角不同，之后经过透镜系统200分别成像，最终在图像传感器400上形成不同角度的图像。
由于棱镜的色散效应，成像装置中会出现色差。色差分为轴向色差(位置色差)和倍率色差(垂轴色差)。此实施例中，目标物体100经过微棱镜组件300，光线发生偏折，不同波长的光的入射角不同，之后经过透镜系统200分别成像。单波长像质较好，但存在较大的垂轴色差。透镜系统200采用一个较好的镜头以减小系统中像差的影响，例如双高斯对称结构。双高斯对称结构，可校正垂轴像差：慧差、畸变、倍率色差(垂轴色差)，每一半又可以校正轴向像差：球差，像散，场曲，轴向色差(位置色差)。此外，采用异常/超低色散的光学玻璃可以有效校正倍率色差。此实施例中，整个光学系统一起进行优化，实现所有像差的有效校正。如果校正后的光学系统仍有色散影响，可以在系统中添加掩模补偿色散。
实施例四
微棱镜组件位于透镜系统前，微棱镜组件中的基板位于第一微棱镜阵列后。
参见图8，在目标物体100之后放置微棱镜组件300，之后放置透镜系统200，透镜系统200为普通光学透镜或普通光学透镜组，在透镜系统200之后放置图像传感器400。
目标物体100首先经过微棱镜组件300，光线发生偏折，不同波长的光的入射角不同，之后经过透镜系统200分别成像，最终在图像传感器400上形成不同角度的图像。
由于棱镜的色散效应，成像装置中会出现色差。色差分为轴向色差(位置色差)和倍率色差(垂轴色差)。此实施例中，目标物体100经过微棱镜组件300，光线发生偏折，不同波长的光的入射角不同，之后经过透镜系统200分别成像。单波长像质较好，但存在较大的垂轴色差。透镜系统200采用一个较好的镜头以减小系统中像差的影响，例如双高斯对称结构。双高斯对称结构，可校正垂轴像差：慧差、畸变、倍率色差(垂轴色差)，每一半又可以校正轴向像差：球差，像散，场曲，轴向色差(位置色差)。此外，采用异常/超低色散的光学玻璃可以有效校正倍率色差。此实施例中，整个光学系统一起进行优化，实现所有像差的有效校正。如果校正后的光学系统仍有色散影响，可以在系统中添加掩模补偿色散。
实施例五
微棱镜组件位于透镜系统后，微棱镜组件中的基板的两侧对称分布两个微棱镜阵列。
参见图9，在目标物体100之后放置透镜系统200，透镜系统200为普通光学透镜或普通光学透镜组，在透镜系统200之后放置微棱镜组件300，微棱镜组件300中有两个微棱镜阵列对称设置在基板两侧，光路末端放置图像传感器400。
目标物体100首先经过透镜系统200成一个完整的像，之后经过微棱镜组件300，之前经透镜系统200成的完整的像按波长发生不同程度的偏转，最终在图像传感器400上形成不同角度的图像。
由于棱镜的色散效应，成像装置中会出现色差(Chromatic aberration)。色差分为轴向色差(位置色差)和倍率色差(垂轴色差)。此实施例中，目标物体100经过透镜系统200形成的完整的像，进而通过微棱镜组件300按波长不同程度进行偏转，偏转程度受光学系统中微棱镜组件300的位置所影响。微棱镜组件300越接近图像传感器400，成像的偏转程度越小。所成像主要存在倍率色差、彗差、像散等，其中倍率色差由图像偏转后的传播距离决定。对称结构可以有效地校正倍率色差和彗差，所以透镜系统200采用对称结构的透镜组，例如双高斯对称结构。双高斯对称结构，可校正垂轴像差：慧差、畸变、倍率色差(垂轴色差)，每一半又可以校正轴向像差：球差，像散，场曲，轴向色差(位置色差)。此外，采用异常/超低色散的光学玻璃可以有效校正倍率色差。此实施例中，整个光学系统一起进行优化，合理控制图像偏转后的传播距离，实现所有像差的有效校正。如果校正后的光学系统仍有色散影响，可以在系统中添加掩模补偿色散。
实施例六
微棱镜组件位于透镜系统前，微棱镜组件中的基板的两侧对称分布两个微棱镜阵列。
参见图10，在目标物体100之后放置微棱镜组件300，微棱镜组件300中有两个微棱镜阵列对称设置在基板两侧，之后放置透镜系统200，透镜系统200为普通光学透镜或普通光学透镜组，在透镜系统200之后放置图像传感器400。
目标物体100首先经过微棱镜组件300，光线发生偏折，不同波长的光的入射角不同，之后经过透镜系统200分别成像，最终在图像传感器400上形成不同角度的图像。
由于棱镜的色散效应，成像装置中会出现色差。色差分为轴向色差(位置色差)和倍率色差(垂轴色差)。此实施例中，目标物体100经过微棱镜组件300，光线发生偏折，不同波长的光的入射角不同，之后经过透镜系统200分别成像。单波长像质较好，但存在较大的垂轴色差。透镜系统200采用一个较好的镜头以减小系统中像差的影响，例如双高斯对称结构。双高斯对称结构，可校正垂轴像差：慧差、畸变、倍率色差(垂轴色差)，每一半又可以校正轴向像差：球差，像散，场曲，轴向色差(位置色差)。此外，采用异常/超低色散的光学玻璃可以有效校正倍率色差。此实施例中，整个光学系统一起进行优化，实现所有像差的有效校正。如果校正后的光学系统仍有色散影响，可以在系统中添加掩模补偿色散。
实施例七
微棱镜组件位于透镜系统后，微棱镜组件为复合棱镜。
参见图11，在目标物体100之后放置透镜系统200，透镜系统200为普通光学透镜或普通光学透镜组，在透镜系统200之后放置微棱镜组件300，微棱镜组件300为复合棱镜，光路末端放置图像传感器400。
目标物体100首先经过透镜系统200成一个完整的像，之后经过微棱镜组件300，之前经透镜系统200成的完整的像按波长发生不同程度的偏转，最终在图像传感器400上形成不同角度的图像。
由于棱镜的色散效应，成像装置中会出现色差(Chromatic aberration)。色差分为轴向色差(位置色差)和倍率色差(垂轴色差)。此实施例中，目标物体100经过透镜系统200形成的完整的像，进而通过微棱镜组件300按波长不同程度进行偏转，偏转程度受光学系统中微棱镜组件300的位置所影响。微棱镜组件300越接近图像传感器400，成像的偏转程度越小。所成像主要存在倍率色差、彗差、像散等，其中倍率色差由图像偏转后的传播距离决定。对称结构可以有效地校正倍率色差和彗差，所以透镜系统200采用对称结构的透镜组，例如双高斯对称结构。双高斯对称结构，可校正垂轴像差：慧差、畸变、倍率色差(垂轴色差)，每一半又可以校正轴向像差：球差，像散，场曲，轴向色差(位置色差)。此外，采用异常/超低色散的光学玻璃可以有效校正倍率色差。此实施例中，整个光学系统一起进行优化，合理控制图像偏转后的传播距离，实现所有像差的有效校正。如果校正后的光学系统仍有色散影响，可以在系统中添加掩模补偿色散。
实施例八
微棱镜组件位于透镜系统前，微棱镜组为复合棱镜。
参见图12，在目标物体100之后放置微棱镜组件300，微棱镜组件300为复合棱镜，之后放置透镜系统200，透镜系统200为普通光学透镜或普通光学透镜组，在透镜系统200之后放置图像传感器400。
目标物体100首先经过微棱镜组件300，光线发生偏折，不同波长的光的入射角不同，之后经过透镜系统200分别成像，最终在图像传感器400上形成不同角度的图像。
由于棱镜的色散效应，成像装置中会出现色差。色差分为轴向色差(位置色差)和倍率色差(垂轴色差)。此实施例中，目标物体100经过微棱镜组件300，光线发生偏折，不同波长的光的入射角不同，之后经过透镜系统200分别成像。单波长像质较好，但存在较大的垂轴色差。透镜系统200采用一个较好的镜头以减小系统中像差的影响，例如双高斯对称结构。双高斯对称结构，可校正垂轴像差：慧差、畸变、倍率色差(垂轴色差)，每一半又可以校正轴向像差：球差，像散，场曲，轴向色差(位置色差)。此外，采用异常/超低色散的光学玻璃可以有效校正倍率色差。此实施例中，整个光学系统一起进行优化，实现所有像差的有效校正。如果校正后的光学系统仍有色散影响，可以在系统中添加掩模补偿色散。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于不同视角成像的成像装置，其特征在于，包括用于成像的透镜系统，以及与所述透镜系统位于同一光路上的微棱镜组件；
所述微棱镜组件包括基板以及设置在所述基板上的至少一个第一微棱镜阵列；
所述基板与所述第一微棱镜阵列的折射率相同；
所述第一微棱镜阵列，设置在所述基板的一侧，用于对入射光线按照波长进行不同程度的偏转；
成像时，所述微棱镜组件对经所述透镜系统形成的目标物体的像，按照波长进行不同程度的偏转后，在图像传感器上形成不同角度的图像；或者，所述微棱镜组件对目标物体的入射光线按照波长进行不同程度的偏转后，经所述透镜系统分别成像，在图像传感器上形成不同角度的图像。
2.根据权利要求1所述的用于不同视角成像的成像装置，其特征在于，还包括图像传感器；
所述图像传感器位于所述透镜系统和所述微棱镜组件所在光路的末端。
3.根据权利要求1或2所述的用于不同视角成像的成像装置，其特征在于，所述基板上设置有两个所述第一微棱镜阵列；
两个所述第一微棱镜阵列对称分布在所述基板的两侧。
4.根据权利要求1或2所述的用于不同视角成像的成像装置，其特征在于，所述第一微棱镜阵列中的微棱镜的投影为多边形。
5.根据权利要求4所述的用于不同视角成像的成像装置，其特征在于，所述第一微棱镜阵列中的微棱镜的投影为正方形。
6.根据权利要求1或2所述的用于不同视角成像的成像装置，其特征在于，所述基板与所述第一微棱镜阵列的大小一致，所述基板的厚度为1mm至2mm。
7.根据权利要求1或2所述的用于不同视角成像的成像装置，其特征在于，所述微棱镜组件还包括第二微棱镜阵列；
所述第二微棱镜阵列与所述第一微棱镜阵列的折射率不同；
所述第二微棱镜阵列与所述第一微棱镜阵列结合，形成一个复合棱镜。
8.根据权利要求7所述的用于不同视角成像的成像装置，其特征在于，所述基板有两个，一个所述基板与所述第一微棱镜阵列连接，另一个所述基板与所述第二微棱镜阵列连接。
9.根据权利要求1或2所述的用于不同视角成像的成像装置，其特征在于，所述透镜系统为双高斯结构。
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