CN108051907A - 一种离轴光场成像系统 - Google Patents

Abstract

一种离轴光场成像系统，所述离轴光场成像系统沿成像光路依次包括离轴反射子系统、微反射镜阵列和感光器件；所述离轴反射子系统包括至少一个包含反射曲面的光学器件和与包含反射曲面的所述光学器件配合的至少一个调节机构，所述成像光路通过包含反射曲面的所述光学器件，所述至少一个调节机构配置于调节包含反射曲面的所述光学器件。

Description

一种离轴光场成像系统

技术领域

本申请涉及光学领域，尤其涉及一种离轴光场成像系统。

背景技术

光场(light field)的定义，最早可以追溯到1846年法拉第给出的定义，就是指光在每一个方向通过每一个点的光量，用一个七维函数来表示，P(Vx,Vy,Vz,θ,λ,t)。基于这个定义，后来的科学家为我们简化成了5维全光学理论(The 5D plenoptic function)，用函数P(Vx,Vy,Vz,θ,)表示，然而五维函数仍然难以重构，最终再次简化为四维光场理论，用函数P(u,v,x,y)表示，而我们今天看到的全光场照相机就是基于这一理论的研究成果而来的。这种技术被引用在相机当中，带来了相机技术的革命。

现有技术中已记载光场成像系统，如美国专利申请文件US 7,949,252B1，其公开了一种光场成像系统，光纤通过一个或者多个透镜(main lens 104)后进入微透镜矩阵(microlens 106)在感光件(Photosensor 108)上成像。以上述专利为代表的现有光场成像系统存在如下技术缺陷：

1.光学畸变较大，光学透镜由于受到其结构的影响，会有不同程度的畸变。

2.色散，由于不同波长的光在同样介质中的折射率不同，因此会导致色散问题。

3.二级光谱，对于长焦距镜头来说，焦距较长，二级光谱色差很大，照片的清晰度和分辨率会降低。

4.能量损失，由于光线穿过不同介质后，能量会有所损失，最终的成像质量会降低。

5.制备复杂，为了规避部分问题，光学镜头普遍有多片透镜组成，因此制备工艺复杂。

6.成本高，由于光学透镜的微小误差会导致成像质量的下降，目前的光学透镜的成本都普遍较高。

因此，现有技术需要一种有效地克服上述光场成像系统中的缺陷的技术。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提出了一种离轴光场成像系统，所述离轴光场成像系统沿成像光路依次包括离轴反射子系统、微反射镜阵列和感光器件；

所述离轴反射子系统包括至少一个包含反射曲面的光学器件和与包含反射曲面的所述光学器件配合的至少一个调节机构，所述成像光路通过包含反射曲面的所述光学器件，所述至少一个调节机构配置于调节包含反射曲面的所述光学器件。

优选地，所述至少一个调节机构配置于调节包含反射曲面的所述光学器件，具体为：

所述调节机构适于调节所述光学器件的位置、角度和曲率中的至少一种。

优选地，离轴光场成像系统还包括：

支撑结构，所述离轴反射子系统、所述微反射镜阵列和所述感光器件设置于所述支撑结构上。

优选地，所述支撑结构包括大体平行的第一支撑面和第二支撑面，所述离轴反射子系统包括多个包含反射曲面的光学器件，多个包含反射曲面的所述光学器件沿成像光路依次设置在第一支撑面和第二支撑面上。

优选地，所述第一支撑面和所述第二支撑面具有圆形横截面，所述光学器件的反射曲面关于所述圆形横截面的圆心对称。

优选地，离轴光场成像系统还包括：

信号处理子系统，所述信号处理子系统适于将采集的光学信号转换为数字信号。

本申请的成像系统具有以下优点：

1.光学畸变小，反射式成像系统，没有透射式光学镜片造成的球差、畸变等问题。

2.无色散，反射式成像，没有透镜，则不会带来色散问题。

3.无二级光谱，不同波长的光具有相同的入射和反射角，不存在二级光谱，多光谱成像时可用的波长范围很广。

4.能量损失低，光线从表面反射，不会由不同的镜面过滤，因此能量损失很低。

5.制备简单，只需考虑成像范围问题，部件可以做的很少，制备简单。

6.成本低，工艺简单，取材容易，因此制备成本很低。

7.尺寸压缩，通过反射式折叠光路，可以在更小的尺寸实现更大范围更复杂的光路。

8.可移动和旋转式的独立部件，可以根据需求灵活制定采集方案，满足对于不同应用场景对不同维度信息需求粒度不同的问题，很好的平衡了场景切换问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请的离轴光场成像系统组成示意图。

图中包括：包括离轴光学器件组1001、1002，微反射镜阵列1003，可调节机构2001、2002、2003、2004，感光器件3001，及支撑结构4001。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其他任何类似的描述意在涵盖非排他行的包含，从而使得包括一系列的过程、方法、物品或者设备不仅仅包括这些要素，而且包括没有明确列出的其他要素，或者还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”等限定的要素，并不排除在包括所述要素外，还包括另外的相同要素。

如图1所示，本申请提出了一种离轴光场成像系统，所述离轴光场成像系统沿成像光路依次包括离轴反射子系统、微反射镜阵列1003和感光器件3001。

具体地，所述离轴反射子系统包括具有反射曲面的光学器件1001、1002，与包含反射曲面的所述光学器件1001、1002配合的调节机构2001、2003，所述成像光路通过包含反射曲面的所述光学器件1001、1002，所述调节机构2001、2003配置于调节包含反射曲面的所述光学器件。

通过离轴光学器件1001、1002和所述调节机构2001、2003的配合形成了一组反射式自由曲面光学器件组合。成像光线经光学器件1001的曲面反射至光学器件1002的曲面，光线进一步地被反射到微反射镜阵列1003上，经过微反射镜阵列1003到达感光器件3001上形成图像信息。本系统中的离轴光学器件组，是指由多个在空间中分布的光学部件，这些光学部件不在光轴分布，而是在光轴以外的部分分布，通过多个表面反射入射的光线，实现最终的成像。本系统中采用可调节式支撑结构，用来支撑独立的光学部件，使之能够进行位置和角度的调节，从而调节采集的范围和视角，达到特殊数据采集的用途。

所述调节机构2001、2003配置于调节包含反射曲面的所述光学器件的位置、角度或曲率中的至少一种。例如，在一个没有展示的实施方式中，所述调节机构2001、2003包括丝杠调节机构以使得光学器件1001、1002能够相对于调节机构2001、2003沿反射曲面地移动，在另一个没有展示的实施方式中，所述调节机构2001、2003包括能够带动所述光学器件1001、1002上下移动的结构，举例来说，伸缩机构。离轴光学器件组1001、1002、以及微反射镜阵列1003，均为反射式自由曲面光学器件，通过调整1001、1002、微反射镜阵列1003的位置、角度和曲率，可以对光学数据采集的景深和范围等进行调节，适应不同的应用场景。其中1003是微曲面结构，通过微曲面结构和光学采集及处理系统3001的配合计算，可以得出采集的光场矩阵。

离轴光场成像系统还包括：支撑结构4001，所述离轴反射子系统、所述微反射镜阵列1003和所述感光器件3001设置于所述支撑结构上。

所述支撑结构包括大体平行的第一支撑面和第二支撑面，所述离轴反射子系统包括多个包含反射曲面的光学器件，多个包含反射曲面的所述光学器件沿成像光路依次设置在第一支撑面和第二支撑面上。如图1所示，光学器件1001和微反射镜阵列1003安装在第一支撑面上，光学器件1002和所述感光器件3001安装在第二支撑面上。

在一个没有具体展示的实施方式中，所述第一支撑面和所述第二支撑面具有圆形横截面，所述光学器件的反射曲面关于所述圆形横截面的圆心对称。所述第一支撑面和所述第二支撑面共同组成360度环形结构，从而该系统能够采集更大范围内的光场信息。

在一个没有具体展示的实施方式中，离轴光场成像系统还包括：信号处理子系统，所述信号处理子系统适于将采集的光学信号转换为数字信号。信号处理子系统包括光学传感器和后处理单元，其中光学传感器是CCD、CMOS或其他类似的光学传感器，能够将微型透镜所成的影像，转化成点数字信号，并对影像进行计算、转换、压缩等后期处理。光学系统针对不同应用场景可以采集包括但不限于可见光、红外、紫外、X光、太赫兹、毫米波等多光谱的数据，对整体结构没有影响。

系统中的离轴光学器件、以及微反射镜结构，根据使用需求，可以是凸面，也可以是凹面，或者是其他特定结构的自由曲面。

通过本实施方式提出的成像系统，能够克服现有技术中存在的大量缺陷，本实施方式的优点举例来说包括，光学畸变小，反射式成像系统，没有透射式光学镜片造成的球差、畸变等问题；无色散，反射式成像，没有透镜，则不会带来色散问题；无二级光谱，不同波长的光具有相同的入射和反射角，不存在二级光谱，多光谱成像时可用的波长范围很广；能量损失低，光线从表面反射，不会由不同的镜面过滤，因此能量损失很低；制备简单，只需考虑成像范围问题，部件可以做的很少，制备简单；成本低，工艺简单，取材容易，因此制备成本很低；尺寸压缩，通过反射式折叠光路，可以在更小的尺寸实现更大范围更复杂的光路；可移动和旋转式的独立部件，可以根据需求灵活制定采集方案，满足对于不同应用场景对不同维度信息需求粒度不同的问题，很好的平衡了场景切换问题。

说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种离轴光场成像系统，其特征在于：所述离轴光场成像系统沿成像光路依次包括离轴反射子系统、微反射镜阵列和感光器件；

所述离轴反射子系统包括至少一个包含反射曲面的光学器件和与包含反射曲面的所述光学器件配合的至少一个调节机构，所述成像光路通过包含反射曲面的所述光学器件，所述至少一个调节机构配置于调节包含反射曲面的所述光学器件。

2.根据权利要求1所述的离轴光场成像系统，其特征在于，所述至少一个调节机构配置于调节包含反射曲面的所述光学器件，具体为：

所述调节机构适于调节所述光学器件的位置、角度和曲率中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的离轴光场成像系统，其特征在于，还包括：

支撑结构，所述离轴反射子系统、所述微反射镜阵列和所述感光器件设置于所述支撑结构上。

4.根据权利要求3所述的离轴光场成像系统，其特征在于，

所述支撑结构包括大体平行的第一支撑面和第二支撑面，所述离轴反射子系统包括多个包含反射曲面的光学器件，多个包含反射曲面的所述光学器件沿成像光路依次设置在第一支撑面和第二支撑面上。

5.根据权利要求4所述的离轴光场成像系统，其特征在于，

所述第一支撑面和所述第二支撑面具有大体上呈圆形的横截面，所述光学器件的反射曲面关于所述圆形横截面的圆心对称。

6.根据权利要求1所述的离轴光场成像系统，其特征在于，还包括：

信号处理子系统，所述信号处理子系统适于将采集的光学信号转换为数字信号。