CN108200312A - 一种光场相机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光场相机，包括：主镜头，用于对成像目标进行光线获取；微透镜阵列，用于提供经过主镜头的光线方向信息，置于主镜头焦平面处；成像单元组，每组成像单元包括一个用于对相机成像芯片像元尺寸进行缩放的光纤光锥和一个用于获取光线强度和方向信息的相机成像芯片；光纤光锥第一端与相机成像芯片耦合，各组光纤光锥的第二端拼接为一个光纤平面作为所述光场相机成像面；所述光纤平面与所述微透镜阵列和所述主镜头同轴，且置于所述微透镜阵列焦平面处。采用本发明能够扩大成像像元阵列，简化耦合难度，保留光场相机的角度分辨率同时提高了空间分辨率。

Description

一种光场相机

技术领域

本发明涉及图像摄取处理技术领域，特别涉及一种光场相机。

背景技术

在传统成像领域，传统相机只能记录场景中入射光束的投影位置信息，而不能记录其他维度的信息。而相比较于传统相机，光场相机能够获得更加丰富的光场信息。目前常见的光场相机的构成和实现策略上主要分为两种，一种是采用多个相机从不同角度对同一目标进行成像，从而得到不同角度下拍摄的一组视差图像；另一种主流方案是在传统相机的主镜头与成像芯片之间加入微透镜阵列对镜头主孔径进行分割，微透镜阵列中的每一个子透镜单元将主镜头所成的像重新投射在探测器上，通过一次拍摄即可获取多幅视差图像。

虽然两种方案均具有可行性，但是缺点也是非常明显对于方案一而言：

(1)需要多台相机设备并联同步触发，设备结构过于复杂，且体积庞大；

(2)由于相机阵列结构庞大对设备安装空间及安装环境有较高要求；

(3)设备成本过高，不利于市场化推广。

相较于方案一而言，方案二对设备进行了精简，实现了小型化，但劣势也很明显：

(1)微透镜阵列与像元耦合时，要求主镜头与成像芯片关于微透镜阵列严格共轭，但实际操作过程中配准难度较大，耦合效率低下；

(2)利用单个微透镜覆盖的像素来进行光线角度分析，虽然角度分辨率得到提高但降低了空间分辨率。

发明内容

有鉴于此，本发明的发明目的是：扩大成像像元阵列，简化耦合难度，保留光场相机的角度分辨率同时提高了空间分辨率。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明提供了一种光场相机，所述光场相机包括：

主镜头，用于对成像目标进行光线获取；

微透镜阵列，用于提供经过主镜头的光线方向信息，置于主镜头焦平面处；

成像单元组，每组成像单元包括一个用于对相机成像芯片像元尺寸进行缩放的光纤光锥和一个用于获取光线强度和方向信息的相机成像芯片；光纤光锥第一端与相机成像芯片耦合，各组光纤光锥的第二端拼接为一个光纤平面作为所述光场相机成像面；所述光纤平面与所述微透镜阵列和所述主镜头同轴，且置于所述微透镜阵列焦平面处。

由上述的技术方案可见，本发明提供了一种光场相机，包括主镜头、微透镜阵列和成像单元组，每组成像单元包括一个用于对相机成像芯片像元尺寸进行缩放的光纤光锥和一个用于获取光线强度和方向信息的相机成像芯片。利用光纤光锥第一端与相机成像芯片耦合，各组光纤光锥的第二端拼接为一个光纤平面作为所述光场相机成像面，该光场相机成像面代替了现有技术光场相机的成像面。与现有技术相比，本发明扩大成像像元阵列，简化耦合难度，保留光场相机的角度分辨率同时提高了空间分辨率。

附图说明

图1为本发明实施例光场相机的结构示意图。

图2为本发明实施例光纤光锥拼接示意图。

图3为本发明实施例成像光路示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如上所述，现有技术方案中光场相机包括主镜头、微透镜阵列和一个传统相机，微透镜阵列与传统相机成像芯片耦合。在该传统相机芯片像元个数一定的情况下，假设微透镜阵列中子透镜的孔径由50微米扩大为100微米，原来假设由10个子透镜可以覆盖整个芯片的像元，变为5个子透镜就可以覆盖整个芯片的像元，因此，角度分辨率降低。如此，虽然每个子透镜覆盖的像元个数多，说明空间分辨率得到了提高，但是同时也说明，现有技术在扩大子透镜孔径的前提下，虽然提高了空间分辨率，但无法提高角度分辨率。

本发明的核心思想是，本发明的光场相机包括主镜头、微透镜阵列和成像单元组，每组成像单元包括一个用于对相机成像芯片像元尺寸进行缩放的光纤光锥和一个用于获取光线强度和方向信息的相机成像芯片。利用光纤光锥第一端与相机成像芯片耦合，各组光纤光锥的第二端拼接为一个光纤平面作为所述光场相机成像面，该光场相机成像面代替了现有技术光场相机的成像面。

图1为本发明实施例光场相机的结构示意图，该光场相机包括：

主镜头101，用于对成像目标进行光线获取；

其中，主镜头为常用的成像镜头。

微透镜阵列102，用于提供经过主镜头的光线方向信息，置于主镜头焦平面处；

其中，微透镜阵列由多个具有预定焦距的子透镜密接而成，每个子透镜孔径为光场相机成像面上一个像元尺寸的整数倍。

成像单元组103，每组成像单元包括一个用于对相机成像芯片像元尺寸进行缩放的光纤光锥和一个用于获取光线强度和方向信息的相机成像芯片；光纤光锥第一端与相机成像芯片耦合，各组光纤光锥的第二端拼接为一个光纤平面作为所述光场相机成像面；所述光纤平面与所述微透镜阵列和所述主镜头同轴，且置于所述微透镜阵列焦平面处；

其中，光纤光锥是采用柔性光锥，光锥两端中间的光纤材质比较柔软，可以进行弯曲等变化。一个光纤光锥包含多个相同规格的拉伸为锥状的光纤，所包含的光纤数量及排布方式与所耦合的相机成像芯片的分辨率相对应；每个光纤对应所耦合的相机成像芯片的一个像元，位于光纤光锥第一端的光纤孔径与所耦合的相机成像芯片的像元大小相同。

所述光纤光锥第一端与相机成像芯片耦合通过专用胶水进行粘接。

各相机成像芯片所属相机的电荷耦合器件(CCD)或者互补金属氧化物半导体(CMOS)型号完全相同。也就是说，在本发明光场相机的成像单元组中，要求各相机成像芯片相同，由于各相机成像芯片位于相机中，即要求各相机的相关电路配置完全相同。

同步触发存储单元104，用于对各相机成像芯片所属相机进行控制，使各所属相机同一时间进行拍摄和图像采集，并存储；

图像拼接处理单元105，对采集存储的图像进行拼接处理。

对于一个光纤光锥，依据所耦合的相机成像芯片的分辨率及芯片的像元大小进行制备。选用相同规格的光纤拉伸为锥状，其中光纤数量及排布方式与芯片分辨率相对应，位于光纤光锥第一端的光纤孔径与所耦合的相机成像芯片的像元大小相同。在具体实施例中，假设相机成像芯片选用分辨率为400*300，像元大小为3微米，则，位于光纤光锥第一端的每根光纤孔径也为3微米，光纤光锥则由400*300根光纤紧密排布完成。

图2为本发明实施例光纤光锥拼接示意图。

本实施例中成像单元组包括四组成像单元，相机1的相机成像芯片与光纤光锥1的第一端进行耦合，相机2的相机成像芯片与光纤光锥2的第一端进行耦合，相机3的相机成像芯片与光纤光锥3的第一端进行耦合，相机4的相机成像芯片与光纤光锥4的第一端进行耦合。4个光纤光锥的第二端拼接为一个光纤平面作为所述光场相机成像面。各光纤光锥参数完全相同，其中，一个光纤光锥中，每根光纤与相机成像芯片的像元一一对应，通过专用胶水进行粘接，由于光锥的锥状结构，实现对像元进行放大(缩小)。以该四路成像设备为例，假设选用像素分辨率为2048*1088，像元为2微米的相机成像芯片，光纤光锥两端端口放大比为1：2，则像元经过光纤光锥后放大为4微米，同时由于4个光纤光锥拼接，则光纤平面处等效于一个像素分辨率为4096*2176，像元大小为4微米的光场相机成像面。由此实现了像元尺寸的放大，以及扩大了像元阵列。

由图2可以看出，本发明拼接而成的光纤平面，需要形成一个矩形光纤平面，具体需要的成像单元的组数根据具体应用而定。

图3为本发明实施例成像光路示意图。成像目标发出的光线被主镜头获取，光线通过主镜头后，投射在微透镜阵列上，并再次成像。光纤平面作为本发明光场相机成像面板放置在微透镜阵列后方。相机成像芯片获取并记录了光线强度和方向信息。其中，由于微透镜阵列的存在光线的方向信息也得以保存。例如，当微透镜阵列是10*10，单个子透镜孔径为100微米，相机像素分辨率是50*50，像元大小为2微米，经过光纤光锥放大后，像素分辨率仍为50*50，但单个像元放大为10微米，则每个子透镜分到10*10个像素。这样，利用微透镜阵列和相记录了通过主透镜的所有光线。通过后期处理，对光线进行重新追迹即可完成重聚焦，由于光线在空间中的传播过程是可以通过两个平面及四维光场信息来表示，而成像过程则是对这个四维光场进行二维积分，从而得到了二维图像。

综上所述，根据本发明的光场相机，由于光纤光锥的锥状结构，实现对像元尺寸的缩放。现有技术光场相机中，微透镜阵列与传统相机成像芯片耦合，由于芯片像元尺寸以及芯片尺寸都比较小，微透镜阵列与像元耦合时，要求主镜头与成像芯片关于微透镜阵列严格共轭，但实际操作过程中配准难度较大，耦合效率低下。另外，现有技术光场相机中微透镜阵列与像元耦合需要在芯片基地上进行，稍有不慎就会对芯片造成不可逆转的伤害，同时对于耦合环境要求非常严格，所以耦合难度较大。本发明利用光纤光锥一端拼接的光纤平面对成像芯片进行耦合，实现像元尺寸的缩放，提高微透镜阵列与光场相机成像面的耦合效率，降低耦合难度。另外，重要的是，本发明与现有技术相比，可以在扩大子透镜孔径的前提下，保留相同角度分辨率，还能提高空间分辨率。举例来说，假设现有技术和本发明微透镜阵列都是10*10，即角度分辨率相同。假设现有技术中10*10个子透镜刚好分到一个芯片大小的成像面，则，此时如果在本发明中扩大子透镜孔径，那么，10*10个子透镜就会分到大于一个芯片的成像面。由此可以确定，本发明中每个子透镜分到的像元个数大于现有技术，因此空间分辨率得以提高。

因此，本发明的光场相机具有以下有益效果，

1)利用光纤光锥对成像芯片进行耦合，实现像元尺寸的缩放，提高微透镜阵列与光场相机成像面的耦合效率，降低耦合难度。

2)通过多个光纤光锥密接为一个光场相机成像面，扩大像元阵列，提高了像素分辨率。

3)通过像元尺寸的伸缩变换，及像素分辨率的成倍提高，在提高角度分辨率的同时，也有利于空间分辨率的提高。

4)利用上述装置可以实现现有光场相机两种实施方案的优势互补，在较小体积较低成本的前提下提高了空间分辨率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光场相机，其特征在于，所述光场相机包括：

主镜头，用于对成像目标进行光线获取；

微透镜阵列，用于提供经过主镜头的光线方向信息，置于主镜头焦平面处；

成像单元组，每组成像单元包括一个用于对相机成像芯片像元尺寸进行缩放的光纤光锥和一个用于获取光线强度和方向信息的相机成像芯片；光纤光锥第一端与相机成像芯片耦合，各组光纤光锥的第二端拼接为一个光纤平面作为所述光场相机成像面；所述光纤平面与所述微透镜阵列和所述主镜头同轴，且置于所述微透镜阵列焦平面处。

2.如权利要求1所述的光场相机，其特征在于，

一个光纤光锥包含多个相同规格的拉伸为锥状的光纤，所包含的光纤数量及排布方式与所耦合的相机成像芯片的分辨率相对应；每个光纤对应所耦合的相机成像芯片的一个像元，位于光纤光锥第一端的光纤孔径与所耦合的相机成像芯片的像元大小相同。

3.如权利要求1所述的光场相机，其特征在于，

同步触发存储单元，用于对各相机成像芯片所属相机进行控制，使各所属相机同一时间进行拍摄和图像采集，并存储；

图像拼接处理单元，对采集存储的图像进行拼接处理。

4.如权利要求1所述的光场相机，其特征在于，所述微透镜阵列由多个具有预定焦距的子透镜密接而成，每个子透镜孔径为光场相机成像面上一个像元尺寸的整数倍。

5.如权利要求1所述的光场相机，其特征在于，所述光纤光锥第一端与相机成像芯片耦合通过专用胶水进行粘接。

6.如权利要求1所述的光场相机，其特征在于，各相机成像芯片所属相机的电荷耦合器件CCD或者互补金属氧化物半导体CMOS型号相同。