CN108206901B - 一种光场相机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及成像技术领域，公开了一种光场相机，包括沿光路方向顺次设置的主透镜、延迟片、固态微透镜阵列、选偏器和图像传感器，固态微透镜阵列位于主透镜的成像面上，图像传感器位于固态微透镜阵列的焦平面上；固态微透镜阵列会聚入射在其上的第一偏振光以在图像传感器位置形成四维光场影像；固态微透镜阵列不改变入射在其上的第二偏振光的传播方向以在图像传感器位置形成二维影像；选偏器选择性地允许第一偏振光或第二偏振光通过以在图像传感器位置形成所述四维光场影像或二维影像。该光场相机利于实现相机小型化设计、并能保证良好成像质量。

Description

一种光场相机
技术领域
本发明涉及照相机技术领域，特别涉及一种光场相机。
背景技术
随着电子装置的日益普及，照相机在人们生活中的应用越来越多。传统相机只能采集三维物体在像平面上的二维(2D)投影，其虽然可以记录物体的空间分布、却无法记录光线的传播方向。针对这一不足，【Ren Ng,Marc Levoy,et al,Light Field Photographywith a Hand-held Plenoptic Camera,Stanford Tech Report CTSR 2005-02】斯坦福大学提出一种光场照相机，其可以记录包括物体二维空间位置和光线二维传播方向的四维(4D)光场信息，保留了对图像重塑的可能性，具有先拍照后对焦、可重建三维立体图等优势。但是，该光场相机的横向成像分辨率低于普通相机，这也成为制约其发展的一大难题。
于是，一些相机在光场相机的4D成像基础上加入普通相机的2D成像功能，综合普通相机和光场相机的优势，方便用户在2D\4D模式之间切换使用，以满足使用者多样化的需求。例如，美国专利公告US 8593564B2提出了一种具有2D/4D模式切换功能的光场相机结构：在主透镜和图像传感器之间放置可以机械移动的微透镜阵列。当微透镜阵列移出光路时，相机为2D成像模式；当微透镜阵列移入光路时，相机为4D光场相机模式。
然而，这种技术均需要在相机中额外预留移动空间以满足微透镜阵列的机械位移需求，不利于相机的小型化设计。并且，由于微透镜阵列的焦距很短，微透镜阵列移出、移入光路所产生的机械复位误差会直接影响成像质量。有鉴于此，有必要提供一种利于实现相机小型化设计、并能保证良好成像质量的光场相机。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利于实现相机的小型化设计、并能保证良好成像质量的光场相机。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种光场相机，包括沿光路方向顺次设置的：主透镜、延迟片、固态微透镜阵列、选偏器和图像传感器；所述固态微透镜阵列位于所述主透镜的成像面上，所述图像传感器位于所述固态微透镜阵列的焦平面上；所述固态微透镜阵列会聚入射在其上的第一偏振光以使所述第一偏振光在所述图像传感器位置处形成所述四维光场影像，所述固态微透镜阵列不改变入射在其上的第二偏振光的传播方向以使所述第二偏振光在所述图像传感器位置处形成所述二维影像；所述选偏器选择性地允许所述第一偏振光或所述第二偏振光通过以在所述图像传感器位置处形成所述四维光场影像或所述二维影像；所述延迟片的厚度d满足关系式：
Figure GDA0002388355360000021
其中，n1为所述延迟片对所述第一偏振光的折射率，n2为所述延迟片对所述第二偏振光的折射率，f为所述固态微透镜阵列的焦距。
本发明相对于现有技术而言，利用所述延迟片使来自被摄物体的所述第一偏振光和所述第二偏振光之间产生光程差，从而使所述第一偏振光和所述第二偏振光具有位置不同的像平面，利用被所述固态微透镜阵列改变传播方向的所述第一偏振光在所述图像传感器位置处形成所述四维光场影像，利用未被所述固态微透镜阵列改变传播方向的所述第二偏振光在所述图像传感器位置处形成所述二维影像，并利用所述选偏器选择性地允许所述第一偏振光或第二偏振光通过并在所述图像传感器位置处形成所述四维光场影像或所述二维影像，其无需机械移动微透镜阵列，即可实现2D/4D模式的切换，避免微透镜阵列的机械位移导致的相机空间占用以及机械复位误差导致的成像质量下降，利于实现相机的小型化设计、并能保证良好的成像质量。
另外，所述固态微透镜阵列包括沿光路方向顺次设置的附着层和基底层，所述附着层为双折射晶体，所述基底层包括多个呈阵列排布的凹陷部，所述凹陷部的开口朝向所述附着层。
另外，所述基底层对第一偏振光和第二偏振光的折射率相同，且所述基底层对第一偏振光和第二偏振光的折射率与所述附着层对第二偏振光的折射率相同。
另外，所述凹陷部的截面形状为球面或者近似球面。
另外，所述固态微透镜阵列对第一偏振方向光线的透过率函数为：
Figure GDA0002388355360000031
微透镜阵列对第二偏振方向光线的透光率函数为：
T2(x,y)＝b
其中a,b为常数，与材料的吸收、透射率有关；φ为凹面的直径；凹陷部个数为(2m+1)×(2m+1)，m为自然数。
另外，所述选偏器为可旋转的线偏振片，所述线偏振片旋转至第一位置时的偏振方向平行于所述第一偏振光的偏振方向，所述线偏振片旋转至第二位置时的偏振方向平行于所述第二偏振光的偏振方向。
另外，所述光场相机还包括旋转装置，所述线偏振片设置于所述旋转装置上，所述旋转装置自身旋转以选择性地将所述线偏振片旋转至所述第一位置或所述第二位置。
另外，所述光场相机采用电控方式控制所述旋转装置的旋转。
另外，所述主透镜和所述固态微透镜阵列具有相同的F数。
附图说明
图1是本发明的光场相机结构示意图；
图2是本发明的固态微透镜阵列结构示意图；
图3是本发明的固态微透镜阵列的立体示意图；
图4是本发明的固态微透镜阵列的立体分解示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
参见图1-4，本发明的第一实施方式涉及一种光场相机，包括沿光路方向顺次设置的主透镜1、延迟片2、固态微透镜阵列3、选偏器4和图像传感器5。
主透镜1设置在待摄物体(图未示)一侧，用于接收并会聚来自待摄物体的第一偏振方向(图中短线所示)的光线(以下称“第一偏振光11”)和第二偏振方向(图中圆点所示)的光线(以下称“第二偏振光12”)。在此，主透镜1可为包含多个光学镜片的镜片组，其会聚偏振方向相互垂直的第一偏振光11和第二偏振光12，以用于光学成像。
延迟片2设置在主透镜1的成像侧，能使偏振方向互相垂直的第一偏振光11和第二偏振光12产生附加光程差，以补偿第一偏振光11的像平面和第二偏振光12的像平面之间的距离差。
固态微透镜阵列3设置在延迟片2的成像侧、并位于主透镜1的成像面上。固态微透镜阵列3具有双折射性质，可以会聚第一偏振方向的光线，但是不改变第二偏振方向光线的传播方向。具体的，固态微透镜阵列3会聚入射在其上的第一偏振光11以使第一偏振光11在图像传感器5位置处形成四维光场影像，固态微透镜阵列3不改变入射在其上的第二偏振光12的传播方向以使第二偏振光12在图像传感器5位置处形成二维影像。
选偏器4设置在固态微透镜3和图像传感器5之间，选择性地允许第一偏振光11或第二偏振光12通过，以在图像传感器5位置形成四维光场影像或二维影像。
图像传感器5位于固态微透镜阵列3的焦平面上，用于接收通过选偏器4而投射在其上的第一偏振光11或者第二偏振光12，以形成对应第一偏振光11和第二偏振光12的4D或2D影像。
本实施方式相对于现有技术而言，利用延迟片2使来自被摄物体的第一偏振光11和第二偏振光12之间产生光程差，从而使第一偏振光11和第二偏振光12具有位置不同的像平面，利用被固态微透镜阵列3改变传播方向的第一偏振光11在图像传感器5位置处形成四维光场影像，利用未被固态微透镜阵列3改变传播方向的第二偏振光12在图像传感器5位置处形成二维影像，并利用选偏器4选择性地允许第一偏振光11或第二偏振光12通过，并在图像传感器5位置形成四维光场影像或二维影像，这样的设计无需机械移动微透镜阵列，即可实现2D/4D模式的切换，避免了微透镜阵列的机械位移导致的相机空间占用以及机械复位误差导致的成像质量下降，利于实现相机的小型化设计、并能保证良好的成像质量。
需要说明的是，由于延迟片2的不同厚度选择会直接影响第一偏振光11和第二偏振光12的光程差大小，进而决定两不同偏振方向光线的像平面距离差异。因此，本实施方式在利用延迟片2补偿像平面差异时，需要对延迟片2的厚度进行特定设计，具体如下。
参见图1，定义：主透镜1的焦距为F，微透镜阵列3的焦距为f，相机的物距为u，主透镜1和微透镜阵列3之间的距离为v，微透镜阵列3和图像传感器5之间的距离为f，延迟片2的厚度为d，延迟片2对第一偏振方向光线和对第二偏振方向光线的折射率分别为n1和n2(n1<n2)。在4D模式下，主透镜1会聚的光经过延迟片2成像在固态微透镜阵列3的表面上，此时系统像距为v-(n1-1)d；在2D模式下，主透镜1会聚的光经过延迟片2成像在图像传感器5的位置，此时系统的像距为v-(n2-1)d+f。
根据透镜成像公式可知：
Figure GDA0002388355360000061
Figure GDA0002388355360000062
联立公式(1)和公式(2)，可得延迟片2的厚度d为：
Figure GDA0002388355360000063
由此可见，将延迟片2的厚度d设计为满足公式(3)，便可使得第一偏振光11和第二偏振光12的像平面距离差恰好为固态微透镜阵列3与图像传感器5之间的距离(也即微透镜阵列3焦距f)，从而确保第一偏振光11、第二偏振光12分别在固态微透镜阵列3位置处、图像传感器5位置成像。
本实施方式中，固态微透镜阵列3包括沿光路方向顺次设置的附着层31和基底层32，附着层31为双折射晶体，基底层32包括多个呈阵列排布的凹陷部321，凹陷部321的开口朝向所述附着层31。也就是说，附着层31从基底层32的物侧覆盖基底层32、并填充凹陷部321阵列形成的各个凹陷。
本实施方式中，基底层32对第一偏振光11和第二偏振光12的折射率相同，且基底层32对第一偏振光11和第二偏振光12的折射率与附着层31对第二偏振光12的折射率相同。
附着层31为双折射晶体，需要说明的是，双折射晶体可以为方解石等常见材料。本实施方式中，附着层31对第一偏振光11的折射率为n3，附着层31对第二偏振光12的折射率为n4。在此，n3>n4。
基底层32为各向同性的透光层。本实施方式中，基底层32对第一偏振光11和第二偏振光12的折射率均为n4。
如此设计，当第一偏振光11穿过附着层31和基底层32之间交界的凹陷部321时，由于折射率的变化(附着层31、基底层32对第一偏振光11的折射率分别为n3、n4)，该凹陷部321结构对第一偏振光11起到等效于传统光学透镜的作用，从而改变第一偏振光11的传播方向，以利第一偏振光11穿过附着层31和基底层32(也即，穿过固态微透镜阵列3)之后在图像传感器5位置形成四维光场影像；当第二偏振光12穿过附着层31和基底层32之间交界的凹陷部321时，由于折射率不变(附着层31、基底层32对第二偏振光12的折射率均为n4)，该凹陷部321结构以及整个固态微透镜阵列3都不会改变第二偏振光12的既定传播方向，以利第二偏振光12继续在主透镜1先前的会聚作用下于图像传感器5位置处形成二维影像。
具体的，本实施方式中，固态微透镜阵列3包含的凹陷部321个数为(2m+1)×(2m+1)。也即。固态微透镜阵列3的凹陷部321排成(2m+1)行，每行凹陷部321的个数为(2m+1)个，其中m为自然数。
在本实施方式中，凹陷部321的表面形状为球面。需要说明的是，凹陷部321的表面形状也可以为近似球面。
对于第一偏振方向的入射光束，微透镜阵列会改变其传播方向，其焦距为f；对于第二偏振方向的入射光束，微透镜阵列不会改变其传播方向，此时，微透镜阵列等效于平行平晶。
本发明实施方式中，选偏器4为可旋转的线偏振片，线偏振片旋转至第一位置时的偏振方向平行于第一偏振光11的偏振方向，线偏振片旋转至第二位置时的偏振方向平行于第二偏振光12的偏振方向。从而，通过将线偏振片分别旋转至第一位置和第二位置，便可实现对第一偏振光11和第二偏振光12的筛选，使二者之一透过选偏器4投射至图像传感器5位置成像，从而实现2D/4D影像模式的切换。
此外，光场相机还可包括旋转装置(图未示)，线偏振片设置于旋转装置上，旋转装置带动线偏振片旋转以选择性地将线偏振片旋转至第一位置或第二位置。
可以理解的，光场相机可采用电控方式控制旋转装置的旋转。电控方式是被广泛应用的控制方式，本实施方式中采用电控的方式控制旋转装置进行旋转，易实行且操作简单，使2D/4D影像的切换更好的实现。
需要说明的是，主透镜1和固态微透镜阵列3具有相同的F数，其中F数＝固态微透镜阵列焦距/固态微透镜阵列直径。本实施方式中，主透镜1和固态微透镜阵列3具有相同的F数可以达到最佳的光能利用率和成像效果。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施方式，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种光场相机，其特征在于，包括沿光路方向顺次设置的：主透镜、延迟片、固态微透镜阵列、选偏器和图像传感器；
所述固态微透镜阵列位于所述主透镜的成像面上，所述图像传感器位于所述固态微透镜阵列的焦平面上；
所述延迟片使来自被摄物体的第一偏振光和第二偏振光之间产生光程差，从而使所述第一偏振光和所述第二偏振光具有位置不同的像平面；
所述固态微透镜阵列会聚入射在其上的第一偏振光以使所述第一偏振光在所述图像传感器位置处形成四维光场影像，所述固态微透镜阵列不改变入射在其上的第二偏振光的传播方向以使所述第二偏振光在所述图像传感器位置处形成二维影像；
所述选偏器选择性地允许所述第一偏振光或所述第二偏振光通过以在所述图像传感器位置形成所述四维光场影像或所述二维影像；
所述延迟片的厚度d满足关系式：
Figure FDA0002548311950000011
其中，n1为所述延迟片对所述第一偏振光的折射率，n2为所述延迟片对所述第二偏振光的折射率，f为所述固态微透镜阵列的焦距。
2.根据权利要求1所述的光场相机，其特征在于，所述固态微透镜阵列包括沿光路方向顺次设置的附着层和基底层，所述附着层为双折射晶体，所述基底层包括多个呈阵列排布的凹陷部，所述凹陷部的开口朝向所述附着层。
3.根据权利要求2所述的光场相机，其特征在于，所述基底层对第一偏振光和第二偏振光的折射率相同，且所述基底层对第一偏振光和第二偏振光的折射率与所述附着层对第二偏振光的折射率相同。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的光场相机，其特征在于，所述凹陷部的表面形状为球面。
5.根据权利要求4所述的光场相机，其特征在于，所述凹陷部个数为(2m+1)×(2m+1)，m为自然数。
6.根据权利要求1所述的光场相机，其特征在于，所述选偏器为可旋转的线偏振片，所述线偏振片旋转至第一位置时的偏振方向平行于所述第一偏振光的偏振方向，所述线偏振片旋转至第二位置时的偏振方向平行于所述第二偏振光的偏振方向。
7.根据权利要求6所述的光场相机，其特征在于，还包括旋转装置，所述线偏振片设置于旋转装置上，所述旋转装置自身旋转以选择性地将线偏振片旋转至所述第一位置或所述第二位置。
8.根据权利要求7所述的光场相机，其特征在于，所述光场相机采用电控方式控制所述旋转装置的旋转。
9.根据权利要求1所述的光场相机，其特征在于，所述主透镜和所述固态微透镜阵列具有相同的F数。
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