CN108431660B - 范围优化的全光变焦 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的领域为光学系统，所述光学系统包括变焦(Z)类型的物镜和深度估算光学探测单元，所述深度估算光学探测单元包括微透镜的矩阵阵列(MML)和矩阵阵列探测器(DM)，微透镜的矩阵阵列(MML)排布为使得变焦的焦平面的图像通过微透镜的矩阵阵列聚焦在矩阵阵列探测器的平面上。根据本发明的光学系统包括计算手段和优化手段，所述计算手段对于变焦的第一焦距以及给定的物体计算该物体的估算距离(DE)，并且根据所述第一焦距和所述估算距离计算这次估算中的测量不确定度(I)，并且在这次估算距离已知的情况下，优化手段使这次估算中的更小的测量不确定度所对应的至少一个变焦的第二焦距被确定。

Description

范围优化的全光变焦
技术领域
本发明涉及成像领域。更具体地，本发明的领域为利用单一的矩阵阵列探测器的成像器，该成像器可以对被观察的场景中的物体的距离进行估算。
背景技术
称之为光场摄像机的摄像机提供该功能。图1显示了这样的摄像机的结构。在各个图像中，采用以下惯例，光学器件通过粗线条表示，而光线通过细线条表示。基本上，该结构包括物镜1、微透镜20的矩阵阵列2以及矩阵阵列探测器3。物镜1包括出射光瞳4。该结构以以下方式工作。物面5经由物镜1在中间平面6上形成图像。因此，每个物点Mi都在中间平面上具有图像Mi'。该中间平面位于微透镜20的矩阵阵列2的前方，使得该平面在矩阵阵列探测器3的平面上形成图像(即通过微透镜20给出的图像)。从而，根据物镜的光圈和图像Mi'的位置，图像Mi'经由一定数量的微透镜20在探测器的平面上形成拼接的图像Mij”。例如，在图1中，点M0具有点M'0构成的中间图像，点M'0给出三个点M”01、M”02和M”03，这三个点构成探测器上的图像，并且点M1具有点M'1构成的中间图像，点M'1给出三个点M”11、M”12和M”13，这三个点构成探测器上的图像。在探测器上的各个图像Mij”的位置可以确定物点Mi的位置以及该位置到物镜的距离。
对于光场摄像机的额外信息，读者可以参考题为“用于原始分辨率光场捕捉及再现的方法及装置”的申请(US 7962033)以及题为“图像提取装置”的申请(US2013/0308035)。读者也可以参考A.Lumdaine和T.Gerogiev发表的题为“聚焦的全光摄像机”的参考文献，以及C.Perwaβ和L.Wietzke发表的题为“具有扩展景深的单一透镜的3D摄像机”的参考文献。关于利用一个或多个光学系统用于估算成像场景中的物体的距离的方法在Jung-Young Son、Oleksii Chernyshov、Chun-Hae Lee、Min-Chul Park和Sumio Yano于5月20日发表在Opt.Soc.Am.A/Vol 30，No.5上的题为“在三维图像中的深度分辨率”的参考文献中进行了说明。
很显然，要寻找利用该类型的摄像机在给定的物平面和深度上获得最佳分辨率的方法。然而，利用已知的方法，深度分辨率的增加总是伴随着空间分辨率的损失。此外，距离范围是通过被选择的物镜的参数进行设定和定义的，在该距离范围内可以估算被观测物体的距离。图2说明了该问题。图2显示了对于给定焦距的物镜，估算距离DE的不确定度I是所述估算距离的函数。从而，200米的估算距离对应的测量不确定度约为15米，该不确定度较高。该不确定度与图像处理方法的精度(即，估算给定点的各个图像之间的亚像素尺寸的偏差的能力)有关。绘制图2的曲线用于显示估算这些1/10像素(对应于常用值)内的偏差的能力。对于该物镜的焦距，曲线的界限BINF和BSUP表示该摄像机的景深。在本示例中，景深在30米到300米之间。可以选择大的界限，例如，通过改变用于景深的计算的清晰度的标准进行改变，或者通过对于给定的物镜焦距值采用离焦的方法进行改变，但对于某些距离范围，不确定度仍然较大。
为了缓解该缺点已经探索了各种方法。题为“用于利用全光摄像机记录的数据合成图像的数字成像方法”的专利文献(EP2244484)实现了焦距可变的微透镜。该方法在由Raytrix公司的C.Perwaβ和L.Wietzke发表的题为“具有扩展景深的单一透镜的3D摄像机”的文献中也有说明。最近在Review of Scientific Instruments 86,053101(2015)上发表的题为“利用液晶微透镜阵列的电调谐全光摄像机”展示了集成电控调焦的微透镜的矩阵阵列的光场摄像机。这些方法的缺点是它们需要复杂的微透镜的矩阵阵列。
发明内容
根据本发明的光学系统没有上述缺点，其是采用简单的相同的微透镜的矩阵阵列。基于以下分析。
如果焦距改变，之前的曲线也会改变。从而，图3显示了对于各种焦距(附图标记11到19的焦距)的物镜，估算距离DE的不确定度I是所述估算距离的函数。为了给出数量级，焦距在30到200毫米之间。然后，对于在给定距离的物体，存在给出最小的测量不确定度的最优的焦距。例如，对于距离为50米的物体，光学物镜选择物镜18，利用该物镜的测量不确定度不超过1米。从而，可以确定每个物镜的距离范围，在该距离范围内测量不确定度最小。利用之前的物镜可以获得图4所示的范围。为了清晰起见，图中没有显示最短焦距的物镜11、12和13的距离范围，因为它们的距离范围非常接近。通过不再利用一个光学物镜而是利用一系列不同焦距的光学物镜，可以显著地减小测量不确定度。当然，不可能连续地改变物镜。因此，提出的解决方案是利用变焦物镜作为物镜(即焦距可变的物镜)，该物镜连续地或独立地工作以通过改变焦距从而使场景中的物体的估算距离尽可能地最准确。
更确切地说，本发明的主题是光学系统，其包括变焦类型的物镜和深度估算光学探测单元，所述深度估算光学探测单元包括微透镜的矩阵阵列和矩阵阵列探测器，微透镜的矩阵阵列排布为使得变焦的焦平面的图像通过微透镜的矩阵阵列聚焦在矩阵阵列探测器的平面上，
其特征在于：所述光学系统包括计算手段和优化手段，所述计算手段对于变焦的第一焦距以及给定的物体计算该物体的估算距离，并且根据所述第一焦距和所述估算距离计算这次估算中的测量误差不确定度，在这次估算距离被知道的情况下，优化手段使这次估算中的更小的测量不确定度所对应的至少一个变焦的第二焦距被确定。
有利地，优化方法包括循环迭代，该循环迭代使得在所述估算中的最小的测量不确定度所对应的最优的焦距被确定，每次迭代包括至少一次焦距的改变，对应于新焦距的估算距离以及这次估算中的测量不确定度将进行计算。
有利地，循环迭代在恒定变焦的焦平面上实施或者在可变焦的焦平面上实施。
有利地，循环迭代在恒定光圈变焦(ouverture du zoom constante)下实施或者在可变焦的光圈下实施。
有利地，变焦是焦距连续可变的变焦或者是通过多焦距物镜实现的。
有利地，深度估算光学探测单元是红外探测单元。
附图说明
读完以下的非限定的描述并借助附图，可以对本发明有更好地理解，并且本发明的其它优点会变得明显。
图1显示了根据现有技术的焦距固定的光场摄像机；
图2显示了对于已知的焦距固定的光场摄像机，估算距离的测量不确定度是距离的函数；
图3显示了对于包括焦距增加的物镜的光场摄像机，估算距离的测量不确定度是距离的函数；
图4显示了对于每个之前的物镜，最小的测量不确定度范围是距离的函数；
图5和图6显示了在两个极限焦距配置下的根据本发明的光场变焦；
图7显示了之前的光场变焦的接收部分的放大的示意图；
图8显示了对于焦距连续可变的光场变焦，最小的测量不确定度是估算距离的函数。
具体实施方式
本发明的主题是光学系统，其包括变焦类型的物镜以及深度估算光学探测单元，所述深度估算光学探测单元包括微透镜的矩阵阵列以及矩阵阵列探测器，微透镜的矩阵阵列排布为使得变焦的焦平面的图像通过微透镜的矩阵阵列聚焦到矩阵阵列探测器的平面上。
为了保证深度被正确地估算，必须知道对于这种变焦的各种焦距值的畸变和场曲。
存在两类变焦。一类是焦距连续可变的变焦，另一类是已知的多焦距物镜的变焦。本发明两种类别都适用。
通过示例的方式，图5和图6显示了在两个极端焦距配置的情况下的根据本发明的光场变焦Z。图7显示了之前的光场变焦的接收部分的放大的示意图。
该变焦Z包括两组固定的透镜G1和G2，以及三组可移动的透镜D1、D2和D3。以给定的方式移动这三组透镜对变焦的焦距进行修改，并且保留其焦平面上的焦点。从而，图5显示的变焦为长焦距配置，而图6显示变焦为短焦距配置。在这种变焦的情况下，焦距比约为7。其它的变焦的配置也是可以的。
由于根据本发明的变焦是光场变焦，其包括探测器和深度估算光学探测单元，所述探测器位于常规的变焦情况中的位置；所述深度估算光学探测单元包括图7所示的微透镜的矩阵阵列MML和矩阵阵列探测器DM，图7显示了之前的图5和图6的圆圈部分的放大的示意图。
如上所述，对于每个估算距离，存在给出最小的测量不确定度IMIN的变焦的焦距。图8显示了该最小的测量不确定度是估算距离DE的函数。该不确定度取决于光学系统的景深界限。在该曲线中，在100米的距离处的测量不确定度不超过1米。变焦的焦距随着该曲线改变。在图8这种情况下，曲线的底部和曲线的顶部之间的焦距改变倍数为8。变焦必须具有最大的焦距。因此，假设物镜的焦距可以增加，那么该曲线具有线性的一面。当焦距达到最大值时，变化率变得更大。
当用户进行测量时，他不会事先知道要进行估算的距离，因此，他不能够提前知道给出该距离的测量的最小的不确定度的变焦的焦距。从而，光学系统包括：
-计算手段，其对于变焦的第一焦距以及给定的物体计算该物体的估算距离，并且根据所述第一焦距和所述估算距离计算这次估算中的测量不确定度，
-优化手段，在这次估算距离被知道的情况下，所述优化手段使在这次估算中的更小的测量不确定度所对应的至少一个变焦的第二焦距被确定。
用于计算该距离的估算距离和测量不确定度的装置采用光场摄像机常规的方法，变焦的焦距和它的光圈是被知道的。
通过示例的方式，被选择的第一焦距可以是的变焦的最小焦距或变焦的最大焦距或者中间焦距。该焦距的选择可以是任意的，对于要进行测量的物体的距离不在所采用的焦距的景深区间里的，在这种情况下，根据当时的情况利用更大或更小的焦距重新开始测量，直到获得第一次距离估算以开始距离估算的优化过程。
存在各种可以优化测量的技术。通过示例的方式，优化方法包括循环迭代，该循环迭代可以确定在所述估算中的最小测量不确定度所对应的最优的焦距，每次迭代包括至少一次焦距的改变，对应于新焦距的估算距离以及这次估算中的测量不确定度将进行计算。从而，可以快速地逼近最优的焦距。该过程可以是自动的，优化手段自动地调节变焦的焦距以获得期望的精度。
所述循环迭代可以在恒定变焦的焦平面上实施。也可以采用已知的离焦以改变变焦的距离界限，从而可以利用新定义的界限重新开始迭代过程。
可以在恒定光圈变焦下工作以便促进循环迭代中的距离计算。在这种情况下，对于在物方视场的点，测量中采用的微透镜的数量可以保持不变。也可以在可变焦的光圈下工作以改善测量不确定度。在这种情况下，对于在物方视场的点，测量中采用的微透镜的数量随着光圈的改变而增加。

Claims (9)

1.一种光学系统，其包括变焦类型的物镜以及深度估算光学探测单元，所述深度估算光学探测单元包括微透镜的矩阵阵列以及矩阵阵列探测器，微透镜的矩阵阵列排布为使得变焦的焦平面的图像通过微透镜的矩阵阵列聚焦在矩阵阵列探测器的平面上，
其特征在于：所述光学系统包括计算手段和优化手段，所述计算手段对于变焦的第一焦距以及给定的物体计算该物体的估算距离，并根据所述第一焦距和所述估算距离计算这次估算中的测量不确定度；在这次估算距离被知道的情况下，优化手段使这次估算中的更小的测量不确定度所对应的至少一个变焦的第二焦距被确定。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述优化手段包括循环迭代，该循环迭代使得在所述估算中的最小测量不确定度所对应的最优的焦距被确定，每次迭代包括至少一次焦距的改变，对应于新焦距的估算距离以及这次估算中的测量不确定度将进行计算。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，循环迭代在恒定变焦的焦平面上实施。
4.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，循环迭代在能够变焦的焦平面上实施。
5.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，循环迭代在恒定光圈变焦下实施。
6.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，循环迭代在能够变焦的光圈下实施。
7.根据前面的权利要求中的任意一项所述的光学系统，其特征在于，变焦是焦距连续可变的变焦。
8.根据权利要求1至6任一项所述的光学系统，其特征在于，变焦是通过多焦距物镜实现。
9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，深度估算光学探测单元是红外探测单元。
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