CN111050038B - 一种反射式空间编码高分辨光场成像装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种反射式空间编码高分辨光场成像装置及方法，能够适应与不同数值孔径主镜头下使用，主镜成像系统不需要针对数值孔径匹配的要求做特殊设计，大大节约了成本。该成像装置包括计算机、二维阵列探测器、数字微反射镜阵列、数字微反射镜阵列控制器、成像物镜以及孔径成像镜头；通过数字微反射镜阵列对像面空间信息逐次扫描编码，利用孔径成像镜头将孔径光阑成像至二维阵列探测器，二维阵列探测器再将各个图像信息上传至计算机，计算机将图像信息进行处理，从而获取高分辨光场信息。

Description

一种反射式空间编码高分辨光场成像装置及方法
技术领域
本发明属于光电成像领域，涉及一种反射式空间编码高分辨光场成像装置及方法，能够完成高分辨光场信息的采集与重构。
背景技术
光场成像系统能够获取四维光场信息，通过采集到的光场信息，利用计算处理，可以获取不同视角、不同深度的立体场景。
但是现有的单相机光场成像系统获取立体视角信息是以牺牲成像系统的空间分辨率为代价的。如非聚焦型光场相机，其基准像面在微透镜上，探测面位于微透镜后方焦面，因而其分辨率与微透镜尺寸相当，而微透镜一般占上百个像素，造成物方成像分辨率降低近，如图1所示。
聚焦型光场相机的像面在微透镜前，微透镜将像面二次成像至探测面，为了实现视场采集，微透镜必须缩小成像，造成物方成像分辨率降低近，且分辨率与微透镜的放大倍率负相关，如图2所示。
另外，不论是聚焦型或非聚焦型光场相机，为了充分利用探测器像素，要求系统中主镜头与透镜阵列的数值孔径(F#)匹配。
现有相机的主镜头采用的是变焦镜头。在变焦时通常会改变主镜头的F#及位置。为了避免主镜头变焦所衍生的F#不匹配问题，需要采用恒定F#的变焦镜头来解决此问题，限制了光场镜头的选择性，需要定制变焦镜头，因此大大提升了成本。
发明内容
为了解决背景技术中现有光场成像系统成像时，需要定制变焦镜头，导致实现成本较大的问题，本发明提出一种反射式空间编码高分辨光场成像装置及方法。
本发明所提供的光场成像装置通过数字微反射镜阵列对像面空间信息逐次扫描编码，利用孔径成像镜头将孔径光阑成像至二维阵列探测器，从而获取高分辨光场信息，既避免了主镜头F#匹配的问题，又无需牺牲主镜成像系统的分辨率。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供了一种反射式空间编码高分辨光场成像装置，
包括计算机、二维阵列探测器、数字微反射镜阵列、数字微反射镜阵列控制器、成像物镜以及孔径成像镜头；
其中，成像物镜中设置有孔径光阑；
数字微反射镜阵列与物面共轭，二维阵列探测器的探测面与孔径光阑共轭；
计算机将翻转信息发送给数字微反射镜阵列控制器；所述翻转信息为当前数字微反射镜阵列中每个微镜翻转的顺序信息；
成像物镜将物面场景成像至数字微反射镜阵列表面；
数字微反射镜阵列控制器利用翻转信息控制数字微反射镜阵列上的各个微镜按照顺序进行翻转，每次选择一个微镜中的像点反射至孔径成像镜头，孔径成像镜头将每个像点的图像信息发送至二维阵列探测器的探测面，二维阵列探测器再将各个图像信息上传至计算机，计算机将图像信息进行处理，进而获取四维光场信息。
进一步地，上述每个微镜翻转的顺序信息为二进制的二维数组，其中，“0”表示不翻转，“1”表示翻转。
进一步地，上述二维阵列探测器为CCD探测器或CMOS探测器，选择以上两种探测器时，适用于静态场景；还可以采用帧率更高的光电二极管阵列，其适用于动态场景。
基于上述反射式空间编码高分辨光场成像装置的结构描述，现对采用该装置进行成像的方法进行介绍，具体步骤如下：
步骤1：在计算机上设置翻转信息；所述翻转信息为当前数字微反射镜阵列中每个微镜翻转的顺序信息；
步骤2：计算机获取四维光场信息；
步骤2.1：成像物镜将物面场景成像至数字微反射镜阵列表面；
步骤2.2：计算机将翻转信息发送至数字微反射镜阵列控制器；
步骤2.3：数字微反射镜阵列控制器利用翻转信息控制数字微反射镜阵列上的各个微镜按照顺序进行翻转，每次选择一个像点反射至孔径成像镜头，孔径成像镜头将每个像点的图像信息发送至二维阵列探测器的探测面；
步骤2.4：二维阵列探测器再将各个图像信息上传至计算机，计算机将图像信息进行处理，进而获取四维光场信息。
进一步地，上述每个微镜翻转的顺序信息为二进制的二维数组，其中，“0”表示不翻转，“1”表示翻转。
进一步地，上述二维阵列探测器为CCD探测器或CMOS探测器，选择以上两种探测器时，适用于静态场景；还可以采用帧率更高的光电二极管阵列，其适用于动态场景。
本发明的有益效果是：
本发明采用设置有孔径光阑的孔径成像物镜、数字微反射镜阵列(DMD)、二维阵列探测器组成的成像装置实现光场信息的高分辨采集，能够获取高分辨光场信息(空间分辨率和视场分辨率都较高)。避免了数值孔径匹配的设计制约，能够适应与不同数值孔径主镜头下使用，主镜成像系统不需要针对数值孔径匹配的要求做特殊设计，大大节约了成本。
本发明中的二维阵列探测器为CCD探测器或CMOS探测器或光电二极管阵列既能适用于静态场景，还可以适用于动态场景，适应性更强。
附图说明
图1为非聚焦型光场相机原理图；
图2为聚焦型光场相机原理图；
图3为本发明装置的结构简图；
图4为DMD第一次扫描时的工作原理图；
图5为DMD第二次扫描时的工作原理图；
图6为数据光场化处理工作原理图；
图7为成像方法的流程框图。
具体实施方式
如图3所示，反射式空间编码高分辨光场成像装置由成像物镜1、数字微反射镜阵列2(以下简称DMD)、数字微反射镜阵列控制器3(以下简称DMD控制器)、孔径成像镜头4、二维阵列探测器5和计算机6组成。
其中，成像物镜1中设置有孔径光阑7；DMD2与物面共轭，二维阵列探测器5的探测面与孔径光阑7共轭，二维阵列探测器5上各点与孔径光阑7上各点一一对应；
计算机6将翻转信息发送给DMD控制器3；翻转信息为DMD2中每个微镜翻转的顺序信息；本实施例中每个微镜翻转的顺序信息通过二进制的二维数组表示，其中，“0”表示不翻转，“1”表示翻转。
成像物镜1将物面场景成像至DMD表面；
DMD控制器3利用翻转信息控制DMD2上的各个微镜按照顺序进行翻转，实现对物面场景8像素进行扫描，每次选择一个微镜中的像点反射(即每一次选择一个微镜翻转，通过行扫描和列扫描，如图4和图5所示，第一次时，第一行第一列微镜翻转，第二次时，第一行第二列微镜翻转，直至像面所有像素点光场信息采集完成)至孔径成像镜头4，孔径成像镜头4将每个像点的图像信息发送至二维阵列探测器5的探测面通过二维阵列探测器5采集获取对应物点的全孔径信息，如图6所示，(在实际应用场景中：对于静态场景，二维阵列探测器可以采用CCD或CMOS探测器；对于动态场景，二维阵列探测器可以采用帧率更高的光电二极管阵列)；二维阵列探测器5再将各个图像信息上传至计算机6，计算机6将图像信息进行处理(将每一次微镜扫描获取的孔径信息按照与微镜行列位置排列开)，进而获取四维光场信息，如图5所示。
通过该反射式空间编码高分辨光场成像装置可实现成像方法，具体实施步骤为，如图7所示：
步骤1：在计算机6上设置翻转信息；翻转信息为当前DMD2中每个微镜翻转的顺序信息；
步骤2：获取四维光场信息；
步骤2.1：成像物镜1将物面场景成像至DMD2表面；
步骤2.2：计算机6将控制指令及翻转信息发送至DMD控制器3；
步骤2.3：DMD控制器3利用翻转信息控制DMD2上的各个微镜按照顺序进行翻转，每次选择一个像点反射至孔径成像镜头，孔径成像镜头将每个像点的图像信息发送至二维阵列探测器5的探测面；
步骤2.4：二维阵列探测器5再将各个图像信息上传至计算机6，计算机6将图像信息进行处理，进而获取四维光场信息。

Claims (6)

1.一种反射式空间编码高分辨光场成像装置，其特征在于：
包括计算机、二维阵列探测器、数字微反射镜阵列、数字微反射镜阵列控制器、成像物镜以及孔径成像镜头；
其中，成像物镜中设置有孔径光阑；
数字微反射镜阵列与物面共轭，二维阵列探测器的探测面与孔径光阑共轭；
计算机将翻转信息发送给数字微反射镜阵列控制器；所述翻转信息为当前数字微反射镜阵列中每个微镜翻转的顺序信息；
成像物镜将物面场景成像至数字微反射镜阵列表面；
数字微反射镜阵列控制器利用翻转信息控制数字微反射镜阵列上的各个微镜按照顺序进行翻转，每次选择一个微镜中的像点反射至孔径成像镜头，孔径成像镜头将每个像点的图像信息发送至二维阵列探测器的探测面，二维阵列探测器再将各个图像信息上传至计算机，计算机将每一次微镜扫描获取的孔径信息按照与微镜行列位置排列开，进而获取四维光场信息。
2.根据权利要求1所述的反射式空间编码高分辨光场成像装置，其特征在于：
所述每个微镜翻转的顺序信息为二进制的二维数组，其中，“0”表示不翻转，“1”表示翻转。
3.根据权利要求1所述的反射式空间编码高分辨光场成像装置，其特征在于：所述二维阵列探测器为CCD探测器或CMOS探测器或光电二极管阵列。
4.一种反射式空间编码高分辨光场成像方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：在计算机上设置翻转信息；所述翻转信息为当前数字微反射镜阵列中每个微镜翻转的顺序信息；
步骤2：计算机获取四维光场信息；
步骤2.1：成像物镜将物面场景成像至数字微反射镜阵列表面；
步骤2.2：计算机将翻转信息发送至数字微反射镜阵列控制器；
步骤2.3：数字微反射镜阵列控制器利用翻转信息控制数字微反射镜阵列上的各个微镜按照顺序进行翻转，每次选择一个像点反射至孔径成像镜头，孔径成像镜头将每个像点的图像信息发送至二维阵列探测器的探测面；
步骤2.4：二维阵列探测器再将各个图像信息上传至计算机，计算机将将每一次微镜扫描获取的孔径信息按照与微镜行列位置排列开，进而获取四维光场信息。
5.根据权利要求4所述的反射式空间编码高分辨光场成像方法，其特征在于：
所述每个微镜翻转的顺序信息为二进制的二维数组，其中，“0”表示不翻转，“1”表示翻转。
6.根据权利要求4所述的反射式空间编码高分辨光场成像方法，其特征在于：所述二维阵列探测器为CCD探测器或CMOS探测器或光电二极管阵列。
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