CN111190325A - 一种全固态全息拍摄器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及3D显示领域，公开了一种全固态全息拍摄器，包括设置于全息拍摄器内部的拍摄镜组和成像单元，拍摄镜组用于捕捉景物的光线，成像单元包括多个感光芯片，不同景深上景物像面的光线经过拍摄镜组和成像单元光学转化后，分别在相应焦距的感光芯片上形成景物不同景深像面的实像画面并记录下来，感光芯片上形成实像画面的相邻像素间距为d(mm)，多个感光芯片等效于与拍摄镜组对应的一组相互平行的等效感光面，任意相邻两个等效感光面之间的距离为L(mm)，满足：L≥2d。通过引入多个等效感光面的方案实现了真实的3D图像拍摄的功能。本发明的工作过程中无需运动部件，大大提高可靠性和画质，同时降低生产成本和控制难度。

Description

一种全固态全息拍摄器
技术领域
本发明涉及3D显示领域，尤其是涉及一种全固态全息拍摄器。
背景技术
为了显示3D画面，我们必须先获得3D片源，但是目前的摄像机只能拍摄2D画面。虽然近年来有些影片采用双摄像头方案实现3D片源获取，但是这种方案只能实现一种基于立体图像对的伪3D技术。
全息色摄影技术可以记录真实的3D画面信息，但是其拍摄条件极其苛刻，光路布局非常困难，只能在实验室内进行简单的拍摄工作，无法应用在实际生活中。
授权号为CN 203965794 U的专利提供了一个3D拍摄方案，但是需要高速运动部件，系统可靠性低，同时对于数据处理速度要求极高。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对上述现有技术的不足，提供一种全固态全息拍摄器，工作过程中无需运动部件，大大提高了可靠性和画质，同时降低生产成本和控制难度。
为解决上述技术问题，本发明提出一种全固态全息拍摄器，包括设置于全息拍摄器内部的拍摄镜组和成像单元；
所述拍摄镜组用于捕捉景物的光线；
所述成像单元包括多个感光芯片，不同景深上景物像面的光线经过拍摄镜组和成像单元光学转化后，分别在相应焦距的感光芯片上形成景物不同景深像面的实像画面并记录下来；
其中所述感光芯片上形成实像画面的相邻像素间距为d(mm)，所述多个感光芯片等效于与拍摄镜组对应的一组相互平行的等效感光面，任意相邻两个等效感光面之间的距离为L(mm)，满足：L≥2d。
进一步地，所述成像单元还包括光路整合镜组，所述光路整合镜组与多个感光芯片的位置关系满足光学成像原理，用于将不同景深的景物像面光学转化为实像画面；
不同景深上景物像面的光线经过拍摄镜组和光路整合镜组的光学转化后，不同景深的景物像面分别在相应焦深的感光芯片上成像，等效于在与感光芯片对应的等效感光面上成像。
进一步地，所述光路整合镜组为多个子棱镜拼接形成的立方体棱镜，单个所述感光芯片分别与光路整合镜组的一个侧面相对应；
不同景深的景物像面光线经过光路整合镜组的多个子棱镜的反射，分别在相应焦深的感光芯片上成像。
进一步地，所述感光芯片数量为3个，所述光路整合镜组为一个X合路棱镜，所述X合路棱镜由4个横截面为等腰直角三角形的子棱镜拼接而成且横截面为正方形，所述3个感光芯片分别位于X合路棱镜的3个与其横截面垂直的外表面一侧，且所述3个感光芯片距离X合路棱镜相应的侧面间距各不相同，所述X合路棱镜的第4个与其横截面垂直的外表面为影像入射面，且影像入射面正对拍摄镜组。
进一步地，所述感光芯片数量为5个，所述光路整合镜组为由若干子棱镜拼合成的立方体棱镜，且所述子棱镜是由立方体任意一个面上，取两个相邻顶点和面心以及立方体的几何中心，四个点构成的四面体棱镜，5个感光芯片分别正对立方体的棱柱镜的5个外表面，且距离表面的距离各不相同，所述立方体棱柱镜的第6个面为影像入射面，影像入射面正对拍摄镜组。
进一步地，拼接成立方体棱镜的每个子棱镜的拼合缝均设有半透半反膜。
进一步地，还包括设置于拍摄镜组和光路整合镜组之间的光路调整镜组，所述光路调整镜组用于调整不同景深的景物像面的成像位置。
进一步地，所述光路调整镜组为包含凸透镜的镜组。
进一步地，所述拍摄镜组与光路整合镜组之间和/或光路整合镜组与感光芯片之间的相对位置可调。
进一步地，所述成像单元为多个透明感光芯片逐层排列形成。
进一步地，所述成像单元包括由沿一条直线设置的多个半透半反镜，每个半透半反镜对应设有一个与其成锐角θ布置的感光芯片，且单个感光芯片距对应的半透半反镜的距离各不相同。
进一步地，所述成像单元的多个感光芯片可以用投射单元进行部分取代，形成既可以拍摄又可以投影的双功能全固态全息拍摄器。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的工作过程中无需运动部件，大大提高可靠性和画质，同时降低生产成本和控制难度；
2、本发明通过成像单元通过光学转化，将不同景深的景物像面分别在不同的感光单元上形成实像画面并记录下来，实现了记录真实的3D画面信息，与传统2D拍摄设备相比，本发明无需对焦过程，大大提高响应速度；
3、本发明虽然是用于3D拍摄，但是可以向下兼容2D拍摄功能；
4、本发明还可以实现同时进行拍摄和投影显示，方便用于有拍摄和投影的双功能需求的应用场合，大大降低了系统复杂度，降低成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的内部结构示意图，
图2为带有光路调整镜组4的本发明的结构示意图，
图3为光路调整镜组4转换等效感光面3的空间位置示意图，
图4为感光芯片21数量为2个的实施例1中成像单元2的组合示意图，
图5为感光芯片21数量为3个的实施例1中成像单元2的组合示意图，
图6为实施例1和实施例2中六面体X合路棱镜结构示意图，
图7为感光芯片21数量为5个的实施例1中成像单元2的组合示意图，
图8为实施例3组成光路整合镜组22的子棱镜结构图，
图9为实施例4中所述的成像单元2组合示意图，
图10为实施例5中所述的成像单元2一种组合的示意图，
图11为实施例5中所述的成像单元2另一种组合的示意图，附图标记如下：
拍摄镜组1，成像单元2，感光芯片21，光路整合镜组22，等效感光面3，光路调整镜组4，半透半反镜5。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
参照图1至图10，本发明提供一种全固态全息拍摄器，包括设置于全息拍摄器内部的拍摄镜组1和成像单元2；
其中拍摄镜组1用于捕捉景物的光线；
成像单元2包括多个感光芯片21，不同景深上景物像面的光线经过拍摄镜组1和成像单元2光学转化后，分别在相应焦距的感光芯片21上形成景物不同景深像面的实像画面并记录下来；
其中感光芯片21上形成实像画面的相邻像素间距为d(mm)，多个感光芯片21等效于与拍摄镜组1对应的一组相互平行的等效感光面3，等效感光面3可以是真实的物理感光面，也可以是经过光路转化后形成的物理感光面的虚像面，还可以是实像面等，任意相邻两个等效感光面3之间的距离为L(mm)，满足：L≥2d。
相邻的等效感光面3之间的间距L决定了全息拍摄器的的拍摄画面在深度方向的分辨率，而任意一个等效感光面3上的像素间距d决定了画面的横向分辨率即平面分辨能力。
通常人眼的深度分辨率远低于横向分辨率，所以即使深度方向上像素间距较大也不会造成分辨失真，因此拍摄画面在深度方向上的像素间距可以设置大一些，从而可以在有效降低设备和工艺成本的条件下，拍摄出非常真实的3D画面。
为了尽可能减少深度方向上的像面数量，降低系统复杂度，可以尽可能拉大深度方向上的像素间距与横向像素间距的比值，即L与d的比值，具体效果如下：
10d≥L≥2d时，可以有效降低系统复杂度，同时保证了深度方向上画质的细腻；
20d≥L＞10d时，可以进一步降低系统复杂度，同时保证了深度方向上画质依然比较细腻；
30d≥L＞20d时，系统复杂度中等，同时深度方向上画质稍微粗糙一些，但依然可以有较好的深度信息展示效果；
40d≥L＞30d时，系统复杂度较低，但是深度方向上画质粗糙，但依然可以实现深度信息展示效果；
L＞40d时，可以极大简化系统复杂度，同时提供必要的深度信息；
当两者比值进一步变大时，可以有效的降低深度方向上的像面数量，同时依然保持3D画面在深度方向上具有可见的分辨率，比值越大，深度方向上的细节表达能力越差，实际应用时可以根据情况进行调整。
作为一种优选方案，成像单元2还包括光路整合镜组22，光路整合镜组22与多个感光芯片21的位置关系满足光学成像原理，用于将不同景深的景物像面光学转化为实像画面；
不同景深上景物像面的光线经过拍摄镜组1和光路整合镜组22的光学转化后，不同景深的景物像面分别在相应焦深的感光芯片21上成像，等效于在与感光芯片21对应的等效感光面3上成像。
优选的是，光路整合镜组22为多个子棱镜拼接形成的立方体棱镜，单个感光芯片21分别与光路整合镜组22的一个侧面相对应，不同景深的景物像面光线经过光路整合镜组22光学转化即通过多个子棱镜的反射，分别在相应焦深的感光芯片21上成像。
需要说明的时，只有焦深合适的感光芯片21上才能够形成清晰的画面，为了把景物的景深信息与感光芯片21所处的焦深对应起来，实现景深记录，每个感光芯片21距光路整合镜组22的距离应当各不相同。
为了优化光路整合镜组22的光路转换效果，在拼接成立方体棱镜的每个子棱镜的拼合缝均设有半透半反膜；
使用光路整合镜组22对景物的光线进行光路转化时，可能造成实像画面偏离理想成像区间。那么可以通过引入一个光路调整镜组4把等效感光面3转换至理想成像区间，最简单的方式可以使用一个含有凸透镜的镜组，利用其光学成像规律把位于凸透镜一侧的像面转换到另一侧。实际应用时，单个凸透镜的成像质量相对较差，此时可以增加一系列用于矫正像差的光学元件，如凹透镜等，具体实现方式可以借鉴业内较成熟的解决方案(如参考相机多片式镜头设计)，这里不做赘述。
本发明的全息拍摄器还具有调焦功能，如通过调整感光芯片21与光路整合镜组22之间相对位置或者是调整拍摄镜组1与成像单元2之间的相对位置来实现，因此可以在拍摄镜组1与光路整合镜组22之间和/或光路整合镜组22与感光芯片21之间分别增加部分调节机构来实现上述的调焦功能，调节机构可以是多样的，这里不加以限制，具体的可以根据实际情况来定。
成像单元2可以直接由多个透明感光芯片逐层排列形成，它们之间可以彼此穿透，这样每一层透明感光芯片都可以对应不同景深的景物像面，独自形成不同景深的3D实像画面，实现3D拍摄的效果，每个感光芯片均可以等效看作一个等效感光面3。透明感光芯片可以采用授权号为CN103926691B和CN103984089B的专利提供的光开关阵列方式。
成像单元2还可以采用如下组合：包括沿一条直线设置的多个半透半反镜5，每个半透半反镜5对应设有一个与其成锐角θ布置的感光芯片21，且单个感光芯片21距对应的半透半反镜5的距离各不相同，具体设置时，感光芯片21可以位于半透半反镜5的上方，也可以位于半透半反镜5的下方，θ范围为30°～60°，优选45°。
下面结合实施例对本发明进行进一步详细说明：
实施例1
感光芯片21数量为2个，光路整合镜组22为一个六面体的X合路棱镜，由4个横截面为等腰直角三角形的棱柱镜拼接而成且横截面为正方形，X合路棱镜内部拼合缝处设有半透半反膜，2个感光芯片21分别位于X合路棱镜的两个相对的、与其横截面垂直的外表面一侧，且2个感光芯片21距离X合路棱镜相应的侧面间距各不相同，X合路棱镜其余两个与其横截面垂直的外表面的其中一个为影像入射面，且影像入射面正对拍摄镜组1。实际效果上等效于在影像入射面后面布置有2个平行不遮挡的等效感光面3一样：不同景深的景物像面光线直接经过拍摄镜组1后在2个平行不遮挡的等效感光面3上形成不同景深的景物像面的实像画面，该结构跟传统投影仪的合色棱镜相似，但是有明显区别，合色镜的拼缝处涂膜是选择性反射膜，如只反射红光或者绿光，而本发明采用的是半透半反膜，无光线选择性，合色镜三个颜色的画面需要重合形成一个彩色画面，而本发明可以将具有深度信息的景物，在每个感光芯片21上形成对应景深的景物像面的实像画面。
实施例2
感光芯片21数量为3个，光路整合镜组22为一个六面体的X合路棱镜由4个横截面为等腰直角三角形的棱柱镜拼接而成且横截面为正方形，X合路棱镜内部拼合缝处设有半透半反膜，3个感光芯片21分别位于X合路棱镜的3个与其横截面垂直的外表面一侧，且3个感光芯片21距离X合路棱镜相应的侧面间距各不相同，X合路棱镜的第4个与其横截面垂直的外表面为影像入射面，且影像入射面正对拍摄镜组1。实际效果上就像是影像入射面后面布置有3个平行不遮挡的等效感光面3一样，由于感光芯片21与X合路棱镜的表面间距不同，所以形成的等效感光面3均不重合。不同景深的景物像面光线直接经过拍摄镜组1后在三个平行不遮挡的等效感光面3上分别形成对应景深的景物像面的实像画面。
实施例3
感光芯片21数量为5个，光路整合镜组22为由若干子棱镜拼合成的正方体棱镜，且子棱镜是由正方体任意一个面上，取两个相邻顶点和面心以及立方体的几何中心，四个点构成的四面体棱镜，正方体棱镜内部拼合缝处均设有半透半反膜，5个感光芯片21分别正对正方体棱镜的5个面，且与各表面的距离各不相同，正方体棱镜的第6个面为影像入射面，且影像入射面正对拍摄镜组1。实际效果上等效于在影像入射面后面布置有5个彼此平行的等效感光面3一样。
光路整合镜组22的形式应该与感光芯片21的数量相匹配，在采用更多数量(大于6)的感光芯片21进行拍摄时，光路整合镜组22可以是由若干子棱镜拼接成的多面的立方体结构，多面立方体结构的外表面数量大于7。
需要说明的是，上述实施例1～3中采用的立方体棱镜内部、各个子棱镜的拼接处均设有半透半反膜，这只是一种优选的实施方式，并不是对本发明的限制，在各个子棱镜的拼接处不设半透半反膜同样可以实现本发明的拍摄效果。
实施例4
成像单元2由5个透明感光芯片逐层排列形成，可以彼此穿透，这样每一层透明感光芯片都可以对应一个不同景深的景物像面，独自形成不同景深的3D实像画面，实现3D拍摄的效果，每个感光芯片均可以等效看作一个等效感光面3。
实施例5
成像单元2包括沿一条直线设置的5个半透半反镜5，每个半透半反镜5对应设有一个与其成45°布置的感光芯片21，且单个感光芯片21距对应的半透半反镜5的距离各不相同。
不同景深的景物像面光线经过半透半反镜5光学转换后，在相应的一个感光芯片21上形成对应景深的景物像面的实像画面，实际效果等效于景物光线直接在半透半反镜组与景物相反的一侧的多个平行不遮挡的等效感光面3上成像。
上述的半透半反镜5并不需要严格的透射率和反射率都等于50％，可以根据实际需要灵活调整透射率和反射率的数值，如根据画面清晰度来确定二者的具体数值。
本发明的成像原理如下：
不同景深的景物像面经过拍摄镜组1以及光路整合镜组22光路转化后，在对应焦深的感光芯片21上形成有景物的某个景深像面的实像画面，实现3D拍摄的效果。
本发明虽然是用来拍摄3D画面的，但是通过把部分感光芯片21替换为投射单元，还可以实现投影摄像双功能系统，使其在拍摄的同时还具备投影的功能，进一步拓宽系统的功能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种全固态全息拍摄器，其特征在于：包括设置于全息拍摄器内部的拍摄镜组(1)和成像单元(2)；
所述拍摄镜组(1)用于捕捉景物的光线；
所述成像单元(2)包括多个感光芯片(21)，不同景深上景物像面的光线经过拍摄镜组(1)和成像单元(2)光学转化后，分别在相应焦距的感光芯片(21)上形成景物不同景深像面的实像画面并记录下来；
其中所述感光芯片(21)上形成实像画面的相邻像素间距为d(mm)，所述多个感光芯片(21)等效于与拍摄镜组(1)对应的一组相互平行的等效感光面(3)，任意相邻两个等效感光面(3)之间的距离为L(mm)，满足：L≥2d。
2.根据权利要求1所述的一种全固态全息拍摄器，其特征在于：所述成像单元(2)还包括光路整合镜组(22)，所述光路整合镜组(22)与多个感光芯片(21)的位置关系满足光学成像原理，用于将不同景深的景物像面光学转化为实像画面；
不同景深上景物像面的光线经过拍摄镜组(1)和光路整合镜组(22)的光学转化后，不同景深的景物像面分别在相应焦深的感光芯片(21)上成像，等效于在与感光芯片(21)对应的等效感光面(3)上成像。
3.根据权利要求2所述的一种全固态全息拍摄器，其特征在于：所述光路整合镜组(22)为多个子棱镜拼接形成的立方体棱镜，单个所述感光芯片(21)分别与光路整合镜组(22)的一个侧面相对应；
不同景深的景物像面光线经过光路整合镜组(22)的多个子棱镜的反射，分别在相应焦深的感光芯片(21)上成像。
4.根据权利要求3所述的一种全固态全息拍摄器，其特征在于：所述感光芯片(21)数量为3个，所述光路整合镜组(22)为一个X合路棱镜，所述X合路棱镜由4个横截面为等腰直角三角形的子棱镜拼接而成且横截面为正方形，所述3个感光芯片(21)分别位于X合路棱镜的3个与其横截面垂直的外表面一侧，且所述3个感光芯片(21)距离X合路棱镜相应的侧面间距各不相同，所述X合路棱镜的第4个与其横截面垂直的外表面为影像入射面，且影像入射面正对拍摄镜组(1)。
5.根据权利要求3所述的一种全固态全息拍摄器，其特征在于：所述感光芯片(21)数量为5个，所述光路整合镜组(22)为由若干子棱镜拼合成的立方体棱镜，且所述子棱镜是由立方体任意一个面上，取两个相邻顶点和面心以及立方体的几何中心，四个点构成的四面体棱镜，5个感光芯片(21)分别正对立方体的棱柱镜的5个外表面，且距离表面的距离各不相同，所述立方体棱柱镜的第6个面为影像入射面，影像入射面正对拍摄镜组(1)。
6.根据权利要求3～5任意一项所述的一种全固态全息拍摄器，其特征在于：拼接成立方体棱镜的每个子棱镜的拼合缝均设有半透半反膜。
7.根据权利要求1或2所述的一种全固态全息拍摄器，其特征在于：还包括设置于拍摄镜组(1)和光路整合镜组(22)之间的光路调整镜组(4)，所述光路调整镜组(4)用于调整不同景深的景物像面的成像位置。
8.根据权利要求6所述的一种全固态全息拍摄器，其特征在于：所述光路调整镜组(4)为包含凸透镜的镜组。
9.根据权利要求3所述的一种全固态全息拍摄器，其特征在于：所述拍摄镜组(1)与光路整合镜组(22)之间和/或光路整合镜组(22)与感光芯片(21)之间的相对位置可调。
10.根据权利要求1所述的一种全固态全息拍摄器，其特征在于：所述成像单元(2)为多个透明感光芯片逐层排列形成。
11.根据权利要求1所述的一种全固态全息拍摄器，其特征在于：所述成像单元(2)包括由沿一条直线设置的多个半透半反镜(5)，每个半透半反镜(5)对应设有一个与其成锐角θ布置的感光芯片(21)，且单个感光芯片(21)距对应的半透半反镜(5)的距离各不相同。
12.根据权利要求1所述的一种全固态全息拍摄器，其特征在于：所述成像单元(2)的多个感光芯片(21)可以用投射单元进行部分取代，形成既可以拍摄又可以投影的双功能全固态全息拍摄器。
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