CN113359267B - 一种光场镜头及组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光场镜头及组装方法，其中光场镜头包括密封壳套以及依次序设置在密封壳套内的成像镜头、前倒接环、前倒接面板、微透镜面板、微透镜阵列、后倒接面板、后倒接环以及中继镜头；所述前倒接面板、微透镜面板以及后倒接面板固定在所述密封壳套内；在前倒接面板上固定所述前倒接环，所述成像镜头设置在所述前倒接环上；所述微透镜阵列固定在所述微透镜面板上；在后倒接面板上固定所述后倒接环，所述中继镜头设置在所述后倒接环上；本发明光场相机，采用模块化的组装，便于安装，有利于提高整体结构的稳定性，减少误差。

Description

一种光场镜头及组装方法

技术领域

本发明属于光场成像应用领域，特别涉及一种光场镜头的设计和组装方法及装置。

背景技术

传统相机只能采集三维物体在像平面上的二维投影，其虽然可以记录物体的空间分布，但是无法记录光线传播方向。为了克服传统相机的不足之处，光场相机在主透镜和CCD传感器之间插入一个微透镜阵列，用于分辨和记录每个像素来自不同角度的光线，可将传统的二维图像扩展到四维，从而获取更高维度的视觉信息。光场相机能够实现单相机单次曝光下同时对光线强度和光线方向进行采集，其特点主要体现在可以从光场数据中恢复任意对焦位置的图像信息，同时也解决了景深受孔径大小尺寸限制的问题，根据获得的图像数据可以实时计算出景象的真实形态，具有先拍照后聚焦、大景深成像、3D成像以及透视成像等优点。

商用光场相机内部的光学参数是不公开的，在使用前需要对内部的光学参数进行标定，标定过程中的误差会对实际应用造成影响。同时，在工程应用中，需要针对不同的场景调整光场相机的光学参数。商用光场相机无法对其内部参数进行调整，不利于工业化使用。由于商用光场相机的缺点，涌现出很多传统相机的光场化改造技术，利用已知参数的光学元件灵活选配进行二次开发，丰富市场上光场相机的类别和适用领域。最常用的手段就是对传统相机进行不可逆拆解，利用光场成像原理在传统相机探测器前耦合一个微透镜阵列，再进行封装成市场上商用光场相机的构型，从而已知相机的内部参数，同时还降低了相机的成本，更适用于专有的被测对象。

这种对相机进行不可逆拆解的方案，不太适用于一些造价昂贵或内部结构复杂的相机。一方面，不可逆拆解对相机本身有一定损害的风险，相机拆解后不能保修，且一般相机出厂有校正环节，拆解后对成像质量会有一定的损害；另一方面，相机进行光场改造定型需在专业的工厂车间进行，用户一般不能随意拆解改造，对用户而言相机参数不可调整，改装相机不能灵活适用于多个场合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种不用对相机进行拆解就能实现光场成像的光场镜头。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光场镜头，其特征在于，包括密封壳套以及依次序设置在密封壳套内的成像镜头、前倒接环、前倒接面板、微透镜面板、微透镜阵列、后倒接面板、后倒接环以及中继镜头；

所述前倒接面板、微透镜面板以及后倒接面板固定在所述密封壳套内；

在前倒接面板上固定所述前倒接环，所述成像镜头设置在所述前倒接环上；

所述微透镜阵列固定在所述微透镜面板上；

在后倒接面板上固定所述后倒接环，所述中继镜头设置在所述后倒接环上；

所述中继镜头的后端露出密封壳套，用于连接相机进行成像；

在所述成像镜头上设密封环；在所述后端中继镜头与密封壳套之间设有密封圈。

一种光场镜头的组装方法，其特征在于，包括：

在密封壳套内焊接前倒接面板、微透镜面板以及后倒接面板；

在前倒接面板上安装前倒接环，在前倒接环上安装成像镜头；在微透镜面板上安装微透镜阵列；在后倒接面板上安装后倒接环，在后倒接环上安装前端中继镜头、双阳环及后端中继镜头；

对微透镜阵列的安装误差进行校准，其中，所述安装误差包括耦合装配误差、旋转装配误差和倾斜装配误差；

对成像镜头与微透镜阵列F数进行匹配。

本发明提供的光场镜头及组装方法，相比于传统相机光场化改造技术有如下有益效果：将光场镜头封装于密封套内做为单独的模块外接于相机前侧，可有效避免对于相机光场化改造的不可逆破坏；对光场镜头进行独立设计和组装，光学参数和几何参数可以根据实际需要进行调节，并且满足耦合装配误差、旋转装配误差和倾斜装配误差要求；采用模块化的组装，便于安装，有利于提高整体结构的稳定性，减少误差。

耦合装配误差是指微透镜阵列与图像传感器之间的距离偏差，其满足关系式：

式中，δ_ass表示耦合装配误差；P表示单个相机感光单元的尺寸；f表示成像镜头2的焦距；D表示成像镜头2的直径。

旋转装配误差指微透镜阵列的行(或列)与图像传感器的行(或列)之间的角度偏差，其满足关系式：

δ_rota表示旋转装配误差；N表示中继镜头14后端接入相机一行的像素数之和。

倾斜装配误差指微透镜阵列所在平面的法线与图像传感器所在平面的法线之间的角度偏差，其满足关系式：

δ_tilt表示倾斜装配误差；f_μ表示微透镜阵列3的焦距；D表示成像镜头2的直径；N表示中继镜头14后端接入相机一行的像素数之和。

本发明光场镜头，将原来的在相机侧的改造转移到镜头侧，而不用破坏价格相对昂贵的相机。无需复杂的光学设计，利用常用的标准光学成像镜头组合构成一个等效的光路系统，可以将微透镜和相机探测器面的实际距离从原来的几百微米拉大到十几厘米，从而不用对相机进行拆解就能实现光场成像。通过精密的装配和封装后可以形成光场镜头，具有价格便宜、结构稳定、接口标准等优点。

附图说明

图1为本发明的一种光场镜头的设计和组装及装置的3D装配爆炸图；

图2为本发明的微透镜阵列3的3D爆炸装配图；

图3为本发明安装好的镜头装置剖面装配图；

图4为本发明所拍摄的光场图像；

其中，密封壳套1、成像镜头2、密封环3、前倒接环4、前倒接面板5、微透镜面板6、微透镜阵列7、垫圈8、压片9、后倒接面板10、后倒接环11、前端中继镜头12、双阳环13、后端中继镜头14、密封圈15。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述仅仅用以解释本发明并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“连接于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“前部”、“尾部”等指示方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须有特点的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图2，现对本发明提供的一种光场镜头及组装方法，结合具体实施例进行说明。

在本发明实施例中，所描述的一种光场镜头，包括密封壳套1和依次序密封在密封壳套1内的成像镜头2、密封环3、前倒接环4、前倒接面板5、微透镜面板6、微透镜阵列7、垫圈8、压片9、后倒接面板10、倒接环11、中继镜头、密封圈15。密封壳套1用于封装成像镜头2、微透镜阵列7、中继镜头。前倒接面板5、微透镜面板6、后倒接面板10均焊接于密封壳套1上以提高结构稳定性。

本发明实施例中，成像镜头2通过卡扣卡在前倒接环4上，前倒接环4通过螺纹旋拧在密封套壳1内的前倒接面板5上；微透镜阵列7是在距离前倒接环4前端面1倍法兰距的微透镜面板6上开一个槽，将其放置于槽中，并用垫圈8和压片9进行固定，通过螺钉将压片9固定于微透镜面板6上；后倒接环11通过螺纹旋拧在后倒接面板10上，其位置安装要求是，其前端面至微透镜阵列7后端面有一倍法兰距加微透镜阵列7的一倍焦距之和的距离。

中继镜头由前端中继镜头12和后端中继镜头14构成，前端中继镜头12和后端中继镜头14通过双阳环13倒扣连接，前端中继镜头12通过卡扣卡在后倒接环11上，后倒接环11通过螺纹旋拧在后倒接面板10上，后端中继镜头14通过顶针和卡槽固定在密封壳套1内；密封环3套在成像镜头2上，密封圈15垫在后端中继镜头密封壳套1之间，两者都是为了防止灰尘进入光场镜头内；前倒接面板5、微透镜面板6、后倒接面板10均焊接于密封壳套1上以提高结构稳定性；密封壳套1分为上密封壳套和下密封壳套，两者通过顶针相连接，用于封装成像镜头2、微透镜阵列7、前端中继镜头12和后端中继镜头14，最终形成模块化光场镜头组件。

本发明实施例中，成像镜头2选用Nikon公司的标准变焦相机镜头，焦距为100mm，直径为25mm；中继镜头选用对头连接的尼康Nikon NIKKOR 50mm f/1.8D标准镜头，焦距为50mm，最大F数为1.8，通光孔径为27.8mm，镜头卡口为F-mount；微透镜阵列7选用RPCPhotonics公司的MLA-S100-f4微透镜阵列，焦距为420μm，子微透镜直径为100μm，F数为4.2；相机选用安森美公司的KAI-08050相机，像素尺寸为5.5μm x 5.5μm，有效像素数为3312x2488。

本发明实施例中，完成上述光场镜头的组装后，其中，微透镜阵列7需要满足装配误差要求，包括耦合装配误差、旋转装配误差和倾斜装配误差。

耦合装配误差是指微透镜阵列与图像传感器之间的距离偏差，其满足关系式：

式中，δ_ass表示耦合装配误差；P表示单个相机感光单元的尺寸；f表示成像镜头2的焦距；D表示成像镜头2的直径。

旋转装配误差指微透镜阵列的行(或列)与图像传感器的行(或列)之间的角度偏差，其满足关系式：

式中，δ_rota表示旋转装配误差；N表示中继镜头14后端接入相机一行的像素数之和。

倾斜装配误差指微透镜阵列所在平面的法线与图像传感器所在平面的法线之间的角度偏差，其满足关系式：

式中，δ_tilt表示倾斜装配误差；f_μ表示微透镜阵列3的焦距；D表示成像镜头2的直径；N表示中继镜头14后端接入相机一行的像素数之和。

本发明实施例中，成像镜头2的F数要匹配微透镜阵列3的F数。

本发明实施例中，在完成本发明所述的光场镜头组装、微透镜阵列误差校准以及成像镜头与微透镜阵列F数匹配后，后端中继镜头5的后端外露于密封壳套。

封壳套1、成像镜头2、密封环3、倒接环4、面板5、面板6、微透镜阵列7、垫圈8、压片9、倒接面板10、倒接环11、前端中继镜头12、双阳环13、后端中继镜头14、密封圈15。

上述光场相机的工作原理为：物方光线由成像镜头2射入，经过成像镜头2聚焦于微透镜阵列7，由微透镜阵列单元的折光作用向由前端中继镜头12和后端中继镜头14组成的中继镜头组出射，最终投射到与后端中继镜头55后端连接的相机的感光单元上。中继镜头组为前端中继镜头4和后端中继镜头5，对焦无穷远，通过双阳环倒扣连接。微透镜阵列距离相机感光单元远大于微透镜阵列的焦距，中继镜头用来将微透镜阵列的聚焦的光学图像传送到相机感光单元上。中继镜头的作用是在结构上分离微透镜阵列和相机CCD，从而降低微透镜阵列和图像传感器的耦合装配难度，同时留出空间安装光学平移台，实现光场相机光学参数的灵活调整。

在本实施例中，图4是本发明所述的光场镜头所拍摄的标定板光场照片，其与商用光场相机可以达到同样的效果。

Claims (6)

1.一种光场镜头，其特征在于，包括密封壳套以及依次序设置在密封壳套内的成像镜头、前倒接环、前倒接面板、微透镜面板、微透镜阵列、后倒接面板、后倒接环以及中继镜头；

所述前倒接面板、微透镜面板以及后倒接面板固定在所述密封壳套内；

在前倒接面板上固定所述前倒接环，所述成像镜头设置在所述前倒接环上；

所述微透镜阵列固定在所述微透镜面板上；

在后倒接面板上固定所述后倒接环，所述中继镜头设置在所述后倒接环上；

所述中继镜头的后端露出密封壳套，用于连接相机进行成像；

在所述成像镜头上设密封环；在所述中继镜头与密封壳套之间设有密封圈；

所述微透镜阵列与图像传感器CCD之间的距离偏差满足关系式：

式中，δ_ass表示耦合装配误差；P表示单个相机感光单元的尺寸；f表示成像镜头的焦距；D表示成像镜头的直径；

所述微透镜阵列的行或列与图像传感器的行或列之间的角度偏差满足关系式：

式中，δ_rota表示旋转装配误差；N表示图像传感器CCD一行的像素数之和；

所述微透镜阵列所在平面的法线与图像传感器所在平面的法线之间的角度偏差满足关系式：

式中，δ_tilt表示倾斜装配误差；f_μ表示微透镜阵列的焦距；D表示成像镜头的直径；N表示图像传感器CCD一行的像素数之和。

2.根据权利要求1所述的一种光场镜头，其特征在于，所述成像镜头通过卡扣卡在前倒接环上；所述前倒接环通过螺纹旋拧在密封套壳内的前倒接面板上；所述前倒接环位置安装要求是前倒接环前端面至微透镜阵列后端面有一倍法兰距加微透镜阵列的一倍焦距之和的距离。

3.根据权利要求1所述的一种光场镜头，其特征在于，在所述微透镜面板上开一个槽，所述微透镜阵列放置于槽中，并用垫圈和压片进行固定，通过螺钉将压片固定于微透镜面板上。

4.根据权利要求1所述的一种光场镜头，其特征在于，所述中继镜头包括前端中继镜头和后端中继镜头，前端中继镜头和后端中继镜头通过双阳环倒扣连接，前端中继镜头通过卡扣卡在后倒接环上，后倒接环通过螺纹旋拧在后倒接面板上，后端中继镜头通过顶针和卡槽固定在密封壳套内。

5.一种光场镜头的组装方法，其特征在于，包括：

在密封壳套内焊接前倒接面板、微透镜面板以及后倒接面板；

在前倒接面板上安装前倒接环，在前倒接环上安装成像镜头；在微透镜面板上安装微透镜阵列；在后倒接面板上安装后倒接环，在后倒接环上安装前端中继镜头、双阳环及后端中继镜头；

对微透镜阵列的安装误差进行校准，其中，所述安装误差包括耦合装配误差、旋转装配误差和倾斜装配误差；

对成像镜头与微透镜阵列F数进行匹配；

所述耦合装配误差的校准为使微透镜阵列与图像传感器CCD之间的距离偏差满足关系式：

式中，δ_ass表示耦合装配误差；P表示单个相机感光单元的尺寸；f表示成像镜头的焦距；D表示成像镜头的直径；

所述旋转装配误差的校准为使微透镜阵列的行或列与图像传感器的行或列之间的角度偏差满足关系式：

式中，δ_rota表示旋转装配误差；N表示图像传感器CCD一行的像素数之和；

所述倾斜装配误差的校准为使微透镜阵列所在平面的法线与图像传感器所在平面的法线之间的角度偏差满足关系式：

式中，δ_tilt表示倾斜装配误差；f_μ表示微透镜阵列的焦距；D表示成像镜头的直径；N表示图像传感器CCD一行的像素数之和。

6.根据权利要求5所述的组装方法，其特征在于，对成像镜头与微透镜阵列F数进行匹配的方法是：所述成像镜头的F数要匹配微透镜阵列的F数。

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