CN114002856B - 锥透镜成像装置、锥透镜成像方法和电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锥透镜成像装置、锥透镜成像方法和电子装置，涉及圆锥透镜技术和成像技术领域。本发明的锥透镜成像装置包括：透镜组，所述透镜组包括至少一个锥透镜；图像采集单元，锥透镜包括液晶透镜元件和驱动电路，液晶透镜元件包括电极和液晶层；在沿第一电极的平面的法向方向上，所述第一电极与第二电极之间的距离为d1，所述第二电极的与第三电极之间的距离为d2，其中0≤d2≤0.4，d2/2+0.3≤d1≤‑d2/2+0.7；本发明的锥透成像方法包括，接收第一驱动电压v1和第二驱动电压v2；采集经过所述锥透镜的光信号生成图像信息。本发明可以使图像采集单元所采集到的图像更加清晰，并且具有更大的景深。本发明可以方便，快捷，实时地改变聚焦深度和成像的景深。

Description

锥透镜成像装置、锥透镜成像方法和电子装置

技术领域

本发明涉及一种圆锥透镜技术和成像技术领域，尤其涉及一种锥透镜成像装置、锥透镜成像方法和电子装置。

背景技术

理想的零阶贝塞尔光场的分布不随光束传播而变化，具有无衍射的性质，即其中心光束的束腰径在传播方向上始终保持在接近于衍射极限的大小而不会发生变化，故也称为“无衍射”光束；贝塞尔光束的另一个优势是如果其中心光束遇到障碍物时，外围的光会在障碍物之后“修复”中心光束的缺失，光的衍射性质则是限制光学分辨率的瓶颈，传统高斯波形的脉冲光在经过光学元件和样品时存在一定的衍射现象，因此导致光学分辨率降低，而采用贝塞尔光后则会很好的抑制光的衍射，从而提成像高分辨率。

现在技术中产生贝塞尔光束的方法有：

1.在传统会聚透镜后焦面加入一个带环形通光孔径的光阑产生贝塞尔光束；

2.利用空间光调制器产生贝塞尔光束；

3.利用TAG lens产生贝塞尔光束；

其中第1种方法的方法所产生贝塞尔光束的焦深不如传统锥透镜的焦深大；第2种方法产生贝塞尔光束的方法成本高，且调制函数复杂；第3种方法产生贝塞尔光束的方法所形成的锥透镜的最小底角受锥形腔体和液体介质的影响，而无法对其最小底角进行连续方便的调节。

锥透镜能使入射在其不同半径上的光会聚到其光轴上的相应不同位置，产生贝塞尔光束。将产生的贝塞尔光束应用到成像系统中，不仅可以提成像高分辨率不，还可以使不同位置的场景都能会聚集在一个平面，改变了普通透镜成像系统中需要调焦对不同物体成像的方式，增大了景深。

现有技术中的锥透镜由于制造方式的限制，制成的锥透镜的最小底角为0.5度至1度左右。

使用锥透镜成像时，由于成像的焦距深度与锥透镜的最小底角成反比，因此采用现有技术的锥透镜组成的成像系统在成像时的聚焦深度，成像的景深和清晰度受到限制，要想获得更长的聚焦深度，更大的景深和更清晰的图像就需要锥透镜具有更小的最小底角，因此采用现有技术的锥透镜无法获得更大景深和清晰度更高的图像。并且，由于传统的锥透镜制造完成后锥透镜最小底角就已经固定，没法实现快速，实时的改变，因此传统的锥透镜无法适用于需要使聚焦深度快速，实时地改变的成像场合。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种锥透镜成像装置和锥透镜成像方法来解决现有技术中锥透镜成像装置聚焦深度有限，无法获得大景深和高清晰度的图像，以及锥透镜的聚焦深度无法快速，实时地调节的问题。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：

第一方面，本发明提供一种锥透镜成像装置，包括：

透镜组，所述透镜组包括至少一个锥透镜；

图像采集单元，用于采集经过透镜组的光信号，并根据采集到的光信号生成图像信息；

所述锥透镜包括液晶透镜元件和驱动电路，所述液晶透镜元件包括电极和液晶层；

所述电极包括第一电极、第三电极，以及位于第一电极和第三电极之间的第二电极，所述第二电极为圆孔状电极；

所述液晶层位于第一电极和第二电极之间；

在沿第一电极的平面的法向方向上，所述第一电极与第二电极之间的距离为d1，所述第二电极的与第三电极之间的距离为d2，其中0≤d2≤0.4，d2/2+0.3≤d1≤-d2/2+0.7，其中d1和d2的单位为mm；

所述驱动电路用于为液晶透镜元件提供可调驱动电压，所述驱动电压包括第一驱动电压v1和第二驱动电压v2，所述第一驱动电压v1为第一电极和第二电极之间的电压，所述第二驱动电压v2为第一电极和第三电极之间的电压。

优选的，所述第一驱动电压v1和第二驱动电压v2满足0≤v2≤40，0≤v1≤3×v2/4+30，其中v1和v2的单位为V。

优选的，所述锥透镜成像装置还包括电压控制电路，所述电压控制电路用于接收第一驱动电压v1的值和第二驱动电压v2的值，并控制驱动电路按照接收的电压值输出的第一驱动电压v1和第二驱动电压v2。

优选的，所述锥透镜成像装置还包括聚焦深度值转换模块，所述聚焦深度值转换模块用于接收聚焦深度值，并将接收的聚焦深度值转换为对应的驱动电压的值，并将该驱动电压的值发送给电压控制电路。

优选的，所述聚焦深度值转换模块包括驱动电压查询单元，所述驱动电压查询单元用于根据映射表查询与聚焦深度值对应的驱动电压的值；其中所述映射表用于记录聚焦深度值与驱动电压值之间的映射关系。

优选的，所述聚焦深度值转换模块包括驱动电压计算单元，所述驱动电压计算单元用于根据接收的聚焦深度值计算出对应的驱动电压的值。

第二方面，本发明提供一种锥透镜成像方法，包括：

第一方面的锥透镜成像装置的电极接收第一驱动电压v1和第二驱动电压v2；

采集经过所述锥透镜的光信号，根据光信号生成图像信息；

其中第一驱动电压v1或/和第二驱动电压v2为可调电压。

优选的，所述第一驱动电压v1和第二驱动电压v2满足0≤v2≤40，0≤v1≤3×v2/4+30，其中v1和v2的单位为V。

优选的，还包括：接收聚焦深度值；将聚焦深度值转换成对应的驱动电压值；驱动电路按照转换后的驱动电压值输出相应电压。

优选的，所述将聚焦深度值转换成对应的驱动电压值包括：

建立聚焦深度值与驱动电压之间的映射关系；

根据所述映射关系查询聚焦深度值所对应的驱动电压的值。

第三方面，本发明提供一种电子装置，包括第一方面的锥透镜成像装置。

有益效果：本发明提供的锥透镜成像装置和锥透镜成像方法，通过使所述第一电极与第二电极之间的距离为以及所述第二电极的与第三电极之间的距离满足0≤d2≤0.4，d2/2+0.3≤d1≤-d2/2+0.7，并利用驱动电路为第一电极和第二电极之间以及第一电极和第三电极之间加上驱动电压后，通过驱动电压值来改变液晶锥透镜的最小底角，不受加工工艺的限制，可以获得比现有技术的锥透镜更小的最小底角，从而使液晶锥透镜具有更长的聚焦深度，也可以使图像采集单元所采集到的图像更加清晰，并且具有更大的景深。本发明可以通过调整驱动电压来方便，快捷，实时地改变锥透镜的最小底角，从而改变锥透镜的聚焦深度和成像的景深。

附图说明

图1是本发明的液晶透镜元件的结构示意图。

图2是本发明实施例1的结构框图。

图3是本发明实施例1的成像装置中锥透镜未工作时采集的图像。

图4是本发明实施例1的成像装置中锥透镜工作时采集的图像。

图5是本发明实施例3的结构框图。

图6是本发明实施例4的结构框图。

图7是本发明实施例5的结构框图。

图8是本发明实施例6的结构框图。

图9是本发明实施例7的结构框图。

图10是本发明实施例8的流程图。

图11是本发明实施例10的流程图。

图12是本发明实施例11的流程图。

主要元件符号说明：第一透明基板11、第二透明基板12、第三透明基板13、第一电极21、第二电极22、第三电极23、液晶层3、绝缘层4、间隔子5、偏振片6、液晶透镜元件7、玻璃透镜8、图像采集单元9、计算机10。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例1

本实施例提供一种锥透镜成像装置，包括：

透镜组，所述透镜组包括至少一个锥透镜；

图像采集单元9，用于采集经过透镜组的光信号，并根据采集到的光信号生成图像信息；图像采集单元9可以选用CCD传感器或者CMOS传感器。

所述锥透镜包括液晶透镜元件7和驱动电路，所述液晶透镜元件7包括电极和液晶层3；

如图1所示，所述电极包括第一电极21、第三电极23，以及位于第一电极21和第三电极23之间的第二电极22，所述第二电极22为圆孔状电极；其中第一电极21可选用透明电极，如ITO电极或者AZO电极，第二电极22可以选用透明电极或者非透明电极例如金属电极，其中金属电极材料包括但不限于Al、Pt、Cr。

如图1所示，还可以在第一电极21和第二电极22之间以及第二电极22和第三电极23之间设置绝缘部件，其中在第一电极21和第二电极22之间的绝缘部件为绝缘层4，通过绝缘层4将第一电极21和第二电极22有效阻隔开，防止两个电极之间短路。其中，第二电极22和第三电极23之间的绝缘部件为设置在液晶层3中的间隔子5。间隔子5设置在液晶层3的边缘处，一方面将液晶层3支撑起预设的厚度，另一方面在第二电极22和第三电极23之间起到绝缘作用。还可以增加第一透明基板11、第二透明基板12、第三透明基板13，其中第一电极21设置在第一透明基板11上，第二电极22设置在第二透明基板12上，第三电极23设置在第三透明基板13上。三块透明基板可以对三个电极起到很好的支撑和保护的作用，使液晶锥透镜的结构和性能更加稳固。

其中，液晶层3位于第一电极21和第二电极22之间；

在沿第一电极的平面的法向方向上，所述第一电极与第二电极之间的距离为d1，所述第二电极的与第三电极之间的距离为d2，其中0≤d2≤0.4，d2/2+0.3≤d1≤-d2/2+0.7，其中d1和d2的单位为mm；

其中，驱动电路用于为液晶透镜元件7提供可调驱动电压，所述驱动电压包括第一驱动电压v1和第二驱动电压v2，所述第一驱动电压v1为第一电极21和第二电极22之间的电压，所述第二驱动电压v2为第一电极21和第三电极23之间的电压。

本实施例的驱动电路为第一电极21和第二电极22之间以及第一电极21和第三电极23之间加上驱动电压后，在周围空间形成电场，在电场作用下液晶层3中的液晶分子成圆锥形排布，使所有通过液晶层3的入射光线都以—个相同的角度进行折射，形成可以靠电压驱动的液晶锥透镜。图像采集单元9经过前述液晶锥透镜之后的光线，生成图像信息。由于液晶锥透镜的最小底角由液晶层3中液晶分子的排列方式决定，因此可以通过调整本装置的驱动电路所输出的驱动电压值来改变液晶分子的排列方式，从而在不改变液晶锥透镜外形的情况下改变液晶锥透镜的最小底角。在没有给电极施加驱动电压时，即施加到锥透镜上的电压为0时，锥透镜的最小底角为0度，当施加到锥透镜上的电压由0开始逐渐增加时，锥透镜的最小底角也由0开始逐步增加，由于不需要改变液晶锥透镜的外形，因此液晶锥透镜的最小底角不会受到加工工艺的限制，这样就可以使液晶锥透镜具有比现有技术的锥透镜更小的最小底角，从而使液晶锥透镜具有更长的聚焦深度，也可以使图像采集单元9所采集到的图像更加清晰，并且具有更大的景深。由于本成像装置的驱动电压改变后，电极间形成的电场会随之立即改变，液晶分子的排布方式也随之迅速改变，因此本实施例可以通过调整驱动电压来方便，快捷，实时地改变锥透镜的最小底角，从而改变锥透镜的聚焦深度。

如图3和图4所示，其中图3为锥透镜未工作时采集到的图像，其中图4为本实施例中的图像采集装置工作中时采集得到的图像。可以看出，采用本实施例的锥透镜后成像的景深得到的显著的提高。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上将v1和v2的取值范围限制在：0≤v2≤40，0≤v1≤3×v2/4+30，其中v1和v2的单位为V。这样在电场作用下液晶分子的排布最接近圆锥形，因此使用本实施例的成像装置得到的成像效果也最好。

实例3

如图5所示，本实例在实施例1的基础上增加了电压控制电路，所述电压控制电路用于接收第一驱动电压v1的值和第二驱动电压v2的值，并控制驱动电路按照接收的电压值输出的第一驱动电压v1和第二驱动电压v2。本实施例可以向电压控制电路发送预先设定的v1或/和v2的值，电压控制电路控制驱动电路按照设定的驱动电压输出，这样只需要改变发送给电压控制电路的v1或/和v2的设定值就可以方便，快捷，实时地改变锥透镜的最小底角值，从而改变锥透镜的聚焦深度，调整成像装置的成像效果。利用电压控制电路连续改变v1或/和v2的设定值，锥透镜的最小底角以及聚焦深度也随电压一起连续改变。

实施例4

如图6所示，本实施例的锥透镜成像装置在实施例3的基础上还增加了聚焦深度值转换模块，所述聚焦深度值转换模块用于接收聚焦深度值，所述聚焦深度值转换模块将接收的聚焦深度值转换为对应的驱动电压的值，并将该驱动电压的值发送给电压控制电路。由于聚焦深度值和成像的景深直接相关，而本实例可以直接接收设定的聚焦深度值，由聚焦深度值转换模块转换成对应的驱动电压后输出到电极上，从而将锥透镜的聚焦深度调整为预设的聚焦深度。这样可以使本装置对成像景深的调整更加方便。其中聚焦深度值转换模块可以通过在处理器上运行相应程序实现。

实施例5

如图7所示，本实施例的聚焦深度值转换转模块包括驱动电压查询单元，所述驱动电压查询单元用于根据映射表查询与聚焦深度值对应的驱动电压的值；其中所述映射表用于记录聚焦深度值与驱动电压值之间的映射关系。本实例的成像装置制作完成后，对其聚焦深度值和驱动电压进行测量，测量出一系列聚焦深度值相和其相对应的驱动电压的值，形成映射表，映射表可以存储在存储介质中。计算机10执行查询查询程序，由映射表查询到与指定聚焦深度值相对应的驱动电压值，驱动电路按查询到的驱动电压值输出，使锥透镜调整成为指定的聚焦深度状态。

实施例6

如图8所示，本实施例的聚焦深度值转换单元包括驱动驱动电压计算单元，所述驱动电压计算单元用于根据接收的聚焦深度值计算出对应的驱动电压的值。驱动电压的计算可以在成像装置制作完成后对其聚焦深度值和驱动电压进行测量，测量出一系列聚焦深度值相和其相对应的驱动电压的值，根据测得的系列值拟合出聚焦深度值和驱动电压值的曲线，然后将拟合的曲线的公式作为由聚焦深度值计算驱动电压值的公式，并可以通过增加测试数据的密度来提供拟合曲线的精度，从而提高计算的精度。本实施例可以按照任意指定的聚焦深度值对成像装置中锥透镜的焦深进行连续调整，可以更加直观，方便地调节最终的成像效果。

实施例7

如图9所示，本实例的在所述透镜组的光线射入侧设置有偏振单元。偏振单元可以将自然光分为锥透镜摩擦方向相同的线偏光。偏振单元可以选用偏振片6。本实例的图像采集单元9可以选用CCD传感器。还可以在CCD传感器和锥透镜之间的光路上设置玻璃透镜8，图像采集单元9可以与计算机10连接，这样图像采集单元9采集的图像信息可以上传到计算机10中进行处理。

本申请的锥透镜成像装置还包括图像处理模块，图像处理模块用于对图像采集单元9生成的图像信息进行处理。此外锥透镜成像装置还包括反馈控制单元，所述反馈控制单元根据图像采集单元9生成的图像信息调整传送给聚焦深度控制单元的聚焦深度值。

实施例8

如图10所示，本实施例提供一种锥透镜成像方法，包括：

S1、实施例1中所述的锥透镜成像装置的电极接收第一驱动电压v1和第二驱动电压v2；

S2、采集经过所述锥透镜的光信号，根据光信号生成图像信息；其中图像的采集可以利用CCD传感器或者CMOS传感器，采集通过锥透镜的光线，并将采集到的光信号转换成电信号。

其中第一驱动电压v1或/和第二驱动电压v2为可调电压。

本实施例的电极接收第一驱动电压v1和第二驱动电压v2后，在周围空间形成电场，在电场作用下液晶层3中的液晶分子成圆锥形排布，使所有通过液晶层3的入射光线都以—个相同的角度进行折射，形成可以靠电压驱动的液晶锥透镜。图像采集单元9经过前述液晶锥透镜之后的光线，生成图像信息。由于液晶锥透镜的最小底角由液晶层3中液晶分子的排列方式决定，因此可以通过调整本装置的驱动电路所输出的驱动电压值来改变液晶分子的排列方式，从而在不改变液晶锥透镜外形的情况下改变液晶锥透镜的最小底角。由于不需要改变液晶锥透镜的外形，因此液晶锥透镜的最小底角不会受到加工工艺的限制，这样就可以使液晶锥透镜具有比现有技术的锥透镜更小的最小底角，从而使液晶锥透镜具有更长的聚焦深度，也可以使图像采集单元9所采集到的图像更加清晰，并且具有更大的景深。本实施例改变驱动电压后，电极间形成的电场会随之立即改变，液晶分子的排布方式也随之迅速改变，因此本实施例可以通过调整驱动电压来方便，快捷，实时地改变锥透镜的最小底角，从而改变锥透镜的聚焦深度以及成像的景深。

实施例9

本实施例在实施例7的基础上，使第一驱动电压v1和第二驱动电压v2满0≤v2≤40，0≤v1≤3×v2/4+30，其中v1和v2的单位为V。满足前述条件时，液晶分子在电场作用下的排布最接近圆锥形，因此使用本实施例的成像装置得到的成像效果也最好。

实施例10

如图11所示，本实施例在实施例8的基础上还包括；

S3、接收聚焦深度值；

S4、将聚焦深度值转换成对应的驱动电压值；

S5、驱动电路按照转换后的驱动电压值输出相应电压。

本实例直接用户接收设定的聚焦深度值，由聚焦深度值转换模块转换成对应的驱动电压后输出到电极上，从而将锥透镜的聚焦深度调整为预设的聚焦深度。由于聚焦深度值和成像的景深直接相关，在成像时用户可以通过调节聚焦深度值可以更加方便地获得想要的景深。

实施例11

如图12所示，本实施例将聚焦深度值转换成对应的驱动电压值所采用的方法是：

S6、建立聚焦深度值与驱动电压之间的映射关系；

S7、根据所述映射关系查询聚焦深度值所对应的驱动电压的值。

在成像装置制作完成后，对其聚焦深度值和驱动电压进行标定，在标定过程中测得和聚焦深度值相对应的驱动电压的值，形成聚焦深度值和驱动电压之间的映射关系，在需要调整成像装置的聚焦深度时，可由用户直接指定聚焦深度，然后根据映射关系，查找到与之对应的驱动电压值，控制驱动电路按照查找到的驱动电压值输出，使锥透镜调整成为指定的聚焦深度状态。

实施例12

本发明实施例还提供了一种电子装置，包括实例1至6的锥透镜成像装置。该电子装置可以为手机等移动终端、PC机、平板电脑、电视机、VR设备、无人机以及需要成像设备的装置，技术人员可以根据具体场景，将成像设备配置到相应的装置中得到电子装置，相应的成像设备、电子装置同样落入本申请的保护范围。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.锥透镜成像装置，包括：

透镜组，所述透镜组包括至少一个锥透镜；

图像采集单元，用于采集经过透镜组的光信号，并根据采集到的光信号生成图像信息；

其特征在于，所述锥透镜包括液晶透镜元件和驱动电路，所述液晶透镜元件包括电极和液晶层；

所述电极包括第一电极、第三电极，以及位于第一电极和第三电极之间的第二电极，所述第二电极为圆孔状电极；

所述液晶层位于第一电极和第二电极之间；

在沿第一电极的平面的法向方向上，所述第一电极与第二电极之间的距离为d1，所述第二电极的与第三电极之间的距离为d2，其中0≤d2≤0.4，d2/2+0.3≤d1≤-d2/2+0.7，其中d1和d2的单位为mm；

所述驱动电路用于为液晶透镜元件提供可调的驱动电压，所述驱动电压包括第一驱动电压v1和第二驱动电压v2，所述第一驱动电压v1为第一电极和第二电极之间的电压，所述第二驱动电压v2为第一电极和第三电极之间的电压。

2.如权利要求1所述的锥透镜成像装置，其特征在于，所述第一驱动电压v1和第二驱动电压v2满足0≤v2≤40，0≤v1≤3×v2/4+30，其中v1和v2的单位为V。

3.如权利要求1或2所述的锥透镜成像装置，其特征在于，所述锥透镜成像装置还包括电压控制电路，所述电压控制电路用于接收第一驱动电压v1的值和第二驱动电压v2的值，并控制驱动电路按照接收的电压值输出的第一驱动电压v1和第二驱动电压v2。

4.如权利要求3所述的锥透镜成像装置，其特征在于，所述锥透镜成像装置还包括聚焦深度值转换模块，所述聚焦深度值转换模块用于接收聚焦深度值，并将接收的聚焦深度值转换为对应的驱动电压的值，并将该驱动电压的值发送给电压控制电路。

5.如权利要求4所述的锥透镜成像装置，其特征在于，所述聚焦深度值转换转模块包括驱动电压查询单元，所述驱动电压查询单元用于根据映射表查询与聚焦深度值对应的驱动电压的值；其中所述映射表用于记录聚焦深度值与驱动电压值之间的映射关系。

6.如权利要求4所述的锥透镜成像装置，其特征在于，所述聚焦深度值转换模块包括驱动电压计算单元，所述驱动电压计算单元用于根据接收的聚焦深度值计算出对应的驱动电压的值。

7.锥透镜成像方法，其特征在于，包括：

权利要求1至6中任一权利要求中所述的锥透镜成像装置的电极接收第一驱动电压v1和第二驱动电压v2；

采集经过所述锥透镜的光信号，根据光信号生成图像信息；

其中第一驱动电压v1或/和第二驱动电压v2为可调电压。

8.如权利要求7所述的锥透镜成像方法，其特征在于，所述第一驱动电压v1和第二驱动电压v2满足0≤v2≤40，0≤v1≤3×v2/4+30，其中v1和v2的单位为V。

9.如权利要求7或8所述的锥透镜成像方法，其特征在于，还包括：

接收聚焦深度值；

将聚焦深度值转换成对应的驱动电压值；

驱动电路按照转换后的驱动电压值输出相应电压给电极。

10.一种电子装置，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述的锥透镜成像装置。

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