CN115032756B - 一种光场相机的微透镜阵列定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种光场相机的微透镜阵列定位方法及系统,属于光场相机技术领域。方法包括阵列焦点获取步骤、透镜焦距获取步骤、定位判断步骤以及定位调节步骤。方法基于基于多个交点‑焦距适应值,确定需要调节的镜面阵列定位参数后对光场相机的微透镜阵列执行定位校准;系统包括由多个柔性光学透镜组成的光场相机、入射光发生装置、交点位置获取装置、定位判断装置以及定位调节装置,用于实现所述方法。本发明的技术方案基于交点‑焦距适应值的计算和匹配,确定透镜阵列的定位校准参数,能够快速及时的实现光场相机的微透镜阵列定位,并且符合光学原理以及光场相机阵列的成像规律。
Description
技术领域
本发明属于光场相机技术领域,尤其涉及一种光场相机的微透镜阵列定位方法及系统。
背景技术
1936年,Gershuum最早提出了光场(Light field)这个概念,用于描述空间中的光线照度的变化。1991年Adelson E H提出七维全光函数用来表征空间中的光线,第二年设计并制造出第一台全光相机。2005年,斯坦福大学Ng R等改进全光相机中继镜头的设计,在传感器与主透镜之间插入微透镜阵列,发明了光场相机。
光场相机记录光线方向的能力使得其可以通过几何追迹的方式获得任意位置的再聚焦图像,对比传统的摄影方式需要经过繁琐的对焦过程,光场数字再聚焦是一种革命性的改变。
然而,光场相机的采用更为复杂的微透镜阵列,也导致其定位、校准过程变得不易。当微透镜阵列参数、相对位置发生变动时,将会影响光场成像效果。举例来说,为使光场相机具有合适的采样率,光场相机的微透镜需要满足与主透镜F数相匹配,微透镜相对主透镜F数过大或者过小会导致对应像素区域采样重叠或者出现无采样的区域。
现有技术中,当光场相机拍摄效果不佳时,通常是凭借经验对其参数反复尝试调节,或者恢复至初始状态,前者效率较低,后者将会导致光场相机校准后的参数无法适应当前实际景深的拍摄需要。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提出一种光场相机的微透镜阵列定位方法及系统,能够快速及时的实现光场相机的微透镜阵列定位,并且符合光学原理以及光场相机阵列的成像规律。
在本发明的第一个方面,提出一种光场相机的微透镜阵列定位方法,所述方法应用于包含主透镜、微透镜以及聚焦镜的光场相机。
在执行步骤上,所述方法包括:
阵列焦点获取步骤:获取入射光线L穿过所述主透镜、微透镜以及聚焦镜的交点位置,分别记为M、W与J;
透镜焦距获取步骤:获取所述主透镜、微透镜以及所述聚焦镜各自的当前焦距,分别记为Fm、Fw与Fj;
定位判断步骤:基于所述交点位置与所述当前焦距,计算多个交点-焦距适应值;
定位调节步骤:基于所述多个交点-焦距适应值,确定需要调节的镜面阵列定位参数,所述镜面阵列定位参数包括所述主透镜、微透镜或聚焦镜之间的相对距离、所述主透镜、微透镜以及所述聚焦镜各自的当前焦距之一或者其组合。
作为更具体的技术方案,所述主透镜、微透镜、聚焦镜的至少一个为柔性光学透镜,所述柔性光学透镜的焦距可在设定范围内微调。
其中,所述定位判断步骤计算出的多个交点-焦距适应值包括:
其中,DisMW为所述主透镜与微透镜之间的相对距离、DisWJ为所述微透镜与聚焦镜之间的相对距离、DisMJ为所述主透镜与聚焦镜之间的相对距离。
参照图2,M-W为入射光L传输路径上M点和W点之间的线段距离;W-J为入射光L传输路径上W点和J点之间的线段距离;M-J为入射光L传输路径上M点和J点之间的线段距离;
可以理解,(M-W)+(W-J)=(M-J)。
所述定位调节步骤中基于所述多个交点-焦距适应值,确定需要调节的镜面阵列定位参数,具体包括如下之一或者其任意组合:
(1)根据所述主透镜-微透镜交点-焦距适应值和所述微透镜-聚焦镜交点-焦距适应值,
判断:
所述微透镜相对于所述主透镜或者相对于所述聚焦镜的位置是否需要调节,
和/或,
所述微透镜的焦距是否需要调节。
(2)根据所述微透镜-聚焦镜交点-焦距适应值和所述主透镜-聚焦镜交点-焦距适应值,判断所述聚焦镜相对于所述主透镜或者相对于所述微透镜的位置是否需要调节,
和/或,
判断所述微透镜的焦距是否需要调节。
在确定需要调节的镜面阵列定位参数之后,计算出调节参数值,基于所述调节参数之调节所述镜面阵列定位参数,使得所述主透镜-微透镜交点-焦距适应值、微透镜-聚焦镜交点-焦距适应值、主透镜-聚焦镜交点-焦距适应值满足如下条件之一或者其组合:
在本发明的第二个方面,提出一种光场相机的微透镜阵列定位系统,所述系统包括由多个柔性光学透镜组成的光场相机、入射光发生装置、交点位置获取装置、定位判断装置以及定位调节装置;
所述入射光发生装置向所述光场相机发射标准入射光,所述标准入射光依次穿过所述多个柔性光学透镜;
所述交点位置获取装置,用于所述标准入射光穿过每个柔性光学透镜镜面的交点位置;
所述定位判断装置基于所述每个柔性光学透镜镜面的交点位置、柔性光学透镜镜面的焦距、多个柔性光学透镜之间的相对距离,基于计算出的多个交点-焦距适应值,判断是否需要进行镜面阵列定位参数调节;
所述定位调节装置基于所述多个交点-焦距适应值,确定需要调节的镜面阵列定位参数,所述镜面阵列定位参数包括所述多个柔性光学透镜之间的相对距离、所述多个柔性光学透镜各自的当前焦距之一或者其组合。
所述多个柔性光学透镜包括主透镜、微透镜以及聚焦镜;
所述柔性光学透镜的焦距可在设定范围内微调。
所述多个交点-焦距适应值包括:
其中:
DisMW为所述主透镜与微透镜之间的相对距离;
DisWJ为所述微透镜与聚焦镜之间的相对距离;
DisMJ为所述主透镜与聚焦镜之间的相对距离;
M、W与J为所述标准入射光依次穿过所述多个柔性光学透镜的镜面的交点位置;
Fm、Fw与Fj为所述标准入射光依次穿过的所述多个柔性光学透镜的焦距。
基于计算出的多个交点-焦距适应值,判断是否需要进行镜面阵列定位参数调节,具体包括:
判断如下公式是否均成立:
如果至少一个公式不成立,则需要进行镜面阵列定位参数调节;
本发明的技术方案创造性的基于当前入射光线导出的交点-焦距适应值的计算和匹配,确定透镜阵列的定位校准参数,能够快速及时的实现光场相机的微透镜阵列定位,并且符合光学原理以及光场相机阵列的成像规律,并且符合当前目标景深的拍摄需求。
本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。
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是本发明一个实施例的一种光场相机的微透镜阵列定位方法的步骤流程示意图;
图2是本发明技术方案的具体定位原理的平面示意图;
图3是图1所述一种光场相机的微透镜阵列定位方法计算机流程示意图;
图4是本发明一个实施例的一种光场相机的微透镜阵列定位系统的架构图。
具体实施方式
下面,结合附图以及具体实施方式,对发明做出进一步的描述。
本部分包括多个不同的实施例。
但需要指出的是,本发明的不同实施例分别解决背景技术提及的一个或者多个技术问题,并达到对应的技术效果,不同的实施例组合能够解决所有提及的技术问题并达到所有技术效果;但是,并不要求本发明的每个单独实施例都能解决所有技术问题或者得到所有改进效果。针对某一个问题的解决或者单独一个技术效果的改进的对应实施例均可构成本发明的独立技术方案。
本发明的各个实施例涉及的光场相机包含微透镜阵列,当然还包括其他光学传感器。一般来说,光场相机由主透镜、微透镜阵列以及图像传感器三部分组成,其中图像传感器位于微透镜阵列的后焦面处,与图像传感器一起组成光场传感器。微透镜的尺寸和焦距远远小于主透镜的焦距。
本发明中,主要涉及微透镜阵列的定位,因此,后续的实施例或者示意图仅示出主透镜、微透镜阵列以及相应的聚焦镜(又称重聚焦镜)。
为统一简化描述,本发明的各个实施例中,将主透镜、微透镜以及聚焦镜概括为“微透镜阵列”。
参见图1,图1是本发明一个实施例的一种光场相机的微透镜阵列定位方法的步骤流程示意图。
在图1中,所述方法应用于包含主透镜、微透镜以及聚焦镜的光场相机。
图1示出的方法实施例包括四个主要步骤:阵列焦点获取步骤、透镜焦距获取步骤、定位判断步骤以及定位调节步骤。
在具体实现时,各个步骤具体实现如下:
阵列焦点获取步骤:获取入射光线L穿过所述主透镜、微透镜以及聚焦镜的交点位置,分别记为M、W与J。
在本发明的实施例中,不考虑光线方向,只考虑光线与镜面的交点位置,即入射光线L穿过所述主透镜面的交点位置为M、穿过微透镜面的交点位置为W、穿过聚焦镜面的交点位置为J。
为更直观描述,可参见图2所述的示意图。
考虑到镜面具有一定的厚度,本发明的各个实施例中,所述“交点位置”统一定义为光线L离开对应镜面的位置。
透镜焦距获取步骤:获取所述主透镜、微透镜以及所述聚焦镜各自的当前焦距,分别记为Fm、Fw与Fj。
在一个更优选的实例中,所述主透镜、微透镜、聚焦镜的至少一个为柔性光学透镜,所述柔性光学透镜的焦距可在设定范围内微调。
优选的,微透镜、聚焦镜均为焦距可在设定范围内微调的柔性光学透镜。
当然,主透镜也可设计为焦距可在设定范围(该范围由透镜的设计材料决定,参见后续提及的现有技术)内微调的柔性光学透镜,但是实际上会增加设计和制造难度,因此,优选的实施例,仅微透镜和聚焦镜为焦距可在设定范围内微调的柔性光学透镜,即微透镜和聚焦镜的焦距可调节,主透镜不可调节。
但是,需要理解的是,主透镜可调节焦距的技术方案也在本发明的保护范围之内。
此外,即使主透镜设计为焦距不可调节,或者微透镜以及所述聚焦镜均设计为焦距不可调节,但是所述主透镜、微透镜或聚焦镜之间的相对距离也可以在设计范围内微调,不影响后续的交点-焦距适应值调节过程(此时,只调节相对距离,也可以部分或者全部达到本发明的技术效果)。
焦距可在设定范围内微调的柔性光学透镜如何制造或者实现,属于现有技术,可参见:
[1]刘鹏辉,李诗尧,王文雯,翁徐阳,吴朝兴,周雄图,张永爱.柔性液晶微透镜阵列的制备与性能研究[J].光子学报,2021,50(03):86-93.
[2]姚赞.基于相位调控的超构表面及超构透镜的研究[D].中国科学技术大学,2021.DOI:10.27517/d.cnki.gzkju.2021.000274.
[3]王琼华,李磊.基于自适应透镜的光学成像系统[J].光电子技术,2020,40(03):155-163.DOI:10.19453/j.cnki.1005-488x.2020.03.001.
因此,本发明对此不作具体展开,上述引用文献作为本发明的实施例的一部分引入。
图2示出了主透镜、微透镜以及聚焦镜的各自的当前焦距,分别记为Fm、Fw与Fj。
接下来,定位判断步骤:基于所述交点位置与所述当前焦距,计算多个交点-焦距适应值;
具体的,所述定位判断步骤计算出的多个交点-焦距适应值包括:
其中,DisMW为所述主透镜与微透镜之间的相对距离、DisWJ为所述微透镜与聚焦镜之间的相对距离、DisMJ为所述主透镜与聚焦镜之间的相对距离。
定位调节步骤:基于所述多个交点-焦距适应值,确定需要调节的镜面阵列定位参数,所述镜面阵列定位参数包括所述主透镜、微透镜或聚焦镜之间的相对距离、所述主透镜、微透镜以及所述聚焦镜各自的当前焦距之一或者其组合。
具体的,基于所述多个交点-焦距适应值,判断如下条件是否均成立:
如果存在不成立的条件,则意味着某些镜面阵列定位参数需要进行调节,以便使得上述条件成立。
和/或,
所述微透镜的焦距是否需要调节。
显然,通过调整微透镜相对于所述主透镜或者相对于所述聚焦镜的位置、和/或所述微透镜的焦距等数值,总能找到一个平衡点,使得上述公式成立;
例如,根据所述微透镜-聚焦镜交点-焦距适应值和所述主透镜-聚焦镜交点-焦距适应值,判断所述聚焦镜相对于所述主透镜或者相对于所述微透镜的位置是否需要调节,
和/或,
判断所述微透镜的焦距是否需要调节。
作为优选的实施方式,可以预先建立各种条件成立的对应关系数值表,或者函数映射表,确定当前可变(可调节)的参数,和不可变(不可调节)的参数候,基于对应关系数值表或者函数映射表,直接查找或者计算出需要调节的参数,这个过程可以通过解答多元方程或者多元参数仿真优化的方式进行,本领域存在多种实现方式。
因此,在上述实施例中,在确定需要调节的镜面阵列定位参数之后,计算出调节参数值,基于所述调节参数之调节所述镜面阵列定位参数,使得所述主透镜-微透镜交点-焦距适应值、微透镜-聚焦镜交点-焦距适应值、主透镜-聚焦镜交点-焦距适应值满足如下条件之一或者其组合:
图3示出了上述实施例方法的计算机实现流程图如下:
图3中省略了步骤标号,在此为方便描述,采用步骤S1-S6表述;
S1:获取入射光线L穿过所述主透镜、微透镜以及聚焦镜的交点位置,分别记为M、W与J;
S2:获取所述主透镜、微透镜以及所述聚焦镜各自的当前焦距,分别记为Fm、Fw与Fj;
S3:基于所述交点位置与所述当前焦距,计算多个交点-焦距适应值:
S4:判断适应值是否符合预设条件;
即判断如下公式是否成立:
如果不成立,则进入步骤S5;
否则,返回步骤S1;
S5:基于所述多个交点-焦距适应值,确定需要调节的镜面阵列定位参数,所述镜面阵列定位参数包括所述主透镜、微透镜或聚焦镜之间的相对距离、所述主透镜、微透镜以及所述聚焦镜各自的当前焦距之一或者其组合。
可以理解,步骤S5可以选择出多种可以调节的镜面阵列定位参数,此时,本步骤可以根据情况,选择最优的调节参数或者调节参数组合,例如,镜面阵列定位参数数量变化最小的组合;镜面阵列定位参数大小变化最小的组合,等;还可以预先设置不同镜面阵列定位参数的可调节优先级,优先级越高的在调节选择时越优先考虑,等等。
S6:基于选择出的确定需要调节的镜面阵列定位参数,对光场相机的微透镜阵列执行调节。
可以理解,不同的入射光线意味着不同的拍摄目标角度和景深,因此,相对于现有技术的初始化调节或者凭借经验反复尝试,本发明的上述技术方案不仅方便快捷,存在多种可选调节,还能够更适合当前的目标拍摄需要。
最后参见图4,图4示出一种光场相机的微透镜阵列定位系统,可用于实现图1所述的一种光场相机的微透镜阵列定位方法。
在图4中,所述系统包括由多个柔性光学透镜组成的光场相机、入射光发生装置、交点位置获取装置、定位判断装置以及定位调节装置;
所述入射光发生装置向所述光场相机发射标准入射光,所述标准入射光依次穿过所述多个柔性光学透镜;
所述交点位置获取装置,用于所述标准入射光穿过每个柔性光学透镜镜面的交点位置;
所述定位判断装置基于所述每个柔性光学透镜镜面的交点位置、柔性光学透镜镜面的焦距、多个柔性光学透镜之间的相对距离,基于计算出的多个交点-焦距适应值,判断是否需要进行镜面阵列定位参数调节;
所述定位调节装置基于所述多个交点-焦距适应值,确定需要调节的镜面阵列定位参数,所述镜面阵列定位参数包括所述多个柔性光学透镜之间的相对距离、所述多个柔性光学透镜各自的当前焦距之一或者其组合。
作为优选,所述多个柔性光学透镜包括主透镜、微透镜以及聚焦镜;所述柔性光学透镜的焦距可在设定范围内微调。
所述多个交点-焦距适应值包括:
其中:
DisMW为所述主透镜与微透镜之间的相对距离;
DisWJ为所述微透镜与聚焦镜之间的相对距离;
DisMJ为所述主透镜与聚焦镜之间的相对距离;
M、W与J为所述标准入射光依次穿过所述多个柔性光学透镜的镜面的交点位置;
Fm、Fw与Fj为所述标准入射光依次穿过的所述多个柔性光学透镜的焦距。
基于计算出的多个交点-焦距适应值,判断是否需要进行镜面阵列定位参数调节,具体包括:
判断如下公式是否均成立:
如果至少一个公式不成立,则需要进行镜面阵列定位参数调节,直至上述公式均成立;
可以看到,本发明技术方案提出的交点-焦距适应值计算,充分考虑实际光场相机中光线与微透镜阵列的相对交点位置、透镜阵列之间的相对位置、透镜本身的焦距参数等全局和局部因素,创造性的基于当前入射光线导出的交点-焦距适应值的计算和匹配,确定透镜阵列的定位校准参数,能够快速及时的实现光场相机的微透镜阵列定位,并且符合光学原理以及光场相机阵列的成像规律,并且符合当前目标景深的拍摄需求。相对于现有技术的初始化调节或者凭借经验反复尝试,本发明的上述技术方案不仅方便快捷,存在多种可选调节,还能够更适合当前的目标拍摄需要。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
本发明未特别明确的部分模块结构,以现有技术记载的内容为准。本发明在前述背景技术部分提及的现有技术可作为本发明的一部分,用于理解部分技术特征或者参数的含义。本发明的保护范围以权利要求实际记载的内容为准。
Claims (6)
1.一种光场相机的微透镜阵列定位方法,所述方法应用于包含主透镜、微透镜以及聚焦镜的光场相机,其特征在于,所述方法包括:
阵列交点获取步骤:获取入射光线L穿过所述主透镜、微透镜以及聚焦镜的交点位置,分别记为M、W与J;
透镜焦距获取步骤:获取所述主透镜、微透镜以及所述聚焦镜各自的当前焦距,分别记为Fm、Fw与Fj;
定位判断步骤:基于所述交点位置与所述当前焦距,计算多个交点-焦距适应值;
所述多个交点-焦距适应值包括:
其中,DisMW为所述主透镜与微透镜之间的相对距离、DisWJ为所述微透镜与聚焦镜之间的相对距离、DisMJ为所述主透镜与聚焦镜之间的相对距离;
定位调节步骤:基于所述多个交点-焦距适应值,确定需要调节的镜面阵列定位参数,所述镜面阵列定位参数包括所述主透镜、微透镜或聚焦镜之间的相对距离、所述主透镜、微透镜以及所述聚焦镜各自的当前焦距之一或者其组合;
所述定位调节步骤具体包括:
判断如下公式是否均成立:
如果至少一个公式不成立,则需要进行镜面阵列定位参数调节,直至上述公式均成立。
2.如权利要求1所述的一种光场相机的微透镜阵列定位方法,其特征在于,所述主透镜、微透镜、聚焦镜的至少一个为柔性光学透镜,所述柔性光学透镜的焦距可在设定范围内微调。
3.如权利要求1所述的一种光场相机的微透镜阵列定位方法,其特征在于:
所述定位调节步骤中基于所述多个交点-焦距适应值,确定需要调节的镜面阵列定位参数,具体包括:
根据所述主透镜-微透镜交点-焦距适应值和所述微透镜-聚焦镜交点-焦距适应值,
判断:
所述微透镜相对于所述主透镜或者相对于所述聚焦镜的位置是否需要调节,
和/或,
所述微透镜的焦距是否需要调节。
4.如权利要求1所述的一种光场相机的微透镜阵列定位方法,其特征在于:
所述定位调节步骤中基于所述多个交点-焦距适应值,确定需要调节的镜面阵列定位参数,具体包括:
根据所述微透镜-聚焦镜交点-焦距适应值和所述主透镜-聚焦镜交点-焦距适应值,判断所述聚焦镜相对于所述主透镜或者相对于所述微透镜的位置是否需要调节,
和/或,
判断所述微透镜的焦距是否需要调节。
5.一种光场相机的微透镜阵列定位系统,所述系统包括由多个柔性光学透镜组成的光场相机、入射光发生装置、交点位置获取装置、定位判断装置以及定位调节装置;
其特征在于:
所述入射光发生装置向所述光场相机发射标准入射光,所述标准入射光依次穿过所述多个柔性光学透镜;
所述交点位置获取装置,用于所述标准入射光穿过每个柔性光学透镜镜面的交点位置;
所述定位判断装置基于所述每个柔性光学透镜镜面的交点位置、柔性光学透镜镜面的焦距、多个柔性光学透镜之间的相对距离,基于计算出的多个交点-焦距适应值,判断是否需要进行镜面阵列定位参数调节;
所述多个交点-焦距适应值包括:
其中,DisMW为所述主透镜与微透镜之间的相对距离、DisWJ为所述微透镜与聚焦镜之间的相对距离、DisMJ为所述主透镜与聚焦镜之间的相对距离;
所述定位调节装置基于所述多个交点-焦距适应值,确定需要调节的镜面阵列定位参数,具体包括:
判断如下公式是否均成立:
如果至少一个公式不成立,则需要进行镜面阵列定位参数调节,直至上述公式均成立;
所述镜面阵列定位参数包括所述多个柔性光学透镜之间的相对距离、所述多个柔性光学透镜各自的当前焦距之一或者其组合。
6.如权利要求5所述的一种光场相机的微透镜阵列定位系统,其特征在于:
所述柔性光学透镜的焦距可在设定范围内微调。
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