CN117233874A - 图像采集器件及图像采集设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种图像采集器件及图像采集设备，涉及光学显示技术领域，可以实现在不产生信号损失、不引起信号处理时延、且不增加算力负担的情况下，对图像进行畸变矫正。该图像采集器件为由曲面微透镜阵列和曲面图像传感器拼接而成的闭合立体状结构；其中，曲面微透镜阵列上排布有N个微透镜，曲面图像传感器上排布有M个感光元件，N和M均为正整数；曲面微透镜阵列被配置为，将从不同方向接收到的各光线经过N个微透镜分光为N组平行光束，并将N组平行光束投射至曲面图像传感器上；每组平行光束由多个相互平行的光线组成；曲面图像传感器被配置为，将接收到的N组平行光束经过M个感光元件转换为电信号。

Description

图像采集器件及图像采集设备

技术领域

本申请涉及光学显示技术领域，尤其涉及一种图像采集器件及图像采集设备。

背景技术

目前，图像采集设备（比如，AR设备、XR设备、MR设备等）一般由光学系统、光电转换系统、以及信号处理系统等组成。其中，光学系统的核心部件为光学镜头，光电转换系统的核心部件为平面图像传感器，信号处理系统的核心部件为控制电路。

图像采集设备工作时，光学镜头可以将接收到的立体光线投射至平面图像传感器上，平面图像传感器对立体光线进行光电转换处理得到电信号后将电信号传输至控制电路，控制电路对电信号进行处理可以得到图像。

由于光学镜头接收到的立体光线为三维光线，而平面图像传感器为二维图像传感器，所以，图像采集设备最终采集到的图像会产生畸变。因此，现有技术中，一般会在信号处理系统中添加畸变矫正模块，用于通过算法对图像畸变进行矫正。然而，现有的这种畸变矫正方式，会产生信号损失、引起信号处理时延，且会增加图像采集设备的算力负担。

发明内容

本申请提供一种图像采集器件及图像采集设备，该方案可以实现在不产生信号损失、不引起信号处理时延、且不增加算力负担的情况下，对图像进行畸变矫正。

为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：

第一方面，本申请提供一种图像采集器件，该图像采集器件为由曲面微透镜阵列和曲面图像传感器拼接而成的闭合立体状结构；其中，曲面微透镜阵列上排布有N个微透镜，曲面图像传感器上排布有M个感光元件，N和M均为正整数；曲面微透镜阵列被配置为，将从不同方向接收到的各光线经过N个微透镜分光为N组平行光束，并将N组平行光束投射至曲面图像传感器上；每组平行光束由多个相互平行的光线组成；曲面图像传感器被配置为，将接收到的N组平行光束经过M个感光元件转换为电信号。

本申请提供的技术方案中，可以将现有的图像采集设备中的光学系统的光学镜头设置为曲面状结构的微透镜阵列（即本申请中的曲面微透镜阵列），并且可以将光电转换系统的平面图像传感器替换为曲面状结构的图像传感器（即本申请中的曲面图像传感器），之后，可以将曲面微透镜阵列和曲面图像传感器拼接为闭合立体状结构的图像采集器件。其中，曲面微透镜阵列上排布有N个微透镜，当曲面微透镜阵列接收到来自不同方向的各光线时，可以将各光线经过N个微透镜分光为N组平行光束，然后将N组平行光束投射至曲面图像传感器上。曲面图像传感器上排布有M个感光元件，当曲面图像传感器接收到曲面微透镜阵列投射的N组平行光束时，可以通过M个感光元件将N组平行光束转换为电信号。现有的图像采集设备采集到的图像所产生的畸变主要是由于立体光线与平面图像传感器之间的矛盾所引起的，所以，本申请通过采用曲面微透镜阵列将立体光线分光为N组平行光束，并以曲面图像传感器来接收这N组平行光束，可以使得光电转换系统在不同部位接收到的光线更加均匀，从而可以减小图像畸变。可以看出，本申请通过对现有的图像采集设备中的光学系统和光电转换系统进行光学结构改进，提出了一种曲面微透镜阵列和曲面图像传感器拼接而成的组合光学结构（即本申请中的图像采集器件），该组合光学结构可以减小图像畸变。这种对光学结构进行改进的畸变矫正方式，不会产生信号损失和引起信号处理时延，且不会增加图像采集设备的算力负担。

可选的，在一种可能的实施方式中，N个微透镜均匀排布在曲面微透镜阵列上，M个感光元件均匀排布在曲面图像传感器上；曲面微透镜阵列具体被配置为：将从不同方向接收到的各光线经过N个微透镜分光为N组平行光束，并将N组平行光束均匀投射至M个感光元件上。

可选的，在另一种可能的实施方式中，曲面微透镜阵列对应的曲面图形的母线，与曲面图像传感器对应的曲面图形的母线相同；曲面微透镜阵列具体还被配置为：将从不同方向接收到的各光线经过N个微透镜分光为N组平行光束，并将N组平行光束经过图像采集器件的质心均匀投射至M个感光元件上。

可选的，在另一种可能的实施方式中，曲面微透镜阵列和曲面图像传感器均为半球状结构，图像采集器件为球状结构；并且，N个微透镜的光学参数均相同，M个感光元件的光学参数均相同。

可选的，在另一种可能的实施方式中，图像采集器件对应的球体的半径为12毫米。

可选的，在另一种可能的实施方式中，对于N个微透镜，当前微透镜的主光线角度CRA小于或等于0.5°。

可选的，在另一种可能的实施方式中，N大于或等于160。

可选的，在另一种可能的实施方式中，N个微透镜通过第一曲面支撑件拼接成曲面微透镜阵列，M个感光元件通过第二曲面支撑件拼接成曲面图像传感器；第一曲面支撑件通过至少两个紧固件与第二曲面支撑件固定连接。

可选的，在另一种可能的实施方式中，紧固件为紧固螺钉，且紧固螺钉的安装位置在图像采集器件的外侧。

第二方面，本申请提供一种图像采集设备，包括第一方面任意一种实施方式提供的图像采集器件。

本申请中第二方面的描述，可以参考第一方面的详细描述；并且，第二方面描述的有益效果，可以参考第一方面的有益效果分析，此处不再赘述。

在本申请中，对于上述涉及到的设备或部件的名称不构成限定，在实际实现中，这些设备或部件可以以其他名称出现。只要各个设备或部件的功能和本申请类似，均属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内。

本申请的这些方面或其他方面在以下的描述中会更加简明易懂。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种图像采集器件的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种曲面微透镜阵列的部分剖面示意图；

图3为本申请实施例提供的一种曲面微透镜阵列的主视图；

图4为本申请实施例提供的另一种图像采集器件的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的又一种图像采集器件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例提供的图像采集器件及图像采集设备进行详细地描述。

本申请的说明书以及附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，或者用于区别对同一对象的不同处理，而不是用于描述对象的特定顺序。

此外，本申请的描述中所提到的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选的还包括其他没有列出的步骤或单元，或可选的还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。

现有的通过在信号处理系统中添加畸变矫正模块的畸变矫正方式，会产生信号损失、引起信号处理时延，且会增加图像采集设备的算力负担。因此，亟待提出一种新的畸变矫正方式。

针对上述现有技术中存在的问题，本申请实施例提出了一种曲面微透镜阵列和曲面图像传感器拼接而成的组合光学结构（即本申请实施例中的图像采集器件），该组合光学结构可以减小图像畸变。这种对光学结构进行改进的畸变矫正方式，不会产生信号损失和引起信号处理时延，且不会增加图像采集设备的算力负担。

参照图1，本申请实施例提供了一种图像采集器件的可能的结构示意图，该示意图具体为图像采集器件的切面剖视图。如图1所示，图像采集器件可以包括曲面微透镜阵列和曲面图像传感器。曲面微透镜阵列上排布有N个微透镜，曲面图像传感器上排布有M个感光元件，N和M均为正整数。

其中，微透镜，可以用于将接收到的光线汇聚为一组平行光束。感光元件可以是光敏二极管、光敏电阻等光敏元件，用于将接收到的光信号转换为电信号。

需要说明的是，图1中为作图便利，仅示出了曲面微透镜阵列上的三个微透镜，且仅示出了曲面图像传感器上的三个感光元件，在实际应用中，曲面微透镜阵列上的微透镜数量可以更多，且曲面图像传感器上的感光元件的数量可以更多。示例性的，参照图2，为本申请实施例提供的一种在实际应用中的曲面微透镜阵列的部分剖面示意图，如图2所示，在曲面微透镜阵列的剖面曲线（图2中横向分布的一条曲线为剖面曲线，纵向分布的多条直线为光线）上，排布有大量的微透镜。

另外，如图1所示，图像采集器件为由曲面微透镜阵列和曲面图像传感器拼接而成的闭合立体状结构。为了更为清楚的展示本申请实施例提供的图像采集器件的结构，参照图3，本申请实施例还提供了一种曲面微透镜阵列的主视图。如图3所示，曲面微透镜阵列的曲面上排布有大量的微透镜。而曲面图像传感器的结构与曲面微透镜阵列类似。

曲面微透镜阵列可以被配置为，将从不同方向接收到的各光线经过N个微透镜分光为N组平行光束，并将N组平行光束投射至曲面图像传感器上；每组平行光束由多个相互平行的光线组成；曲面图像传感器被配置为，将接收到的N组平行光束经过M个感光元件转换为电信号。

本申请实施例中，可以将现有技术的图像采集设备中的光学系统的光学镜头设置为曲面状结构的微透镜阵列（即本申请实施例中的曲面微透镜阵列），并且可以将光电转换系统的平面图像传感器替换为曲面状结构的图像传感器（即本申请中的曲面图像传感器），之后，可以将曲面微透镜阵列和曲面图像传感器拼接为闭合立体状结构的图像采集器件。其中，曲面微透镜阵列上排布有N个微透镜，当曲面微透镜阵列接收到来自不同方向的各光线时，可以将各光线经过N个微透镜分光为N组平行光束，然后将N组平行光束投射至曲面图像传感器上。曲面图像传感器上排布有M个感光元件，当曲面图像传感器接收到曲面微透镜阵列投射的N组平行光束时，可以通过M个感光元件将N组平行光束转换为电信号。现有的图像采集设备采集到的图像所产生的畸变主要是由于立体光线与平面图像传感器之间的矛盾所引起的，所以，本申请实施例通过采用曲面微透镜阵列将立体光线分光为N组平行光束，并以曲面图像传感器来接收这N组平行光束，可以使得光电转换系统在不同部位接收到的光线更加均匀，从而可以减小图像畸变。可以看出，本申请实施例通过对现有的图像采集设备中的光学系统和光电转换系统进行光学结构改进，提出了一种曲面微透镜阵列和曲面图像传感器拼接而成的组合光学结构（即本申请实施例中的图像采集器件），该组合光学结构可以减小图像畸变。这种对光学结构进行改进的畸变矫正方式，不会产生信号损失和引起信号处理时延，且不会增加图像采集设备的算力负担。

可选的，N个微透镜均匀排布在曲面微透镜阵列上，M个光敏元件均匀排布在曲面图像传感器上；曲面微透镜阵列具体被配置为：将从不同方向接收到的各光线经过N个微透镜分光为N组平行光束，并将N组平行光束均匀投射至M个光敏元件上。

为了使得进行光学结构改进后的光电转换系统接收到的光线更加均匀，从而进一步减少图像畸变，本申请实施例中，在对曲面微透镜阵列进行光学加工时，可以通过微像源拼合工艺，对N个微透镜进行均匀排布。类似的，为了使得进行光学结构改进后的光电转换系统可以在不同部位均匀的接收曲面微透镜阵列投射的光线，从而进一步减少图像畸变，本申请实施例中，在对曲面图像传感器进行光学加工时，可以对M个光敏元件进行均匀排布。

可选的，曲面微透镜阵列对应的曲面图形的母线，与曲面图像传感器对应的曲面图形的母线相同；曲面微透镜阵列具体还被配置为：将从不同方向接收到的各光线经过N个微透镜分光为N组平行光束，并将N组平行光束经过图像采集器件的质心均匀投射至M个感光元件上。

其中，曲面微透镜阵列对应的曲面图形的母线，与曲面图像传感器对应的曲面图形的母线相同，也即是曲面微透镜阵列与曲面图像传感器为相同的几何结构。

由于曲面微透镜阵列和曲面图像传感器均为曲面状的几何结构，且N个微透镜和M个感光元件是分别均匀分布在曲面微透镜阵列和曲面图像传感器上的，所以，M个感光元件会接收到来自不同微透镜投射的光线，这样，光线从微透镜到感光元件的光程可能会不一样，那么最终得到的图像会出现弥散斑，导致图像中部分区域不清晰。基于此，本申请实施例中，可以将曲面微透镜阵列和曲面图像传感器加工为相同的几何结构，这样，可以使得N组平行光束经过图像采集器件的质心均匀投射至M个感光元件上，从而可以缩小N组平行光束从N个微透镜到M个感光元件的光程误差，扩大景深，提高最终得到的图像的清晰度。

可选的，曲面微透镜阵列和曲面图像传感器均为半球状结构，二者拼接得到的图像采集器件为球状结构；并且，N个微透镜的光学参数均相同，M个感光元件的光学参数均相同。

参照图4，为本申请实施例提供的另一种图像采集器件的结构示意图，该示意图具体为图像采集器件的切面剖视图。如图4所示，半球状结构的曲面微透镜阵列和半球状结构的曲面图像传感器可以拼接为一个完整的球状结构。

为了进一步缩小N组平行光束从N个微透镜到M个感光元件的光程误差，本申请实施例中，可以将曲面微透镜阵列和曲面图像传感器设为半球状结构，那么拼接得到的图像采集器件为一个完整的球状结构。那么，N组平行光束从N个微透镜经过图像采集器件的质心到达M个感光元件的光程是一致的（在光学加工误差允许范围内保持一致）。这样，由于没有光程误差，最终得到的图像将会是由远到近均清晰的图像。因此，本申请实施例中，通过将曲面微透镜阵列和曲面图像传感器设为半球状结构，可以使得最终得到的图像是大视场角度下的、清晰的、无畸变的图像。

另外，由于表面积相同的立体图形中，球体的体积最小，所以，本申请实施例提供的图像采集器件在应用于图像采集设备中时，可以减小图像采集设备的体积。可以看出，本申请实施例通过曲面微透镜阵列和曲面图像传感器的组合结构，可以在小体积的基础上获得更高质量的图像。

可选的，对于N个微透镜，当前微透镜的主光线角度（chief ray angle，CRA）小于或等于0.5°。

其中，CRA可以表征微透镜的最大入射角度，当入射光线与微透镜的主光轴的夹角大于CRA时，该入射光线会被微透镜反射，将不会被投射至曲面图像传感器上。当前微透镜的CRA为1°时，当前微透镜可以将外部光线视场角为1°的光线经图像采集器件的质心投射在曲面图像传感器上。

现有技术中，光学系统的光学镜头的CRA都很大，而本申请实施例中，各微透镜的CRA很小，均小于或等于0.5°，则各微透镜覆盖的立体角均在1°左右。那么，曲面微透镜阵列可以将外部视场角的光线以每份1°的形式，分别汇聚在图像采集器件的质心，并经过质心投射至曲面图像传感器上。这样，可以减少各微透镜投射的光线之间的干扰，可以将图像的畸变降低在小于1%的误差范围，从而可以得到畸变率小于1%的清晰图像。

参照图5，为本申请实施例提供的又一种图像采集器件的结构示意图，该示意图具体为图像采集器件的切面剖视图。如图5所示，曲面微透镜阵列可以将外部视场角的光线分组汇聚在图像采集器件的质心，并经过质心投射至曲面图像传感器上。

可选的，N大于或等于160。

本申请实施例提供的图像采集器件可以应用于图像采集设备，该图像采集设备可以应用于近眼显示系统，比如AR近眼显示系统。由于人眼的单眼水平视场极限角度约为160°，所以，本申请实施例中，曲面微透镜阵列上可以部署有160个以上的微透镜。这样，曲面微透镜阵列将外部视场角的光线以每份1°的形式经过质心投射至曲面图像传感器上，可以实现将外部视场角160°的光线信息投射在曲面图像传感器，改善用户佩戴近眼显示系统时的视觉体验。

进一步可选的，图像采集器件对应的球体的半径为12毫米。

由于人眼的眼球半径约为12毫米，所以，本申请实施例中，可以将图像采集器件加工为半径为12毫米的结构。这样，当该图像采集器件应用于近眼显示系统时，可以进一步改善用户佩戴近眼显示系统时的视觉体验。

可选的，N个微透镜通过第一曲面支撑件拼接成曲面微透镜阵列，M个感光元件通过第二曲面支撑件拼接成曲面图像传感器；第一曲面支撑件通过至少两个紧固件与第二曲面支撑件固定连接。

示例性的，第一曲面支撑件可以通过两个紧固件与第二曲面支撑件固定连接。

可选的，如图4所示，第一曲面支撑件可以通过紧固螺钉与第二曲面支撑件固定连接。另外，为了避免紧固螺钉的安装位置对靠近第一曲面支撑件和第二曲面支撑件的连接处的光线传播造成影响，本申请实施例中，紧固螺钉的安装位置在图像采集器件的外侧。

本申请实施例还提供了一种图像采集设备，该图像采集设备可以包括本申请实施例中任意一种实施方式提供的图像采集器件。

可以理解的是，在实际应用中，图像采集设备中还可以包括其他部件，本申请实施例在此仅对涉及到的相关部件进行描述，并不构成对图像采集设备的限定。示例性的，图像采集设备中还可以包括信号处理电路。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种图像采集器件，其特征在于，所述图像采集器件为，由曲面微透镜阵列和曲面图像传感器拼接而成的闭合立体状结构；其中，所述曲面微透镜阵列上排布有N个微透镜，所述曲面图像传感器上排布有M个感光元件，N和M均为正整数；

所述曲面微透镜阵列被配置为，将从不同方向接收到的各光线经过所述N个微透镜分光为N组平行光束，并将所述N组平行光束投射至所述曲面图像传感器上；每组平行光束由多个相互平行的光线组成；

所述曲面图像传感器被配置为，将接收到的所述N组平行光束经过所述M个感光元件转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的图像采集器件，其特征在于，所述N个微透镜均匀排布在所述曲面微透镜阵列上，所述M个感光元件均匀排布在所述曲面图像传感器上；

所述曲面微透镜阵列具体被配置为：将从不同方向接收到的各光线经过所述N个微透镜分光为所述N组平行光束，并将所述N组平行光束均匀投射至所述M个感光元件上。

3.根据权利要求2所述的图像采集器件，其特征在于，所述曲面微透镜阵列对应的曲面图形的母线，与所述曲面图像传感器对应的曲面图形的母线相同；

所述曲面微透镜阵列具体还被配置为：将从不同方向接收到的各光线经过所述N个微透镜分光为所述N组平行光束，并将所述N组平行光束经过所述图像采集器件的质心均匀投射至所述M个感光元件上。

4.根据权利要求3所述的图像采集器件，其特征在于，所述曲面微透镜阵列和所述曲面图像传感器均为半球状结构，所述图像采集器件为球状结构；并且，所述N个微透镜的光学参数均相同，所述M个感光元件的光学参数均相同。

5.根据权利要求4所述的图像采集器件，其特征在于，所述图像采集器件对应的球体的半径为12毫米。

6.根据权利要求4所述的图像采集器件，其特征在于，对于所述N个微透镜，当前微透镜的主光线角度CRA小于或等于0.5°。

7.根据权利要求6所述的图像采集器件，其特征在于，N大于或等于160。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的图像采集器件，其特征在于，所述N个微透镜通过第一曲面支撑件拼接成所述曲面微透镜阵列，所述M个感光元件通过第二曲面支撑件拼接成所述曲面图像传感器；所述第一曲面支撑件通过至少两个紧固件与所述第二曲面支撑件固定连接。

9.根据权利要求8所述的图像采集器件，其特征在于，所述紧固件为紧固螺钉，且所述紧固螺钉的安装位置在所述图像采集器件的外侧。

10.一种图像采集设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的图像采集器件。