-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung, die Bessel-Strahlen erzeugen kann, um so die Divergenz der Lichtstrahlen verringern und die Richtwirkung des Lichtfeldes verbessern zu können, wobei die Erfindung Mikrolinsen mit geeignet modulierten Brennweiten verwendet, wodurch die durch die Anordnung erzielte Genauigkeit verbessert wird, wobei die Erfindung eine Schlitzstruktur mit verschiedenen geometrischen Designs zur Erzeugung verschiedener Zerstreuungskreise mit verschiedenen Wellenlängen verwendet, und wobei mittels einer Bilderfassungsanalyse am Rückende der Vorrichtung für die Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung eine Aufnahme exakter Bilder ermöglicht werden kann.
-
Gemäß herkömmlicher Scan-Technologie in der Bilderfassung wird ein Bild durch eine einzelne Aperturblende (pinhole) oder eine Anordnung von Mikrolinsen erfasst. Diese Scan-Technologie ist jedoch durch die geometrische Dimensionen der Aperturblende oder der Anordnung von Mikrolinsen limitiert. Zwischenzeitlich sind die Produktionsprozesse derart fortgeschritten, dass die Winkelauflösung und die räumliche Auflösung nicht weiter verbessert werden können.
-
Aus der US-amerikanischen Patentschrift
US 8 831 377 B2 ist eine Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung bekannt, die wegen optischer Störungen der benachbarten Mikrolinsen ein Benutzungslimit aufweist, wenn die Mikrolinsenanordnung für eine Multiwinkelfeld-Pixelinformationsanalyse verwendet wird.
-
Darüber hinaus offenbart die chinesische Patentschrift
CN 101852676 B ein Verfahren und eine Vorrichtung für differentielle Messungen multifokaler konfokaler superlanger Brennweiten. Durch eine einzelne Aperturblende ist eine Scan-Struktur erreichbar. Die Struktur kann die konfokalen Brennpunkte scannen, wodurch irrelevante räumliche Informationen vermieden werden. Mittels eines exakten Schrittmotors ist ein genaues Scannen auf einer Fläche mit Multibrennpunkten erreichbar. Jedoch ist das umfassende Scannen durch die Präzision und Geschwindigkeit des Motors limitiert, weswegen ein schnelles umfassendes Scannen unmöglich ist, und die Vorteile der Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung nicht erreicht werden können.
-
Ferner offenbart die US-amerikanische Patentschrift
US 2013/0108217 A1 eine Mikrolinsenanordnung mit optischen Übertragungskomponenten, welche eine verkleinerte Fotoblende auf einem Faser-Koppler verwendet, um die Divergenz der Lichtstrahlen zu verringern und die Richtwirkung des Lichtfeldes zu verbessern. Die Verbesserung der Winkelauflösung und der räumlichen Auflösung sind jedoch beschränkt.
-
Aus diesen Gründen ist eine Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung notwendig, die eine verbesserte Winkelauflösung und räumliche Auflösung ermöglicht.
-
Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung bereitzustellen, die Bessel-Strahlen erzeugen und die Divergenz der Lichtstrahlen verringern beziehungsweise die Richtwirkung des Lichtfeldes verbessern kann. Durch die Benutzung von Mikrolinsen und die Anwendung dieser auf die aus den Schlitzen austretendem Lichtstrahlen kann die äquivalente Brennweite der gesamten Vorrichtung verlängert werden.
-
Um das oben erwähnte Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung eine Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung bereit, die eine Hauptlinse, eine Lichtstrahlerzeugungseinheit, eine Mikrolinseneinheit und eine lichtempfindliche Einheit aufweist. Die Hauptlinse mit einer optischen Achse überträgt das Licht eines Gegenstands der Umgebung. Die Lichtstrahlerzeugungseinheit empfängt das Licht, das von der Hauptlinse übertragen wird. An der Lichtstrahlerzeugungseinheit sind mehrere Schlitze oder konische Linsen vorgesehen, die in einer charakteristischen Anordnung angeordnet werden, um mehrere Bessel-Strahlen zu erzeugen. An der Mikrolinseneinheit sind mehrere Mikrolinsenkomponenten vorgesehen, um die Bessel-Strahlen von der Lichtstrahlerzeugungseinheit zu empfangen. Durch die Mikrolinsenkomponenten werden die Bessel-Strahlen in Brennpunkten fokussiert. Die Distanz zwischen einem Brennpunkt und der entsprechenden Mikrolinsenkomponente definiert jeweils eine Brennweite. Die lichtempfindliche Einheit umfasst eine Brennebene, auf die ein Brennpunkt fokussiert werden kann.
-
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, mehrere in einer charakteristischen Anordnung angeordnete Schlitze oder konische Linsen zu verwenden, um Bessel-Strahlen zu erzeugen und so die Divergenz der Lichtstrahlen zu verringern und die Richtwirkung des Lichtfeldes und folglich die räumliche Auflösung und Winkelauflösung der Vorrichtung zu verbessern.
-
Darüber hinaus kann die Brennweite der lichtdurchlässigen Schlitze mit Hilfe der Mikrolinsenelemente der Mikrolinseneinheit verlängert werden, um so die effektive Brennweite der erfindungsgemäßen Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung zu erhöhen. Mit dieser effektiven Verlängerung der Brennweite kann die Betriebsschärfentiefe der Vorrichtung bis in den Millimeterbereich verbessert werden. Die Genauigkeit der gesamten Anordnung ist somit erhöht, wobei nicht nur die Winkelauflösung und die räumliche Auflösung verbessert, sondern auch Bilder mit kompletteren Details erzielbar sind.
-
Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, eine Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung bereitzustellen, die es ermöglicht, mittels einer Bilderfassungsanalyse die durch die Schlitze unterschiedlicher Größen verursachten Zerstreuungskreise zu korrigieren.
-
Um das oben erwähnte Ziel zu erreichen, umfasst die erfindungsgemäße Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung eine Bilderfassungsanalyseneinheit, die mindestens einen Zerstreuungskreis auf der Brennebene korrigieren kann.
-
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist es, dass die Zerstreuungskreise, die durch die Schlitze verschiedener Größen erzeugt werden, korrigiert werden, wobei hierzu die Schlitze der Lichtstrahlerzeugungseinheit den entsprechenden Mikrolinsenkomponenten gegenüberliegend angeordnet sind, mit dem Ergebnis dass jeder Zerstreuungskreis zu einem Brennpunkt umgewandelt und folglich ein scharfes Bild erzielt wird.
-
Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Bezug auf die beigefügten Figuren verdeutlicht werden.
-
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
-
1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung,
-
2 ist eine schematische Darstellung einer Mikrolinsenkomponente der erfindungsgemäßen Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung, wobei die Mikrolinsenkomponenten anpassbar sind, um die effektive Brennweite zu verlängern,
-
3 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Zerstreuungskreise mit verschiedenen Wellenlängen, wobei diese Wellenlängen den Wellenlängen des die Schlitze verschiedener Größen passierenden Lichts entsprechen,
-
4 ist eine schematische Darstellung der Korrektur der Zerstreuungskreise und
-
5 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung.
-
DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung und 2 ist eine schematische Darstellung einer Mikrolinsenkomponente der erfindungsgemäßen Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung, wobei die Mikrolinsenkomponenten anpassbar sind, um so die effektive Brennweite verlängern zu können.
-
1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung 1, die eine Hauptlinse 14, eine Lichtstrahleinheit 11, eine Mikrolinseneinheit 12 und eine lichtempfindliche Einheit 13 umfasst.
-
Die Hauptlinse 14 überträgt das Licht eines Gegenstands der Umgebung 141 und weist eine optische Achse 142 auf.
-
Eine Lichtstrahlerzeugungseinheit 11 empfängt das Licht, das die Hauptlinse passiert hat, und erzeugt mehrere geordnete Bessel-Strahlen 112, die sich parallel zu der optischen Achse der Hauptlinse erstrecken. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Lichtstrahlerzeugungseinheit 11 mehrere in einer charakteristischen Anordnung angeordnete Schlitze 111. Die Schlitze 111 sind entlang mindestens einer Richtung angeordnet, die senkrecht zur optischen Achse 142 der Hauptlinse 14 verläuft. Wenn die Lichtstrahlen 114 durch die Schlitze 111 verlaufen, werden Bessel-Strahlen 112 (mit geringer Divergenz und hoher Richtwirkung des Lichtfeldes) erzeugt. Die Bessel-Strahlen 112 werden von mehreren Lichtquellen durch Interferenzeffekte erzeugt. Das Verfahren der Erzeugung von Bessel-Strahlen durch die Schlitze, vergleichbar der Erzeugung der Bessel-Strahlen 112 durch die Schlitze 111, ist ein bekanntes Verfahren und soll aus diesem Grund an dieser Stelle nicht weiter erläutert werden. Wie 2 zeigt, ist mittels einer Dünnschichtplattierungsvorrichtung eine Metallschicht 116 (z. B. Silberschicht) mit einer Dicke von weniger als 250 nm auf ein transparentes Material 113 (z. B. Glasmaterial) der Lichtstrahlerzeugungseinheit 11 plattiert. Darauf folgend werden mittels fokussierter Ionenstrahlen (focused ion beam, FIB) auf der Oberfläche der Metallschicht 116 mehrere ringförmige Schlitze 111 generiert, wobei die Innendurchmesser W der Ringe zwischen 16 μm und 50 μm und die Breite D der Schlitze 111 zwischen 150 nm und 300 nm betragen.
-
Die Mikrolinseneinheit 12 mit mehreren Mikrolinsenkomponenten 121 empfängt die Bessel-Strahlen 112 der Lichtstrahlerzeugungseinheit 11. Die Mikrolinsenkomponenten 121 sind entlang mindestens einer Richtung angeordnet, die senkrecht zu der optischen Achse 142 der Hauptlinse 14 verläuft. Jede Mikrolinsenkomponente 121 weist eine einem entsprechenden Schlitz 111 gegenüberliegende Position auf. In diesem Ausführungsbeispiel steht die Position des Brennpunktes 122 in Relation zu der Distanz zwischen den Mikrolinsenkomponenten 121 und den entsprechende Schlitze 111. Wie in 2 gezeigt, entsteht der Brennpunkt 122, durch das Verlaufen eines Bessel-Strahls 112 durch eine jeweilige Mikrolinsenkomponente 121 hindurch, wobei die Brennweite F hierbei die Distanz zwischen dem Brennpunkt 122 und der Mikrolinsenkomponente 121 beschreibt.
-
Die lichtempfindliche Einheit 13 ist ein Bildsensor (z. B. ein CMOS-Sensor oder ein CCD-Sensor) und weist eine Brennebene 131 auf. Die lichtempfindliche Einheit 13 ist hinter der Mikrolinseneinheit 12 vorgesehen, sodass die Brennpunkte 122 auf die Brennebene 131 fokussiert werden und somit eine 3D-Multiwinkelfeld-Abtastmessung durchgeführt werden kann.
-
Die so gestaltete Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung 1 ist geeignet, die dreidimensionalen Lichtfeld-Informationen wiederzugeben (z. B. mit der Verwendung einer 3D-Lichtfeld-Kamera). Wenn die Lichtstrahlen 114 die Schlitze 111 passiert haben, formen sich die Bessel-Strahlen 112 mit geringer Divergenz und hoher Richtwirkung des Lichtfeldes. Bei Anordnungen von Mikrolinsen in 3D-Lichtfeld-Kameras können Pixelinterferenzen leicht zu Problemen der räumlichen Auflösung wie auch der Winkelauflösung führen. Die Anwendung der oben erwähnten Vorrichtung kann diese Probleme der räumlichen Auflösung beziehungsweise Winkelauflösung beheben.
-
In diesem Zusammenhang kann zusätzlich die Brennweite der Schlitze 111, durch die die Lichtstrahlen 114 propagieren, mit Hilfe der Mikrolinsenkomponenten 121 der Mikrolinseneinheit 12 verlängert werden, um so die effektive Brennweite der gesamten Anordnung zu erhöhen. Mit dieser effektiven Verlängerung der Brennweite kann darüber hinaus die Betriebstiefenschärfe der Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung bis in den Millimeterbereich verbessert werden. Folglich ist die erzielte Anordnungsgenauigkeit verbessert und es sind nicht nur die Winkelauflösung und die räumliche Auflösung verbessert, sondern Bilder mit kompletteren Details sind ebenfalls verfügbar. Ferner ist eine Massenproduktion der Komponenten möglich.
-
3 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Zerstreuungskreise mit verschieden vergrößerten Wellenlängen, wobei diese Wellenlängen den Wellenlängen des die Schlitze verschiedener Größen passierenden Lichts entsprechen.
-
4 ist eine schematische Darstellung des Korrigierens der Zerstreuungskreise.
-
Während der Fertigung der Schlitze 111 werden sowohl der Innendurchmesser W als auch die Breite D der Schlitze exakt manipuliert, sodass verschiedene Größen der Schlitze erzeugt werden können, die bestimmten Wellenlängenbereichen entsprechen, wie in 3 verdeutlicht. In 3 sind beispielsweise Schlitz 111a für Rotlicht, Schlitz 111b für Blaulicht und Schlitz 111c für Grünlicht durchlässig, während die übrigen Wellenlängen des einfallenden Lichts durch die Schlitze, aufgrund der Dimensionen der Schlitze, herausgefiltert werden. In diesem Ausführungsbeispiel können die Größe der Schlitze nach Bedarf angepasst werden, sodass die Schlitze für gewünschte Wellenlängenbereiche entsprechend durchlässig gestaltet werden können und somit die vorliegende Erfindung in verschiedenen Anwendungsbereichen Verwendung finden kann.
-
Ferner umfasst die erfindungsgemäße Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung 1 eine Bilderfassungsanalyseeinheit 15. Wie in 3 mit Bezug auf 1 gezeigt, sind in diesem Ausführungsbeispiel der Schlitz 111a, der Schlitz 111b und der Schlitz 111c jeweils mit unterschiedlichen Größen vorgesehen, sodass nachdem die Lichtstrahlen die Schlitze 111a, 111b und 111c sowie die Mikrolinsenkomponenten 121a, 121b und 121c passiert haben Zerstreuungskreise mit gemäß den jeweiligen Wellenlängen des Lichts entsprechenden Größen auf der Brennebene 131 der lichtempfindlichen Einheit 13 erzeugt werden. Beispielsweise erzeugt in 3 Schlitz 111b einen Brennpunkt A, während die Schlitze 111a, 111c jeweils Zerstreuungskreise B1, B2 erzeugen, abhängig von den jeweiligen Wellenlängen des durch die Schlitze propagierenden Lichts. Die Bilderfassungsanalyseeinheit 15, die hinter der lichtempfindlichen Einheit 13 angeordnet ist, wird in Bezug auf Positionen und Größen des Brennpunktes A und der Zerstreuungskreise B1 und B2 für die Analyse und die Korrektur der Bilderfassung verwendet. Wie in 3 und 4 gezeigt, dient der Brennpunkt A für die Analyse und die Korrektur der Bilderfassung als Bezugspunkt, wobei hierzu die Lichtstrahlerzeugungseinheit 11 oder die Mikrolinseneinheit 12 direkt auf einer von einer X-Achse und einer Y-Achse aufgespannten Fläche um diesen Bezugspunkt im Uhrzeigersinn R1 oder Gegenuhrzeigersinn R2 um einen gewissen Winkel rotiert werden, wodurch die Schlitze 111a, 111b und 111c der Lichtstrahlerzeugungseinheit 11 den Mikrolinsenkomponenten 121a, 121b und 121c der Mikrolinseneinheit 12 derart gegenüber gestellt werden können, dass als Resultat die Zerstreuungskreise B1 und B2 hinsichtlich ihrer Lage bewegt und in ihrer Größe kontinuierlich verringert werden, bis diese mit den Brennpunkten A1 und A2 übereinstimmen. Dadurch werden die Zerstreuungskreise, die durch die Schlitze mit verschiedenen geometrischen Ausgestaltungen erzeugt werden, durch die Bilderfassungsanalyseeinheit 15 korrigiert, was vorteilhaft für den Erhalt eines präzisen Bildes ist.
-
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der Schlitze, die für die Korrektur der Zerstreuungskreise verwendet wird, derart zu wählen, dass eine exakte Positionierung gewährleistet ist.
-
In einem anderen Ausführungsbeispiel soll, neben der Rotation der Lichtstrahlerzeugungseinheit 11 oder der Mikrolinseneinheit 12 innerhalb der durch die X- und Y-Achsen aufgespannten Fläche, ebenfalls eine Verschiebung entlang der Z Achse (in der Figur nicht abgebildet), sprich in Richtung jeweils senkrecht zur X-Achse und Y-Achse, für die Korrektur der Zerstreuungskreise berücksichtigt werden.
-
5 ist eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels der Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung.
-
Wie in 5 mit Bezug auf 1 gezeigt, ist dieses Ausführungsbeispiel grundsätzlich identisch zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel, wobei der Hauptunterschied darin besteht, dass in der Lichtstrahlerzeugungseinheit 11 der Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung 1 konische Linsen 115 vorgesehen sind, die in einer charakteristischen Anordnung und entlang einer Richtung senkrecht zur optischen Achse 142 der Hauptlinse 14 angeordnet sind, sodass durch das Propagieren der Lichtstrahlen 114 durch die konischen Linsen 115 die entsprechenden Bessel-Strahlen erzeugt werden.
-
Die Lichtfeld-Bilderfassungsvorrichtung weist in diesem Ausführungsbeispiel Bessel-Strahlen auf, die geringe Divergenz und eine hohe Richtwirkung des Lichtfeldes aufweisen, wobei die Technik zur Einstellung der Brennweite der konischen Linsen 115 gleich der des vorangegangenen Ausführungsbeispiels ist und aus diesem Grund an dieser Stelle nicht wiederholt werden soll.
-
Zusammenfassend ist die oben erwähnte Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung lediglich illustrativer Natur und beschränkt die Erfindung nicht. Änderung und Modifikationen einzelner Merkmale oder Bestandteile der Erfindung werden durch den Umfang der beigefügten Ansprüche ebenfalls abgedeckt.
