TWI548273B - Light field acquisition device - Google Patents

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TWI548273B TW104138948A TW104138948A TWI548273B TW I548273 B TWI548273 B TW I548273B TW 104138948 A TW104138948 A TW 104138948A TW 104138948 A TW104138948 A TW 104138948A TW I548273 B TWI548273 B TW I548273B
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Description

光場取像裝置
本發明有關於一種光場取像裝置，特別是關於一種利用貝索光束生成，提高電場分佈指向性、利用調制適當的微透鏡焦長，提升組裝容許精度、以及利用幾何設計差異的狹縫結構，產生不同波長增益的模糊圓，可由後端取像分析校正對位，取得較精細影像之光場取像裝置。
按，現有的光場式攝像的掃描技術中，皆是以單一孔洞(pinhole)結構或單一微透鏡陣列結構進行光場式攝像，其掃描精度皆限制於孔洞結構或微透鏡陣列的幾何尺寸大小，而同時考量製程可行性，無法有效提升角度與空間之解析度。
例如美國專利公告號US8831377B2，係揭露一種光場式影像攝像方法及其裝置，其僅使用單一微透鏡陣列(micro-lens array)進行多視角域像素資訊分析，光學上會因為鄰近微透鏡干擾而有其使用極限。
再例如中國專利公告號CN101852676B，係揭露一種多焦差動共焦超長焦距測量方法與裝置，主要透過單一針孔可實現共軛焦掃描架構，以濾除無相關的空間資訊，藉由高精度步進馬達，實現多焦平面精密掃描技術。但其對於全域式掃描限制於馬達精度及速度，無法進行全域快速掃描，亦無法有效展現光場攝像掃描優點。
又例如美國專利公開號US20130108217A1，係揭露一種微透鏡陣列與光學傳輸部件，主要利用縮小光圈於光纖耦合裝置上，用以提高光場指向性分佈。惟其提升角度與 空間之解析度仍有限。
有鑑於此，便有需要提供一種光場取像裝置，來有效提升角度與空間之解析度。
本發明的主要目的在於提供一種光場取像裝置，用以產生貝索光束，提高指向性的電場分佈，且透過微透鏡延伸出光束於該狹縫之焦長，用以增加元件等效焦長。
為達成上述目的，本發明係提供一種光場取像裝置，包含：一主透鏡，用以傳送一場景之光線，並具有一光軸；一光束產生單元，用以接收該主透鏡所傳送之光線，並產生數個貝索光束(Bessel-beam)，其中該光束產生單元包含以陣列方式排列的數個狹縫或錐狀透鏡，用以分別產生該等貝索光束，且該等狹縫或錐狀透鏡沿垂直於該主透鏡之光軸方向而排列；一微透鏡單元，用以接收該光束產生單元所產生之貝索光束，並包含對應該光束產生單元的數個微透鏡元件，其中該等微透鏡元件亦沿垂直於該主透鏡之光軸方向而排列，且該等微透鏡元件用以決定該等貝索光束通過該等微透鏡元件後分別所產生的一焦點，以及分別依據該焦點相對該等微透鏡元件之距離的一焦長；以及一感光單元，包含一焦平面，用以使該等焦點聚焦於該焦平面上。
本發明之特點在於，利用陣列方式排列的數個狹縫或數個錐狀透鏡產生貝索光束，用以提高指向性的電場分佈，提升空間解析度。
此外，藉由該微透鏡單元之微透鏡元件，可延伸出光於該狹縫之焦長，用以增加其可用焦長，有效延伸其聚焦工作景深至毫米級，提升組裝容許精度，不僅有效提升角度及空間解析度，可獲得細節更完整的影像。
本發明的另一目的在於提供一種光場取像裝 置，藉由尺寸差異化設計的狹縫產生模糊圓，並配合取像分析完成模糊圓之校正。
為達成上述目的，本發明所提供之光場取像裝置，更包含一取像分析單元，該取像分析單元用以分析校正成像於該焦平面上的至少一模糊圓。
本發明之另一特點在於，藉由尺寸差異化設計的狹縫產生模糊圓，並配合取像分析單元完成模糊圓之校正，使該光束產生單元之各該狹縫與該微透鏡單元的各該微透鏡元件相互對位，亦即調整該模糊圓成為一焦點，有助於取得較精細的影像。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。
1‧‧‧光場取像裝置
11‧‧‧光束產生單元
111‧‧‧狹縫
111a‧‧‧狹縫
111b‧‧‧狹縫
111c‧‧‧狹縫
112‧‧‧貝索光束
113‧‧‧透明基材
114‧‧‧光束
115‧‧‧錐狀透鏡
116‧‧‧金屬膜
12‧‧‧微透鏡單元
121‧‧‧微透鏡元件
121a‧‧‧微透鏡元件
121b‧‧‧微透鏡元件
121c‧‧‧微透鏡元件
122‧‧‧焦點
13‧‧‧感光單元
131‧‧‧焦平面
14‧‧‧主透鏡
141‧‧‧場景
142‧‧‧光軸
15‧‧‧取像分析單元
A‧‧‧焦點
A1‧‧‧焦點
A2‧‧‧焦點
B1‧‧‧模糊圓
B2‧‧‧模糊圓
F‧‧‧焦長
D‧‧‧狹縫寬度
R1‧‧‧順時針旋轉方向
R2‧‧‧逆時針旋轉方向
W‧‧‧內徑寬
圖1為本發明一實施例之光場取像裝置之示意圖；圖2為控制微透鏡元件以增加可用焦長之示意圖；圖3為本發明一實施例之利用不同尺寸設計的狹縫產生不同波長增益的模糊圓示意圖；圖4為模糊圓校正示意圖；以及圖5為本發明另一實施例之光場取像裝置之示意圖。
圖1為本發明一實施例之光場取像裝置之示意圖，圖2為控制微透鏡元件以增加可用焦長之示意圖。
請同時參閱圖1及圖2，本發明所述一實施例之光場取像裝置1，包含一主透鏡14、一光束產生單元11、一微透鏡單元12及一感光單元13。
該主透鏡14，用以傳送一場景141之光線，並具有一光軸142。
該光束產生單元11用以接收該主透鏡所傳送之光線，並產生數個貝索光束112(Bessel-beam)沿垂直於該主透鏡之光軸方向而排列。舉例，在本實施例中，該光束產生單元11包含以陣列方式排列的數個狹縫111，且該等狹縫111沿垂直於該主透鏡14之光軸142方向而排列，使一光束114通過各該狹縫111可視多個點光源於遠場干涉而產生的貝索光束112(為高指向性之電場分佈)，其中利用該狹縫111產生貝索光束112為現有應用技術，在此不另贅述。本實施例所述之光束產生單元11是利用濺鍍機將約250nm以下的金屬膜116(例如銀模)鍍在乾淨的透明基材113(例如玻璃基材)上(如圖2所示)，然後使用聚焦離子束(focused ion beam,FIB)在金屬膜116之金屬表面製作出內徑寬W在16μm~50μm之間、狹縫寬度D在150nm~300nm之間的數個狹縫111，且各該狹縫111為環形狹縫。
該微透鏡單元12用以接收該光束產生單元11所產生之貝索光束112，其包含以陣列方式排列的數個微透鏡元件121，其中該等微透鏡元件121亦沿垂直於該主透鏡14之光軸142方向而排列，且該等微透鏡元件121係分別對應該等狹縫111。在本實施例中，透過控制該等微透鏡元件121與該等狹縫111的距離，用以決定該等貝索光束112通過該等微透鏡元件121後分別所產生的一焦點122的位置，以及分別依據該焦點122相對該等微透鏡元件121之距離的一焦長F，如圖2所示。
該感光單元13包含一焦平面131，該感光單元13可為一影像感測器(例如互補式金氧半導體(Complementary metal oxide semiconductor,CMOS)感光元件或感光耦合元件(Charge Coupled Device,CCD))。該感光單元13主要配置於該微透鏡單元12之後方，主要用以使該等焦點122聚焦於該焦平面131上，進行多視角域三維掃描量測。
本實施例所述之光場取像裝置1可應用於還原立體光場資訊(例如與3D光場相機搭配使用)，利用一光束通過該等狹縫111，產生具有高指向性電場分佈的貝索光束，可解決3D光場相機之微透鏡陣列容易受到畫素間的交互干擾，而無法提升其空間解析度等之問題。
再者，藉由該微透鏡單元12之微透鏡元件121，可延伸出光於該狹縫111之焦長，用以增加其可用焦長，有效延伸其聚焦工作景深至毫米級，提升組裝容許精度，不僅有效提升角度及空間解析度，可獲得細節更完整的影像，並可達到元件量產整合之手段。
圖3為本發明一實施例之利用不同尺寸設計的狹縫產生不同波長增益的模糊圓示意圖，圖4為模糊圓校正示意圖。
請參閱圖3，可在製作狹縫時，控制各個狹縫的內徑寬及狹縫寬度，用以製作出不同尺寸的狹縫，其可匹配出使用的光源波段。例如狹縫111a、111b、111c，可分別通過紅光、藍光、綠光三種光波段，使該狹縫111a、111b、111c只通過紅光、藍光、綠光三種光波段，而濾除其他波段。本實施例所述之狹縫尺寸可依需求控制，使得狹縫可通過所需波段，可配合應用領域不同作設計。
此外，該光場取像裝置1更包含一取像分析單元15。再參閱圖3並配合參閱圖1，本實施例也利用尺寸差異化設計的狹縫111a、111b、111c，使得光束通過該狹縫111a、111b、111c及微透鏡元件121a、121b、121c後，可於感光單元13的焦平面131上產生依據所需波長增益的模糊圓。在圖3中，以該狹縫111b產生焦點A，以該狹縫111a、111c分別產生模糊圓B1、B2來舉例說明。據此，可利用配置於該感光單元13之後方的取像分析單元15，依據該焦點A及該模糊圓B1、B2的大小及位置，進行取像分析校正。請參閱圖4， 並配合參閱圖3，在進行取像分析校正時，以該焦點A為基準點，而直接在X軸及Y軸所交之平面上沿順時針旋轉方向R1或逆時針旋轉方向R2將該光束產生單元11或該微透鏡單元12旋轉一角度，使該光束產生單元11之各該狹縫111a、111b、111c與該微透鏡單元12的各該微透鏡元件121a、121b、121c相互對位，亦即移動該模糊圓B1、B2，並使該模糊圓B1、B2變小至一焦點A1、A2。因此，藉由尺寸差異化設計的狹縫產生模糊圓，並配合取像分析單元15完成模糊圓之校正，有助於取得較精細的影像。
在本實施例中，要取用多少個狹縫進行模糊圓之校正可視需求而定，只要可精準定位即可。
在另一實施例中，以X軸及Y軸所交之平面旋轉該光束產生單元或該微透鏡單元之外，也需考量一Z軸方向(垂直於X軸及Y軸所交之方向)的位移(圖未示)，進行模糊圓校正。
圖5為本發明另一實施例之光場取像裝置之示意圖。
請參閱圖5，並配合參閱圖1，本實施例大體上相同於上一實施例，其主要差異在於，本實施例之光場取像裝置1的光束產生單元11係包含以陣列方式排列的數個錐狀透鏡115，沿垂直於該主透鏡14之光軸142方向而排列，使該光束114通過各該錐狀透鏡115後分別產生對應的貝索光束。
而本實施例所述之光場取像裝置1在產生具有高指向性電場分佈的貝索光束、調整光出於錐狀透鏡之焦長的技術同於前述實施例，在此不另贅述。
綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相 符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。
1‧‧‧光場取像裝置
11‧‧‧光束產生單元
111‧‧‧狹縫
112‧‧‧貝索光束
114‧‧‧光束
12‧‧‧微透鏡單元
121‧‧‧微透鏡元件
13‧‧‧感光單元
131‧‧‧焦平面
14‧‧‧主透鏡
141‧‧‧場景
142‧‧‧光軸
15‧‧‧取像分析單元

Claims (10)

  1. 一種光場取像裝置，包含：一主透鏡，用以傳送一場景之光線，並具有一光軸；一光束產生單元，用以接收該主透鏡所傳送之光線，並產生數個貝索光束(Bessel-beam)，其中該光束產生單元包含以陣列方式排列的數個狹縫或錐狀透鏡，用以分別產生該等貝索光束，且該等狹縫或錐狀透鏡沿垂直於該主透鏡之光軸方向而排列；一微透鏡單元，用以接收該光束產生單元所產生之貝索光束，並包含對應該光束產生單元的數個微透鏡元件，其中該等微透鏡元件亦沿垂直於該主透鏡之光軸方向而排列，且該等微透鏡元件用以決定該等貝索光束通過該等微透鏡元件後分別所產生的一焦點，以及分別依據該焦點相對該等微透鏡元件之距離的一焦長；以及一感光單元，包含一焦平面，用以使該等焦點聚焦於該焦平面上。
  2. 如請求項1所述之光場取像裝置，其中：該等狹縫使一光束通過各該狹縫後分別產生對應的貝索光束；及該等微透鏡元件以陣列方式排列，且各別對應該等狹縫。
  3. 如請求項1所述之光場取像裝置，其中：該等錐狀透鏡使一光束通過各該錐狀透鏡後分別產生對應的貝索光束；及該等微透鏡元件以陣列方式排列，且各別對應該等錐狀透鏡。
  4. 如請求項1所述之光場取像裝置，其中該等狹縫的形成方式是在一透明基材上形成一金屬膜後，再於該金屬膜之金屬表面製作出該等狹縫。
  5. 如請求項4所述之光場取像裝置，其中各該狹縫為環形狹縫。
  6. 如請求項5所述之光場取像裝置，其中各該狹縫之內徑寬在16μm~50μm之間，各該狹縫之狹縫寬度在150nm~300nm之間。
  7. 如請求項1所述之光場取像裝置，更包含一取像分析單元，用以分析校正成像於該焦平面上的至少一模糊圓。
  8. 如請求項7所述之光場取像裝置，其中該模糊圓為由不同尺寸之狹縫產生的不同波長的貝索光束，於通過對應的微透鏡元件後，於感光單元之焦平面上所產生不同波長增益的模糊圓。
  9. 如請求項1所述之光場取像裝置，其中該感光單元為一影像感測器。
  10. 如請求項9所述之光場取像裝置，其中該影像感測器為互補式金氧半導體(Complementary metal oxide semiconductor,CMOS)感光元件或感光耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)。
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