微透镜阵列成像装置与成像方法与流程

本发明涉及成像技术领域，具体而言，涉及一种微透镜阵列成像装置与成像方法。

背景技术：

目前消费电子设备，工业检测设备等都逐渐趋向于便携化，轻薄化。一般地，为了实现灵活的图像获取功能而经常采用多透镜组等方案，如此一来，就限制了器件的轻薄化，便携化。

微透镜阵列广泛应用于光场相机，复眼相机以及大视野的显微相机，需要对微透镜阵列所成的像进行后续处理，如将每个微透镜所成的像进行匹配或者拼接。然而，由于光的波动性，每个微透镜成像都会出现中间亮四周暗的现象，从而导致处理后的像造成严重的干扰，同时，在后期图像的拼接或匹配的过程中，图像分辨率利用率较低，造成分辨率的浪费。

技术实现要素：

为了在有效降低成像器件的厚度同时能获得较高分辨率的图像，本发明提出一种微透镜阵列成像装置，其包括主透镜、微透镜阵列以及位于微透镜阵列的远离所述主透镜一侧的图像采集单元，所述微透镜阵列包括多个阵列排布的子透镜，其特征在于，所述微透镜阵列的成像光路以所述主透镜的光阑作为视场光阑；所述主透镜对物体所成的第一图像位于所述主透镜与所述微透镜阵列之间，且所述第一图像经过每个子透镜后在所述图像采集单元上成一个第二图像，每个所述第二图像包括一个方形底图以及围绕所述方形底图的方形弥散外环。

进一步的，每个所述第二图像的所述方形底图和与其相邻的所述第二图像的所述方形底图之间的距离大于等于零，且小于等于所述第二图像的 所述方形弥散外环的宽度和与其相邻的所述第二图像的所述方形弥散外环的宽度之和。

进一步的，所述第二图像包括有效方形弥散外环，所述有效方形弥散外环大于等于方形底图，且小于方形弥散外环。

更进一步的，所述第二图像的有效方形弥散外环和与其相邻的所述第二图像的所述方形弥散外环相接。

进一步的，所述主透镜为圆形透镜，所述主透镜设置有方形光阑。

进一步的，所述主透镜方形透镜。

进一步的，所述方形底图为图像采集单元上光阑像的主光线覆盖范围；所述方形弥散外环为图像采集单元上光阑像的弥散光线覆盖范围。

进一步的，所述多个子透镜的大小形状相同。

进一步的，所述微透镜阵列成像装置进一步包括一个图像处理单元，所述图像处理单元用于将所述多个子透镜所成的第二图像进行拼接。

更进一步的，每个所述子透镜的第二图像包括截取的有效方形弥散外环，所述有效方形弥散外环大于等于方形底图，且小于方形弥散外环。

更进一步的，每个所述第二图像的所述方形底图和与其相邻的所述第二图像的所述方形底图之间的距离大于等于所述有效方形弥散外环的宽度，且小于等于所述第二图像的所述有效方形弥散外环的宽度和与其相邻的所述第二图像的所述有效方形弥散外环的宽度之和。

本发明还提出一种微透镜阵列成像方法，所述微透镜阵列成像方法包括如下步骤：

通过主透镜对物体成第一图像；以及

所述第一图像经过微透镜阵列的每一个子透镜成一个第二图像，每个所述第二图像包括一个方形底图以及围绕所述方形底图的方形弥散外环，每个所述第二图像的所述方形底图和与其相邻的所述第二图像的所述方形底图之间的距离大于等于零，且小于等于所述第二图像的所述方形弥散外环的宽度与其相邻的所述第二图像的所述方形弥散外环的宽度之和。

进一步的，截取所述第二图像的有效方形区域，所述有效方形区域包括所述方形底图和有效方形弥散外环；所述有效方形弥散外环大于等于方 形底图，且小于方形弥散外环。

更进一步的，所述第二图像的有效方形弥散外环和与其相邻的所述第二图像的所述方形弥散外环相接。

进一步的，进一步包括对所述多个子透镜所成的第二图像进行拼接。

更进一步的，所述多个子透镜的大小形状相同；且每个所述第二图像的所述方形底图和与其相邻的所述第二图像的所述方形底图之间的距离大于等于所述有效方形弥散外环的宽度，且小于等于所述第二图像的所述有效方形弥散外环的宽度和与其相邻的所述第二图像的所述有效方形弥散外环的宽度之和。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的微透镜阵列成像装置的结构框图；

图2为发明第一实施例提供的微透镜阵列成像装置的光路图；

图3为图2中的微透镜阵列的弥散模型图；

图4为图2中一个子透镜在图像采集单元上所成的第二图像的示意图；

图5为图2中一个子透镜在图像采集单元上所成的第二图像的有效区域示意图；

图6为图像处理单元对每个子透镜的第二图像进行拼接时的第一示意图；

图7为图像处理单元对每个子透镜的第二图像进行拼接时的第二示意图；

图8为提供给图1中微透镜阵列成像装置成像的原始图表；

图9-图12为图1提供的微透镜阵列成像装置对图8的原始图表成像拼接的示意图；

图13为本发明第二实施例提供的微透镜阵列成像方法的流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不 冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

请参见图1、图2与图3，一种微透镜阵列成像装置，其包括主透镜120、微透镜阵列130以及位于微透镜阵列130的远离主透镜120一侧的图像采集单元150。在本实施例中，主透镜120与微透镜阵列130作微透镜阵列成像装置的光学镜头组140。

微透镜阵列130包括多个阵列排布的子透镜131。在本实施例中，多个子透镜131的大小形状相同。可以理解的是，在其他实施例中，多个子透镜131的大小形状也可以不相同，其可以根据需要设置。

如图2、3所示，主透镜120对物体110所成的第一图像121位于主透镜120与微透镜阵列130之间，同时，第一图像121作为微透镜阵列130的物；第一图像121经过每个子透镜后在图像采集单元150上成一个第二图像181。微透镜阵列成像装置的实际孔径光阑为主透镜120的孔径光阑122，每个子透镜131的成像光路中以主透镜120的孔径光阑122作为视场光阑，在本实施例中，主透镜120为圆形透镜，且在主透镜120设置有方形光阑。可以理解的是，在其他实施例中，主透镜120为方形透镜。

请一并参见图4，每个第二图像181包括一个方形底图182以及围绕方形底图182的方形弥散外环183；

其中方形底图182为图像采集单元150上光阑像的主光线覆盖范围，其宽度为b；本实施例的方形底图182为正方形，其宽度b即为方形底图的边长；

方形弥散外环183为图像采集单元150上光阑像的弥散光线覆盖范围，其宽度为c，且沿主光线对称分布；方形弥散外环183包括一内边框和一外边框，其宽度c为内边框和外边框之间的宽度。

第二图像181为图像采集单元150上光阑像的主光线和弥散光线的覆盖范围，其宽度为b+2c，它规定了每个子透镜131的有效视场范围，且弥散部分分布情况由主透镜光阑122和子透镜131孔径形状共同决定。

每个子透镜131将主透镜120所得的第一图像121分别成像于图像采集单元150上，经过透镜的两次变换，最终得到正立的像。因此，最后图像处理时只需做镜像处理便能还原初始物。其中，主透镜120对物体110成像，每个子透镜131再对主透镜120所成的实像成像，以及每个子透镜131对主透镜光阑122成像，均遵从高斯成像原理，当器件置于空气介质中时，其物像关系如公式(1)至公式(3)所示：

$\frac{1}{u_1}+\frac{1}{v_1}=\frac{1}{f_1}---\left(1\right)$

$\frac{1}{u_2}+\frac{1}{v_2}=\frac{1}{f_2}---\left(2\right)$

$\frac{1}{u}+\frac{1}{v}=\frac{1}{f_2}---\left(3\right)$

上述公式中，u₁表示主透镜120成像的物距，v₁表示主透镜120成像的像距，f₁表示主透镜120的焦距；u₂表示微透镜阵列130成像的物距，v₂表示微透镜阵列130成像的像距，即图像采集单元150与微透镜阵列130的间距，f₂表示微透镜阵列130的焦距；u表示主透镜120的孔径光阑122离微透镜阵列130的距离，v表示微透镜阵列130对主透镜120的孔径光阑122成像的像距。

每个第二图像181的方形底图182和与其相邻的第二图像181的方形底图182之间的距离大于等于零，且小于等于第二图像181的方形弥散外环183的宽度和与其相邻的第二图像181的方形弥散外环183的宽度之和。

由于在后期图像处理时需要将各个子透镜图像进行拼接以还原完整的图像，因此在拍摄图像时必须保证相邻子透镜131在图像采集单元150上成的第二图像181内容不出现干扰混叠。

在本实施例中，如图5所示，可根据所需图像分辨率的大小而截取第二图像181的有效方形区域，包括方形底图182和有效方形弥散外环184，其中有效方形弥散外环184的值可以无限接近方形弥散外环183的大小，可使得最终拼接图的分辨率可无限接近原图，但需保证相邻所截取的效方 形弥散外环184中的内容不出现干扰混叠。在此光学模型中，截取底图参数k，如公式(4)所示：

$k=\frac{c_1}{c}---\left(4\right)$

其取值范围可为0≤k<1。

上述公式中，c₁表示有效方形弥散外环184宽度(有效方形弥散外环184包括一内边框和一外边框，其宽度c₁为内边框和外边框之间的宽度)，c表示方形弥散外环184的宽度。当k取0时，截取的底图范围为主光线覆盖的范围，即方形底图182；当k取1时，截取的底图范围为弥散光线覆盖的范围，即全部弥散都利用，此时分辨率为全分辨率还原图像。可根据实际图像质量和分辨率的需要，设定一个适合的k值，以实现高分辨率和高质量的图像。

由于最后是将各相邻子透镜131所成的像进行拼接以还原实际拍摄的图像，而为了最大化地利用图像传感器150的第二图像181，也就是使拼接后图像的分辨率达到最大。本实施例提出了方形弥散外环183和与其相邻的方形弥散外环183相接的光学结构，避免所截取的有效方形弥散部分内的内容发生重叠，导致图像内容混乱，从而保证两个相邻的方形弥散外环之间不会相互干扰和混叠，最大效率的利用图像传感器150的第二图像181。

在本实施例中，微透镜阵列成像装置进一步包括图像处理单元160，图像处理单元用于将多个子透镜131所成的第二图像181进行拼接。

请参见图6，图像处理单元160对多个子透镜131所成的第二图像181的有效方形区域进行拼接时，采用移动多个第二图像181的方式进行拼接。由于待拼接的底图为方形，因此相邻的有效方形区域内的内容的重复率最小可为0，即每个第二图像181的有效方形弥散外环184和与其相邻的第二图像181的有效方形弥散外环184相接。

请参见图7，本发明还提供一种实施案例，可让有效方形区域内的内容部分重叠，以利于后期图像拼接时的图像调整，此时拼接后相邻方形底图有部分重叠，但不影响图像的完整性，此时，每个第二图像181的方形 底图182和与其相邻的第二图像181的方形底图182之间的距离大于等于有效方形弥散外环184的宽度c₁，且小于第二图像181的有效方形弥散外环的宽度c₁和与其相邻的第二图像181的有效方形弥散外环184的宽度c₁之和。

请一并参见图8-图12，微透镜阵列成像装置对原始图表进行成像并进行拼接的示意图，由此可知，微透镜阵列成像装置可以保证相邻子透镜在图像采集单元160上成的第二图像181内容不出现干扰混叠，并且能有效地利用图像采集单元160上的象素单元。当图像处理单元160在对第二图像181进行移动拼接时，每个第二图像181的有效方形弥散外环184和与其相邻的第二图像181的有效方形弥散外环184相接，此时，拼接后的图像分辨率最大。

微透镜阵列成像装置能够保证相邻子透镜131在图像采集单元150上成的第二图像181内容不出现干扰混叠，并且能有效地利用图像采集单元150上的象素单元。

请参见图13，本发明第二实施例提供的一种微透镜阵列成像方法，其包括如下步骤：

步骤21：通过主透镜对物体成第一图像。

步骤22：第一图像经过微透镜阵列的每一个子透镜成一个第二图像，每个第二图像包括一个方形底图以及围绕方形底图的方形弥散外环，每个第二图像的方形底图和与其相邻的第二图像的方形底图之间的距离大于等于零，且小于等于第二图像的方形弥散外环的宽度与其相邻的第二图像的方形弥散外环的宽度之和。

步骤23：截取第二图像的有效方形区域，该有效方形区域包括方形底图和有效方形弥散外环；有效方形弥散外环大于等于方形底图，且小于等于方形弥散外环。本实施例中，第二图像的有效方形弥散外环和与其相邻的第二图像的所述方形弥散外环相接。

步骤24：对多个子透镜所成的第二图像的有效方形区域进行拼接。对多个子透镜所成的第二图像采用移动拼接的方式。在本实施例中，每个第二图像的有效方形弥散外环和与其相邻的第二图像的有效方形弥散外环相 接。

微透镜阵列成像方法能够保证相邻子透镜在图像采集单元150上成的第二图像内容不出现干扰混叠，并且能有效地利用图像采集单元上的象素单元。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。