一种微型超近距离大景深复眼成像系统

1.本发明涉及光学系统技术领域，具体涉及一种微型超近距离大景深复眼成像系统。


背景技术：

2.对于普遍意义上的成像光学系统而言，物和像关于镜头共轭，单个孔径光阑即可限制系统所有视场的光束。在这些系统中，根据高斯光学的基本原则，在焦距一定的情况下，系统的共轭距离存在着一个下限；并且，传统光学透镜在物像之间的共轭距较小的情况下，需要较复杂的光学结构来校正大视场下的畸变。
3.昆虫的眼睛，即复眼，最早出现在地球上超过5亿年前，经过自然选择优化成为一个成熟的光学系统。不同于脊椎动物的单孔径眼，昆虫的复眼具有视场大、像差和畸变低、时间分辨率高和无限景深的特点。到目前为止，为了模拟昆虫眼睛的光学系统，已经提出了许多人工复眼成像系统。它采用多个通道成像，能够记录和还原物体不同角度和不同深度下的信息，因此广泛应用于光场采集、光场成像、三维集成成像显示、光通信，光存储设备，以及扫描微光学系统等领域。
4.目前已经有很多应用微透镜阵列(micro lensarray，简称mla)实现复眼成像的研究。复眼成像系统通常由用于成像的微透镜和用于传感的光电探测器组成。每个基本的成像单元捕获场景特定方向、角度上的信息，所有单元图像叠加，得到物体连续的整体信息。例如，基于相位衍射微透镜阵列相对孔径大、相对厚度薄的特点，制作紧凑复眼成像模块，将手指贴近用于照明的波导系统，用于指纹成像。不过，迄今为止，还未见应用人工复眼成像设备在较短共轭距范围内实现大景深立体成像的研究。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种微型超近距离大景深复眼成像系统，采用双片微米级非球面透镜实现了在较短共轭距下大景深清晰成像，同时抑制杂光，使系统具有大景深、高分辨率以及便携性的特点，适用于需要较短共轭距和较小体积的微距摄影场合。
6.为实现上述发明目的，本发明的技术方案为：
7.一种微型超近距离大景深复眼成像系统，包括：
8.第一微透镜阵列，包括离散分布的第一子透镜，第一子透镜的前表面是凸向物侧的非球面。
9.第二微透镜阵列，包括离散分布的第二子透镜，第二子透镜的后表面是凸向像侧的非球面。
10.第二子透镜和第一子透镜对应设置；第一子透镜的后表面和第二子透镜的前表面贴合或邻近设置，组成一个子成像通道。
11.第一子透镜的直径和第二子透镜的直径相等，均小于1mm。
12.进一步的，第一子透镜的直径为0.5mm，与第一子透镜相邻子透镜的间隙在0.3mm
～1.4mm之间。
13.进一步的，第一子透镜和第二子透镜的焦距比值为2：1到2.5：1之间。
14.进一步的，第一子透镜和第二子透镜的厚度之和小于3mm。
15.进一步的，第一子透镜的厚度大于第二子透镜的厚度。
16.进一步的，还包括：位于第一微透镜阵列和第二微透镜阵列之间的孔径光阑。
17.进一步的，孔径光阑的半径为第一子透镜孔径的
18.进一步的，还包括：第一消杂光光阑，设置在第一微透镜阵列的前表面；第二消杂光光阑，设置在第二微透镜阵列的后表面。
19.进一步的，第一消杂光光阑采用在第一子透镜间隙镀吸光膜的方式直接形成在第一微透镜阵列的前表面，在第一子透镜区域透光，在第一子透镜间隙区域挡光；
20.第二消杂光光阑采用在第二子透镜间隙镀吸光膜的方式直接形成在第二微透镜阵列的后表面，在第二子透镜区域透光，在第二子透镜间隙区域挡光。
21.进一步的，系统的物距小于10mm，后截距不大于1mm，景深不小于10mm。
22.有益效果：
23.本发明提供了一种微型超近距离大景深复眼成像系统，基于非球面微透镜阵列实现，通过两片六边形排列的平面微透镜阵列设计实现了共轭距10mm，系统总长2.5mm，景深10mm的紧凑、超薄、微型超近距成像系统，并利用空域重聚焦的方法还原物体不同深度处的图像信息。针对该结构固有的相邻通道串扰问题，提出了三层光阑结构来抑制杂光。其具有大景深、高分辨率以及便携性，适用于需要较短共轭距和较小体积的微距摄影场合。
附图说明
24.图1是本发明的系统示意图。
25.图2是本发明的成像原理图。
26.图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)分别为设置不同光阑的抑制杂光效果示意图。
27.图4是微透镜阵列的子系统的成像原理示意图。
28.图5(a)、图5(b)和图5(c)分别是本发明在不同物距处所测得的mtf曲线图。
29.其中，1-第一消杂光光阑，2-第一微透镜阵列，3-孔径光阑，4-第二微透镜阵列，5-第二消杂光光阑，6-照明光源，7-感光元件，8-子图像，9-近处聚焦合成图像，10-远处聚焦合成图像，11-第一子透镜的前表面，12-第一子透镜的后表面，13-第二子透镜的前表面，14-第二子透镜的后表面，15-保护玻璃的前表面，16-保护玻璃的后表面，17-感光元件的表面，20-第一子透镜，40-第二子透镜，70-保护玻璃。
具体实施方式
30.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
31.本发明提供的微型超近距离大景深复眼成像系统，基于两层平面微透镜阵列、三层光阑和感光元件实现，其中，两层微透镜阵列中分别包括多个离散分布的子透镜，通过选用微米级的微透镜阵列，可以对约10mm距离内的物体实现立体成像，并且，景深可以达到10mm左右，可以实现立体物体的高像质微距成像。
32.大景深和短共轭距之间存在矛盾，共轭距越短，景深越小。在本技术中，为了达到景深与共轭距之间的平衡，将共轭距控制在10mm左右。同一透镜组在相同的共轭距下，物距越大，像距越小，景深越大，所以此系统需要有较小的像距。考虑到cmos前端保护玻璃厚度(约0.7mm)和保护玻璃与感光区域的间隙(约0.4mm)，光学系统后截距应大于该值，在该系统的典型应用场景下，将后截距控制为1mm。当然，可以理解，通过对微透镜阵列中子透镜的参数进行微小的调整，可以在小范围内适当增加成像系统的物距及物像共轭距。在此仅以10mm共轭距内物体的微距成像进行示例性说明。
33.具体来说，如图1所示，微型超近距离大景深复眼成像系统，包括从物侧到像侧依次排列的第一消杂光光阑1、第一微透镜阵列2、孔径光阑3、第二微透镜阵列4和第二消杂光光阑5，此外还包括感光元件(未图示)。
34.其中，第一微透镜阵列2包括多个离散分布的第一子透镜20，第一子透镜20的直径小于1mm，例如，下述实施例中使用直径为0.5mm的子透镜，多个第一子透镜20之间呈现非密接的排列状态，多个第一子透镜20可以以规则形状的重复排列方式在第一平面内向两个方向进行扩展排列。
35.第二微透镜阵列4包括多个离散分布的第二子透镜40，第二子透镜40也属于微米级的子透镜，其直径优选与第一子透镜20的直径相同。同样，多个第二子透镜40之间呈现非密接的排列状态，多个第二子透镜40以与第一子透镜20一一对应的方式重复排列在第二平面内。每个第一子透镜20和与其对应的第二子透镜40组成一个子成像通道。
36.在该微型超近距离大景深复眼成像系统中，第一微透镜阵列2的前表面凸向物侧，第二微透镜阵列4的后表面凸向像侧，第一微透镜阵列2的前表面和第二微透镜阵列4的后表面优选为非球面；为了便于设置孔径光阑3，第一微透镜阵列2的后表面和第二微透镜阵列4的前表面均采用平面面型，彼此贴合或相邻设置，第一微透镜阵列2和第二微透镜阵列4之间的距离极小，例如间距小于0.1mm。
37.上述两个微透镜阵列的长宽(对应于第一子透镜20和第二子透镜40的二维扩展方向)一致，第一子透镜20和第二子透镜40的厚度之和小于3mm，第一子透镜20的厚度大于第二子透镜40的厚度；本发明实施例中，两个微透镜阵列的厚度之比为1.4:1。第一子透镜20和第二子透镜40的焦距比值为2：1到2.5：1之间。
38.上述光学系统中，第一微透镜阵列2和第二微透镜阵列4可以通过两块等大小、但厚度不同的光学材料实现。在厚度较大的一块光学材料的前表面，按照第一子透镜20的离散排列方式，形成多个与第一子透镜20的前表面一致的光学表面，并使后表面保持平面，形成第一微透镜阵列2。在厚度较小的一块光学材料的后表面，按照第二子透镜40的离散排列方式，形成多个与第二子透镜40的后表面一致的光学表面，并使前表面保持平面，形成第二微透镜阵列4。
39.第一微透镜阵列2和第二微透镜阵列4的相邻表面贴合，并分别在第一微透镜阵列2的前表面设置第一消杂光光阑1、在第一微透镜阵列2和第二微透镜阵列4之间设置孔径光阑3，在第二微透镜阵列4的后表面设置第二消杂光光阑5，组成光学系统。
40.如图2所示，来自物体的入射光线，从第一子透镜的前表面11射入第一子透镜20内部，并经过第一子透镜的后表面12、第二子透镜的前表面13，最后从第二子透镜的后表面14射出。来自物体的不同入射光线分别从多个第一子透镜的前表面12射入，并最终从与之对
应的第二子透镜的后表面14射出后，照射到对应位置的感光元件(或感光元件的不同区域)上，形成像8，不同位置的感光元件(或感光元件的不同区域)用于记录经过不同子成像通道的光线，经过空域重聚焦后，最终形成立体图像，实现立体成像。
41.上述系统能够在较大的景深范围内成像，产生一组单位图像，称为复合图像。每个子透镜通过其位置和视角来观察物体的一部分。因此，单元图像具有不同的采样信息，可以利用它们重建最终的完整图像。为了不丢失物体信息，微透镜成像系统的放大比设置为小于1。为了得到整体的图像，需要对单元图像进行偏移叠加。在景深范围内，可自由选择偏移量，来聚焦在特定深度处。
42.在图2中，以abc三点为例，对整个光学系统的立体成像原理进行了图示。其中，ac代表相对较远的物体，b代表相对较近的物体，图中用虚线表示光线，虚线围起来的区域为通光区域。物体发出的光线经过第一消杂光光阑1发生第一次筛检；第一层微透镜阵列2中，微透镜的第一个表面为凸面，第二表面为平面，光线经过此表面发生折射；孔径光阑3同时用作消杂光光阑，光线在这里发生第二次筛检；第二层微透镜阵列4的第一表面为平面，第二表面为凸面，光线经过此表面发生折射；光线经过第二消杂光光阑5发生第三次筛检，最终光线到达带有保护玻璃的感光元件7(cmos或ccd)，在这里成像，每个子成像通道形成一个子图像8，通过算法将子图像8按特定规律拼接，可以将合成的图像聚焦在较近的位置或者聚焦在较远的位置，从而实现立体成像，此过程称为重聚焦过程。在图2中，存在近处聚焦合成图像9和远处聚焦合成图像10。此外，在图2中，为了提供较暗环境下的照明，在第一微透镜阵列2靠近物侧的位置设置有照明光源6，照明光源6用于照射第一微透镜阵列2前方的物体。具体地，照明光源6均匀摆放在第一透镜阵列2周围的凹槽里，用于直接照射被测物体，然后反射光束再进入第一微透镜阵列2，避免照明光源6发出的光线直接照射第一微透镜阵列2，形成杂光。
43.对于每个子成像通道，第一子透镜20的前表面凸向物侧，曲率较大，所以光线汇聚能力强，物距短；第二子透镜的后表面14的凸向像侧，曲率也较大，所以光线汇聚能力强，像距也短；第二子透镜40的后表面的曲率大于第一子透镜20的前表面的曲率，从而实现小的放大倍数及小的像距。由于两个微透镜阵列的体积很小，每个子透镜具有较小的焦距和光圈数(由通光孔径决定)，从而使像面尽可能贴近第二子透镜40的后表面，在相同共轭距的情况下，像距越小，物距越大，景深越大。除此之外，在上述光学系统中，第一子透镜20的前表面和第二子透镜40的后表面分别采用非球面面型来提高像质，这些因素使得此结构具有较大景深，并具有较高的成像质量。
44.为了实现不同子成像通道的独立成像，消除杂光，在微型超近距离大景深复眼成像系统内部，使用离散分布的子透镜组成微透镜阵列，并设置有三层光阑。其中，第一消杂光光阑1设置在第一微透镜阵列2的前表面，第一消杂光光阑1是遮挡光阑，用于限制进入第一子透镜20的光线；孔径光阑3设置在第一微透镜阵列2的后表面和第二微透镜阵列4的前表面之间，用于限制每个子成像通道的通光孔径大小，并消除杂光，孔径光阑3同时用作遮挡光阑；第二消杂光光阑5设置在第二微透镜阵列4的后表面，第二消杂光光阑5是遮挡光阑，用于限制从每个子成像通道射出的光束，使其独立成像。
45.第一消杂光光阑1、孔径光阑3和第二消杂光光阑5分别为在同一薄片内设置有多个通光孔径的光阑，多个通光孔径的排布方式和第一子透镜20及第二子透镜40的排布方式
一致。优选地，第一消杂光光阑1采用在第一子透镜20间隙镀吸光膜的方式直接形成在第一微透镜阵列2的前表面，在第一子透镜20区域透光，在第一子透镜20间隙区域挡光。第二消杂光光阑5采用在第二子透镜40间隙镀吸光膜的方式直接形成在第二微透镜阵列4的后表面，在第二子透镜40区域透光，在第二子透镜40间隙区域挡光。因此，第一消杂光光阑1和第二消杂光光阑5的通光孔径与第一子透镜20和第二子透镜40的形状和大小相同。孔径光阑3同时可以消除杂光，通过调整通光孔径大小对图像质量进行调整。
46.例如，与子透镜呈六边形的第一微透镜阵列2和第二微透镜阵列4对应，第一消杂光光阑1和第二消杂光光阑5均设置为通光孔径呈六边形的薄片。第一消杂光光阑1摆放在第一微透镜阵列2的前表面，第二消杂光光阑5摆放在第二微透镜阵列4的后表面，第一消杂光光阑1和第二消杂光光阑5的孔径大小与第一子透镜20和第二子透镜40的孔径相同，保证不会损失有效光线。孔径光阑3设置在两个微透镜阵列2和4之间，孔径光阑3同时是遮挡光阑，孔径光阑3的通光孔径的形状可以是六边形，也可以是圆形；通光孔径的大小可以根据两个子透镜的孔径大小灵活调整，大致为第一子透镜20孔径(也即第二子透镜40孔径)的通过调整孔径光阑3中孔径的大小，可以改善消杂光的效果。
47.对于微透镜系统来说，理想的成像情况为每个子成像通道互不影响，即光线通过单一子成像通道，然后在第二子透镜后方的对应区域成像。但是在实际系统中，经常出现通道间的相互串扰。如图3(a)所示，当微透镜阵列中多个子透镜密接时，虚线所围的光束为理想的成像光路；通过相同光阑产生的杂光(图中用交叉线表示)，称为i型杂光；通过相邻光阑产生的杂光(图中用斜线表示)，称为ii型杂光；通过相间光阑产生的杂光(图中用阴影表示)，称为iii型杂光。
48.图3(b)至图3(d)图示了离散排布的微透镜及不同光阑对杂光的抑制作用。
49.图3(b)所示为只添加第二层光阑，即孔径光阑3的效果，其中，当子透镜非密接排布时，通过改变相邻子透镜之间的距离(即相邻子透镜最接近轮廓之间的距离，gap值)，可以逐步消除iii型杂光，当距离大于某一值时，iii型杂光的消除效果不再得到改善。同时，缩小孔径光阑的直径也可以抑制杂光，但是同时光能利用率会降低。
50.例如，在本发明给出的实施例中，在物距最近时想捕获全部物体信息最难，所以对景深范围内的物距最近值，即5mm处计算可接受的最大透镜间隙，为1.4mm。计算孔径光阑半径，其最大值可以取值0.12mm，最小值为0.06mm。经过试验，当孔径光阑半径取最小值0.06mm时，当相邻子透镜之间的间隙(即gap值)从0增加到0.3mm时，iii型杂光已接近于完全消除。因此，子透镜间隙值可以控制在0.3mm～1.4mm范围内。
51.进一步地，如图3(c)所示，通过在第一微透镜阵列2的前表面增加第一层光阑1，i型杂光可以得到消除。如图3(d)所示，通过在第二微透镜阵列4的后表面增加第三层光阑5，ii型杂光可以得到消除。至此，可以基本实现所有杂光的消除。
52.上述微型超近距离大景深复眼成像系统，没有采用在微透镜阵列和感光元件之间加入消杂光栅格的方法，而是通过分别在微透镜阵列的前后表面和两个微透镜阵列之间加入光阑结构来消除杂光，减小了整个光学系统的厚度，并且缩短了后截距。针对共轭距10mm的物像系统，整个光学系统的厚度可以控制在3mm以内，系统后截距不大于1mm，从而可以实现10mm之内的微距成像，并且，景深可以不少于10mm。
53.该微型超近距离大景深复眼成像系统中各光学元件及整个光学系统的参数可以参见如下介绍。
54.表1微型超近距离大景深复眼成像系统的整体参数表
[0055][0056]
其中，单个子系统如图4所示，包括：第一子透镜20和第二子透镜40，还可以包括保护玻璃70。各个光学表面的设计参数如表2所示，其中，感光元件的表面17为感光元件的表面。第一子透镜的前表面11和第一子透镜的后表面12为非球面，其余各光学表面均可采用平面。
[0057]
表2微型超近距离大景深复眼成像系统中各光学表面参数表
[0058]
序号表面类型曲率半径厚度折射率阿贝数属性11二次曲面1.4551.41.58530折射12球面无限0.1
ꢀꢀ
折射13球面无限11.58530折射14二次曲面-0.6440
ꢀꢀ
折射15球面无限0.51.516864.2折射16球面无限0.4
ꢀꢀ
折射17球面无限0
ꢀꢀ
折射
[0059]
其中，构成为球面的表面满足方程：其中，c为曲率半径的倒数，r为表面上一点的径向距离。
[0060]
构成为非球面的表面满足方程：k为二次曲面常数，ai为高阶项系数，非球面的第一子透镜的前表面11和第二子透镜的后表面14的高阶项系数参见表3。
[0061]
表3非球面11和14所对应的高阶项系数表
[0062]
表面标记序号1114圆锥曲面常数0.545-1.066
[0063]
上述微型超近距离大景深复眼成像系统在不同物距平面测试得到的mtf曲线参见图5(a)、5b和5c。可以看出：该系统在理想物距下(如图5(a)所示的6.55mm物距)有良好的成像效果，在180线对处mtf值大于0.2，并且，该系统像散小于0.05mm，畸变小于2％，点列图光斑小于0.01mm。如果要求要看到的特征细节为0.1mm，该系统放大倍率为0.192，那么反映到像面上，分辨的像大小为0.0192mm，分辨率应至少达到26线对/mm，才能看清该细节。如图5(b)和图5(c)所示分别为物距为5mm和9mm时的mtf曲线，其在26线对/mm处的mtf值均大于0.2，由此可见，子成像通道的景深较大，大于10mm。
[0064]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。