图像采集系统、矩阵图像采集系统和矩阵图像投影系统的制作方法

本发明涉及光学成像
技术领域：
，特别是涉及一种图像采集系统、矩阵图像采集系统和矩阵图像投影系统。
背景技术：
：图像采集系统是机器视觉中必不可少的部件，其决定了光学镜头成像质量的优劣，且随着光学成像技术的不断发展，图像采集系统的设计也得到了逐步改善。传统的图像采集系统运用于摄像镜头中时，能够为摄像镜头提供高像素点的成像效果，且通常采用拜耳阵列传感器的工作原理，如：rgbg阵列、rgbe阵列或rgbw阵列等滤色方案，将传感器上收集到的四个像素单体，合成为一个彩色像元，以完成摄像镜头对图像的彩色成像。但是，由于拜耳阵列传感器固有的工作原理，使图像采集系统在运用于摄像镜头时，其收集到的图像分辨率大大降低，例如，100万单色像素的图像经过rgbg、rgbe或rgbw滤色后，仅能得到25万彩色像素的图像。并且，采用传统的图像采集系统，不仅要在收集彩色图像之后消除色差，还要提高收集图像的像素，从而使用较多的光学透镜，以致系统体积较大、制作成本较高。因此，传统的图像采集系统存在着图像采集成本高的问题。技术实现要素：基于此，有必要针对传统图像采集系统存在图像采集成本高的问题，提供一种图像采集系统、矩阵图像采集系统和矩阵图像投影系统。一种图像采集系统，包括：用于形成像方图像的物方区域；用于对所述物方区域聚像的聚光透镜；所述聚光透镜位于所述物方区域的光路上；用于滤光的滤色片；所述滤色片用于对经过所述聚光透镜的出射光进行单一波长滤光；所述滤色片位于所述聚光透镜的下方；用于接收成像面位置上所述像方图像的图像传感器；所述图像传感器位于所述成像面位置的下方。本发明提供的图像采集系统，利用滤色片与图像传感器接收单色图像，提供了图像采集系统矩阵排列时，可获得多个单色图像叠加形成彩色图像的方案，从而得到无色差的图像，节省了用于消色差而放置的透镜，简化系统设计、缩小系统尺寸，且图像分辨率不会降低，大大降低了图像采集系统的成本。在其中一个实施例中，所述图像传感器为cmos图像传感器。在其中一个实施例中，所述聚光透镜为聚光薄透镜。在其中一个实施例中，提供了一种矩阵图像采集系统，包括如上第一至第三任一项实施例所述的图像采集系统；所述聚光透镜包括至少一组聚光透镜，则相应的所述滤色片包括至少一组滤色片；所述图像传感器包括至少一组图像传感器。在其中一个实施例中，提供了一种矩阵图像采集系统，所述聚光透镜包括2组聚光透镜，则相应的所述滤色片包括2组滤色片；所述图像传感器包括2组图像传感器。在其中一个实施例中，提供了一种矩阵图像采集系统，所述聚光透镜与所述成像面位置之间的距离为所述图像采集系统的像方焦距li；所述聚光透镜与所述物方区域之间的距离为所述图像采集系统的物方焦距lp；当li＝4.54mm时，lp≥300mm。在其中一个实施例中，提供了一种矩阵图像采集系统，所述滤色片与所述聚光透镜和/或所述图像传感器集成为一体。在其中一个实施例中，提供了一种矩阵图像采集系统，所述成像面位置上的像方图像存在偏心值；所述偏心值为δn；所述聚光透镜的间距为d；δn＝k×n×d×(li÷lp)；n≥0；所述k值用于标识所述聚光透镜的厚度对所述偏心值的影响；所述k根据所述矩阵图像采集系统的光学参数确定。在其中一个实施例中，提供了一种矩阵图像采集系统，所述矩阵图像采集系统还包括支撑装置；所述支撑装置用于支撑所述聚光透镜和/或所述图像传感器，以使所述聚光透镜和/或所述图像传感器的偏移量满足所述偏心值。在其中一个实施例中，提供了一种矩阵图像投影系统，包括光源、反射镜、显示屏以及如上第四至第九任一项实施例所述的矩阵图像采集系统；所述显示屏放置于所述图像传感器的位置；所述反射镜用于将所述光源的光反射到所述显示屏处。附图说明图1为一个实施例中图像采集系统的光路结构图；图2为一个实施例中图像采集系统的光路示意图；图3为另一个实施例中图像采集系统的光路示意图；图4为一个实施例中矩阵图像采集系统的光路结构图；图5为一个实施例中矩阵图像采集系统的光路示意图；图6为一个实施例中矩阵聚光透镜的平面布置图；图7为一个实施例中矩阵图像投影系统的光路示意图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。需要说明的是，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的
技术领域：
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。参考图1，图1是一个实施例中图像采集系统的结构示意图，在一个实施例中，提供一种图像采集系统100，包括：用于形成像方图像的物方区域110；用于对所述物方区域110聚像的聚光透镜120；所述聚光透镜120位于所述物方区域110的光路上；用于滤光的滤色片130；所述滤色片130用于对经过所述聚光透镜120的出射光进行单一波长滤光；所述滤色片130位于所述聚光透镜120的下方；用于接收成像面位置140上所述像方图像的图像传感器150；所述图像传感器150位于所述成像面位置140的下方。本发明提供的图像采集系统，利用聚光透镜将物方区域处的光束进行汇聚，并在成像面位置前放置滤色片，该滤色片采用单一波长的滤色片，仅允许通过一种波长的光，得到成像于成像面位置上的像方图像，而该像方图像可由图像传感器收集。通过上述方案，利用滤色片与图像传感器接收单色图像，能够得到无色差的图像，节省了用于消色差而设置的透镜，简化系统设计、缩小系统尺寸，且图像分辨率不会降低，大大降低了图像采集系统的成本。在一个实施例中，参考图1，所述图像传感器为cmos图像传感器。其中，cmos(complementarymetaloxidesemiconductor)是一种感光元件，cmos图像传感器是一种典型的固体成像传感器，通常由行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、数模转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成，这几部分通常都被集成在同一块硅片上。cmos图像传感器的工作原理为：外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。逻辑单元根据需要选择相应的像素单元，像素单元内的图像信号因此通过各自所在的信号总线，传输到对应模拟信号处理单元以及数模转换器，从而转换成数字图像信号输出。本发明实施例中采用cmos图像传感器，主要因其具有低功耗、工艺制作简单、成本低等特点，能够为图像采集系统的整体性能发挥出最大优势。参考图2，图2是一个实施例中图像采集系统的光路示意图，在一个实施例中，提供一种图像采集系统100，可结合图1进行说明。其中，物方区域110在图2中表示为mn，m点作为聚光透镜120的一个离轴点，n点作为聚光透镜120的一个在轴点。mn的物高为hp，mn物体通过聚光透镜120之后在成像面位置140上成的像为mn，mn的像高为hi，从m点出射的光线经过聚光透镜120的折射后聚焦在m点，如图2中的虚线光路；从n点出射的光线经过聚光透镜120的折射后聚焦在n点，如图2中的实线光路。因此，由mn出射的光经过聚光透镜120的折射后，其像mn不与聚光透镜120同轴，具体地，本发明实施例中的图像传感器不与聚光透镜同轴。参考图3，图3是另一个实施例中图像采集系统的光路示意图，在一个实施例中，提供一种图像采集系统100，可结合图1与图2进行说明。其中，图3中所示的光路示意图不仅具有图2中的参数，还另外具有一个聚光透镜120的离轴点s，如图所示，s点作为聚光透镜120的一个离轴点，ms的物高为hs，ms物体通过聚光透镜120之后在成像面位置140上成的像为ms，ms的像高为hs，从s点出射的光线经过聚光透镜121的折射后聚焦在s点。因此，由ms出射的光经过聚光透镜120的折射后，其像ms不与聚光透镜120同轴，并且像ms偏离聚光透镜120的轴心，偏离轴心的距离为sn。更具体地，本发明实施例中的图像传感器不与聚光透镜同轴。在一个实施例中，所述聚光透镜为聚光薄透镜。优选地，本发明提出的聚光透镜120可以是一个聚光薄透镜，用以消除透镜厚度对图像采集系统100造成的像差。聚光薄透镜的厚度等光学参数，以实际生产中满足图像采集系统中100物方焦距、像方焦距，以及透镜间距等参数的设定为准。在另一个实施例中，聚光透镜120还可以是多个透镜组成的聚光透镜，用以优化图像采集系统的成像效果。在一个实施例中，提供一种矩阵图像采集系统，所述聚光透镜包括至少一组聚光透镜，则相应的所述滤色片包括至少一组滤色片；所述图像传感器包括至少一组图像传感器。具体地，矩阵图像采集系统是图像采集系统的排列式组合。在实际应用中，为了得到一个彩色的全色域图像，需要将多组图像采集系统进行组装，即一个矩阵图像采集系统中包括有多组聚光透镜、多组相应的滤色片以及多组图像传感器。其中，本发明提出在图像采集系统中设置滤色片，以使经过滤色片的出射光为同一波长的单色光，从而得到单色图像，此时的矩阵图像采集系统无需消除色差，即可得到多个单色图像叠加重合的彩色图像。而在实际应用中，要想获取到多色域的图像，则需叠加多个图像采集系统，使单色图像在经过图像传感器整合之后，生成一个全色域的图像，图像色彩的细分取决于图像传感器与滤色片的种类数量，将不再局限于传统的rgbg、rgbe或rgbw滤色片的滤色。上述方案，由于图像传感器在本实施例中仅用于单色滤光环境，因此，矩阵图像采集系统的彩色图像分辨率，是单色图像分辨率的总和，而不再是传统图像采集系统中分辨率总和的四分之一，大大提高了图像的分辨率，更无须在彩色图像采集后消除图像色差。参考图4，图4是一个实施例中矩阵图像采集系统的光路结构图；在一个实施例中，提供一种图像采集系统200，所述聚光透镜包括2组聚光透镜，则相应的所述滤色片包括2组滤色片；所述图像传感器包括2组图像传感器。其中，为了更进一步解释矩阵图像采集系统的结构，提出一种仅包括2组聚光透镜、2组滤色片以及2组图像传感器的矩阵图像采集系统200。如图4可见，矩阵图像采集系统200中包括有2组图像采集系统，其第一组图像采集系统包括：物方区域210、聚光透镜220、滤色片230、成像面位置240以及图像传感器250；第二组图像采集系统包括：物方区域210、聚光透镜221、滤色片231、成像面位置241以及图像传感器251。具体地，为了研究两组图像采集系统的成像区别，设置两组图像采集系统共用一个物方区域210，而第一组图像采集系统的中心不与物方区域210中心同轴，故其产生的像方图像相对聚光透镜220来说，与物方区域210形成聚光透镜220轴对称，可进一步表述为第一组图像采集系统中的聚光透镜220与图像传感器250非同轴设置；而第二组图像采集系统的中心与物方区域210中心同轴，故其产生的像方图像相对聚光透镜221来说，与物方区域210同轴，可进一步表述为第二组图像采集系统中的聚光透镜220与图像传感器250同轴设置。因此，在实际应用中，图像传感器放置于矩阵图像采集系统中时，各个图像传感器接收到的像方图像可能位于不同的像元位置，而要使多个图像传感器接收到的像方图像能够无差别叠加，则必须要使各个图像传感器接收到的图像所在像元位置一致，即必须在实际应用中调整各图像传感器的接收方向，使各个物方区域210的像方图像能够完整重叠。本发明提供的矩阵图像采集系统，利用多组图像采集系统接收多组单色图像，进一步整合单色图像得到彩色图像，无需消除图像色差便可得到彩色图像，更简化了系统设计，减少了用于消除色差的透镜数量，从而缩小了系统的尺寸，降低了系统的制作成本。参考图5，图5是一个实施例中矩阵图像采集系统的光路示意图，在一个实施例中，提供一种矩阵图像采集系统200，可结合图4所述的矩阵图像采集系统进行说明：所述聚光透镜与所述成像面位置之间的距离为所述图像采集系统的像方焦距li；所述聚光透镜与所述物方区域之间的距离为所述图像采集系统的物方焦距lp；当li＝4.54mm时，lp≥300mm。具体地，在实际应用中，为使各个图像传感器接收到的像方图像尺寸等大，则需考虑将系统中的物方焦距与像方焦距之差尽可能增大，如此方可缩小各像方图像的像差尺寸。在一个具体的实施例中，若将像方焦距li＝4.54mm时，lp≥300mm，此时的物方焦距是像方焦距的近67倍，可最大程度满足像差条件以及系统尺寸的控制。参考图6，图6是一个实施例中矩阵聚光透镜的平面布置图，在一个实施例中，提供一种矩阵图像采集系统，当所述聚光透镜有7组时，所述聚光透镜矩阵可呈正六边形排列。其中，在一个矩阵图像采集系统中，若图像采集系统有7组，包含有7组聚光透镜，则聚光透镜的矩阵排列方式如图6所述，每个聚光透镜之间的中心间距为d，则滤色片及图像传感器的排列方式也如图6所示的等间距排列，与聚光透镜一一对应。而在另一个实施例中，若图像采集系统有37组，即聚光透镜的数目为37时，可将37个聚光透镜按正六边形排列。但是，在实际应用中，当聚光透镜的数量大于1时，聚光透镜的排列方式还可以是其他方式，例如，正方形、长方形等。由此可见，本领域技术人员可以通过多种方式排列聚光透镜，本申请实施例对聚光透镜排列的具体方式不作限制。在一个实施例中，提供一种矩阵图像采集系统，所述滤色片与所述聚光透镜和/或所述图像传感器集成为一体。具体地，可将滤色片固定在图像传感器的图像接收面位，也可将滤色片固定在聚光透镜的出光面位置，确保图像传感器能够接收到经过滤色片滤色处理的单色图像。在一个实施例中，可结合图4和图5进行说明：所述成像面位置上的像方图像存在偏心值；所述偏心值为δn；所述聚光透镜的间距为d；δn＝k×n×d×(li÷lp)；n≥0；所述k值用于标识所述聚光透镜的厚度对所述偏心值的影响；所述k根据所述矩阵图像采集系统的光学参数确定。具体地，参考图5所示的光路图，在一个矩阵图像采集系统中，存在有两组图像采集系统，其中一组图像采集系统与物方区域210中心同轴，而另一组图像采集系统与物方区域210中心非同轴。此时，我们将同轴组的图像采集系统设定为矩阵图像采集系统中的中心组，而将非同轴组的图像采集系统设定为中心组的相邻组。由此可见，物体ms在相邻组系统的像方图像为ms，像ms的像高为hs，而物体ms在中心组系统的像方图像为m1s1，像m1s1的像高为hs1。聚光透镜221与聚光透镜220之间存在距离sn，导致s物点经过聚光透镜220的像点不在聚光透镜220的光轴上，而是存在有一个距离sn，sn＝hi-hs。因此，本发明提出针对矩阵图像采集系统中存在有偏心值δn，该偏心值δn即为各图像采集系统中，像方图像与聚光透镜轴心之间的距离，而当矩阵图像采集系统中的聚光透镜间距为d时，系统的偏心值δn＝n×d×(li÷lp)；n≥0。其中，n表示相邻组系统相对中心组系统的相邻个数，如：图5中相邻组的聚光透镜220距离中心组的聚光透镜221有一个sn，即仅存在一个透镜间距d，则n为1；li表示矩阵图像采集系统的像方焦距；lp表示矩阵图像采集系统的物方焦距。为了验证本发明所提出的矩阵图像采集系统具有良好的成像效果，在一个实施例中，采用最小像元为1.75μm的cmos图像传感器，聚光透镜间距d＝10mm，矩阵图像采集系统的物方焦距lp＝300mm，像方焦距li＝4.54mm，则物方焦距约为像方焦距的67倍，而此时具有2组图像采集系统的矩阵图像采集系统，像ms的像高与像m1s1时具的像高存在一定的像差，可用公式表示为：hs-hs1<δn÷67，其中δn＝n×d×(li÷lp)＝1×10×(4.54÷300)≈0.15mm，则hs-hs1<0.15÷67，进一步得到hs-hs1<2.26μm，则该系统中的像差小于2.26μm，接近于cmos图像传感器的最小像元，像差2.26μm与最小像元1.75μm之差小于一个最小像元的数值，属于合理像差范围，因此，本发明提出的矩阵图像采集系统具有较好的成像效果。在一个实际应用中，若忽略聚光透镜的厚度，则偏心值的计算公式为δn＝n×d×(li÷lp)；n≥0。但在实际应用中，聚光透镜存在一定厚度，而聚光透镜的厚度对偏心值存在影响，则本发明将聚光透镜厚度对偏心值的影响设定为一个影响值k。则偏心值的计算公式为：δn＝k×n×d×(li÷lp)；n≥0。具体地，参考图5，不同参数设置的矩阵图像采集系统具有不同的k值，为了便于计算，在仿真软件中将该系统的视场设置为物高sn，即将物高的具体数值设置为聚光透镜间距d的整数倍，则表示该矩阵图像采集系统中，每一组图像采集系统以聚光透镜的轴心间距为准，设置为多个聚光透镜的轴心等距，此时除中心组图像采集系统外，相邻组图像采集系统的像高sn可顺序表示为sn1、sn2、sn3等，则在矩阵图像采集系统中，所有偏心值的计算公式为：sn1＝δ1＝k×1×d×(li÷lp)、sn2＝δ2＝k×2×d×(li÷lp)、sn3＝δ3＝k×3×d×(li÷lp)等。此时，在仿真软件中设置不同的物高可相应计算出k至，如下表所示：物高0d2d3d4d5d实际像高00.1550.3110.4660.6220.778聚光透镜像高00.1510.3030.4540.6050.757k值11.0251.0261.0271.0281.028如上表所示，随着矩阵图像采集系统的聚光透镜数量增多，k至逐渐增大。将矩阵图像采集系统以正六边形排列为例，此时的聚光透镜矩阵排列形式参考图6，当系统中的物高为3d时，聚光透镜按正六边形方式排列后，透镜数量有37个，则此时的k值可计算得出：k＝(1.025+1.026+1.027)÷3≈1.026，则此时较中心组聚光透镜间距小于等于3d的偏心值，可由下述计算公式表示：δn＝1.026×n×d×(li÷lp)。需要说明的是，此时聚光透镜数量小于等于37的系统偏心值为δn＝1.026×n×d×(li÷lp)，则当n＝0时，δn＝0；当n≤37时，δn＝1.026×n×d×(li÷lp)，而相对调整矩阵图像采集系统的光学结构参数或透镜材料，则k值不一定由上述公式计算得出，以实际系统设计为准。在一个实施例中，提供一种矩阵图像采集系统，可参考图5进行说明：支撑装置；所述支撑装置用于支撑所述聚光透镜和/或所述图像传感器，以使所述聚光透镜和/或所述图像传感器的偏移量满足所述偏心值。具体地，可参考图5，若以聚光透镜221所在的图像采集系统作为中心系统，则该中心系统的偏心值为0，无需移动该中心系统的像方图像m1s1，此时中心系统中像方图像m1s1的第一位置与第二位置重合，然而，相邻系统的偏心值δn＝sn，需移动像方图像ms的位置，移动距离为偏心值sn，则移动后的像方图像ms的s点位于聚光透镜220的中心轴线。此时，支撑装置可用于支撑、固定已调节好的聚光透镜和/或图像传感器，使聚光透镜和/或图像传感器之间的相对位置能够确保为上述实施例计算得到的偏心值。参考图7，图7是一个实施例中矩阵图像投影系统的光路示意图，在一个实施例中，提供一种矩阵图像投影系统300，结合图4，以其中一组图像投影系统进行说明，包括：光源310、反射镜320、显示屏330以及如上实施例所述的矩阵图像采集系统200；所述显示屏330放置于所述图像传感器250的位置；所述反射镜320用于将所述光源310的光反射到所述显示屏330处。其中，本发明提出的矩阵图像采集系统200中，将图像传感器250替换为显示屏330，显示屏330可包括如：lcd(liquidcrystaldisplay)、lcos(liquidcrystalonsilicon)或dmd(digitalmicromirrordevice)等器件，同时放置光源330与反射镜320，将组成一组图像投影系统，多组图像投影系统矩阵排列后，可获得如图7所示的矩阵图像投影系统。具体地，在矩阵图像投影系统中，光源310和光源311发出的光经过反射镜320及反射镜321的反射处理后，反射光由显示屏330及显示屏331接收处理，并进一步经过滤色片341以及滤色片340的滤色处理，得到单一波长的出射光，单色光继续经过聚光透镜351及350的聚焦处理，最终成像于成像面位置360，像方图像的高显示为ab两点距离。需要说明的是，本申请实施例中设计聚光透镜矩阵与显示屏矩阵，而要使多组图像投影系统最终在成像面位置360处的图像完全重合，则需适当调整聚光透镜矩阵与显示屏矩阵之间的关系。如图7所示，聚光透镜矩阵与显示屏矩阵中的单体时非同轴放置的，即聚光透镜矩阵之间的透镜单体间距与显示屏间距不一致，以使出射光经聚光透镜聚焦后能够在成像面位置360处无像差重合。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述间接，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了对本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页12