混合式光场成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种成像技术，特别涉及一种混合式光场成像系统，可同时实现普通 二维成像和四维光场成像的系统。
【背景技术】
[0002] 传统数码相机结构如图1所示，其中，10是物平面，11为系统镜头，光线经过光学 系统后到达像感器12,经过光电转换得到最终的图片。传统相机的成像过程，是对于三维空 间景物采取了二维投影的方式，只是将光线的强度在探测器像元上进行累加，也就是说只 考虑了物体在像平面上的空间分布，而丢失了光线在传播方向上的信息，限制了图像的重 塑性。
[0003] 光场成像不仅采集了物体的空间信息，同时还收集了物体的方向信息，由于能同 时记录光场传播的二维空间信息和二维方向信息，因而被称为四维信息。光场相机可分为 两种类型，一类是普通光场相机，一类是聚焦型光场相机。其中，聚焦型光场相机能够获得 较高的空间分辨率。
[0004] 普通光场相机的结构如图2所示。在图2中，20是物平面，微透镜阵列22位于主 镜头21的焦面上，传感器23位于微透镜阵列22的焦面上。微透镜阵列22将主镜头21的 像平面的光线按照不同的方向角分散在传感器23上，得到一个聚焦的主镜头光阑的图像， 微透镜阵列22后方的图像描述了系统中图像传感器23在该位置处的方向分辨率，最终图 像的空间分辨率取决于微透镜阵列22中的透镜数量。
[0005] 聚焦型光场相机的结构如图3所示，可分为两种情况，分别对应图3 (a)和图3 (b)。在图3 (a)中，310为物平面，微透镜阵列313对主镜头311的像平面312成像，微透 镜阵列313的像平面位于其后方成实像，由传感器314接收。在图3 (b)中，同样320为物 平面，微透镜阵列323对主镜头321的像平面322成像，微透镜阵列323的像平面位于其后 方成虚像，由传感器324接收。
[0006] 光场成像保留了对图像重塑的可能性，能够得到更加灵活化、多元化的图像信息， 具有非常广泛的应用前景。如可以通过对光场图片的数字重聚焦技术，计算出对焦在不同 深度的二维图像，实现"先拍照后对焦"的功能；提高聚焦能力，摆脱失焦、跑焦困扰；增加 对图片处理的灵活性；通过光场数据合成视角图像实现3D显示；通过对光场数据的反演， 数字化校正光学系统像差，降低光学系统设计和加工难度等。
[0007] 但是光场成像会产生很大的数据量，并且还要对所得图像进行一系列处理，才能 够得到人们平时所习惯看到的图像。现有的光场相机，在完成拍照之后，必须要将图片导入 特定的软件，在其中对光场信息进行处理之后，才能得到方便人们观看的图像。虽然在相机 上，往往也提供一个预览图片，但该预览图片通常是通过对光场图像的直接降采样获得，相 对与普通数码相机的照片，这样的预览照片像素数过低，效果较差。因此，现有的光场相机 对于广大用户来说不符合大众的使用习惯，这给其广泛使用带来了很大局限，使其不能够 替代或进入传统的数码相机市场。
[0008] 有技术提出在相机中加入分光结构，如图4所示，通过分光器件42(如半透半反平 面镜或半透半反棱镜等)，将从主镜头41出射的光束分成两路，一路直接由像感器43接收， 获得类似普通数码相机的二维图像，另一路在像感器45前加入微透镜阵列（或小孔阵列） 44,获得四维光场图像。这种结构虽然能够同时得到一幅普通二维图像和一幅光场图像，但 系统不可避免的存在体积大，结构复杂的缺点，同时，由于采用了分光器件，系统每一路的 能量相对于进入主镜头的总能量来说都至少减半，为了保证像面上能获得足够的照度，就 要求主镜头设计有更大的相对孔径，这也会增加系统的复杂度，提高制造成本。
【发明内容】
[0009] 本发明是针对目前光场相机不能够直接得到用户能够观看的图像的问题，提出了 一种混合式光场成像系统，采用可变焦微透镜阵列，通过控制透镜阵列变焦，在不对相机结 构做任何调整的情况下，用户可自由选择拍摄光场图像或普通图像，或两者共同获得，从而 达到方便使用的目的。
[0010] 本发明的技术方案为：一种混合式光场成像系统，物平面经主镜头聚焦后，通过可 变焦微透镜阵列成像在像感器上，物平面、主镜头、可变焦微透镜阵列、像感器在同一水平 轴依次放置，可变焦微透镜阵列由多个相同的微透镜或微透镜组按正方形或六边形排成阵 列构成，可变焦微透镜阵列的厚度为4折射率为《，可变焦微透镜阵列的光焦度可在0到必 之间变化，即可变焦微透镜阵列的焦距可在无穷大到之间变化，主镜头的焦距为//，主 镜头相对于像感器的距离为厂，可变焦微透镜阵列相对于像感器的距离私 当可变焦微透镜阵列的光焦度为0时，系统获得普通二维图像，物方对准平面与主镜 头主面之间的距离7,满足：
【主权项】
1. 一种混合式光场成像系统，其特征在于，物平面经主镜头聚焦后，通过可变焦微透镜 阵列成像在像感器上，物平面、主镜头、可变焦微透镜阵列、像感器在同一水平轴依次放置， 可变焦微透镜阵列由多个相同的微透镜或微透镜组按正方形或六边形排成阵列构成，可变 焦微透镜阵列的厚度为4折射率为/7,可变焦微透镜阵列的光焦度可在O到0之间变化， 即可变焦微透镜阵列的焦距可在无穷大到广之间变化，主镜头的焦距为//，主镜头相对 于像感器的距离为厂，可变焦微透镜阵列相对于像感器的距离私 当可变焦微透镜阵列的光焦度为O时，系统获得普通二维图像，物方对准平面与主镜 头主面之间的距离7,满足：
当可变焦微透镜阵列的光焦度由〇变为0时，可变焦微透镜阵列的焦距1/必，系 统获得四维光场图像，假设可变焦微透镜阵列的焦距广X)时，四维光场图像模式下对焦物 平面与主镜头主面间的距离心假设可变焦微透镜阵列的焦距广<0时，有Λ; 并且，Λ与7,之间满足由高斯光学所确定的关系：
式中，7,是二维图像模式下对焦物平面与主镜头主面间的距离，7/是二维图像模式下 物方对准平面经主镜头成像后的像距，//是主镜头的焦距，7/是四维光场图像模式下对 焦物平面经主镜头成像后的像距，a是四维光场图像模式下对焦物平面经主镜头成像后，像 面与可变焦微透镜阵列之间的距离，6是可变焦微透镜阵列与像感器之间的距离。
【专利摘要】本发明涉及一种混合式光场成像系统，物平面经主镜头聚焦后，通过可变焦微透镜阵列成像在像感器上，物平面、主镜头、可变焦微透镜阵列、像感器在同一水平轴依次放置，可变焦微透镜镜阵列与主镜头、像感器的距离始终不变，当可变焦微透镜阵列的光焦度为0时 ， 系统获得普通二维图像，当可变焦微透镜阵列的光焦度由0变为 φ 时 ， 即可变焦微透镜阵列的焦距 f’= 1/ φ 时 ， 系统获取四维光场图像。改变可变焦微透镜阵列的光焦度，可在二维和四维光场图像上任意切换。与普通光场相机相比，在不增加系统结构复杂度的情况下，可以同时实现光场成像与普通二维成像两种模式，方便用户选择与使用。
【IPC分类】H04N5-232, H04N5-225, H04N13-02
【公开号】CN104539832
【申请号】CN201410846918
【发明人】张薇, 郭鑫, 速晋辉
【申请人】上海理工大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月31日