[發(fā)明專利]光場成像裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210164989.0
• 申請日: 2012-05-24
• 公開（公告）號: CN102739945A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張薇;莊松林;楊波
• 申請（專利權(quán)）人: 上海理工大學(xué)
• 主分類號: H04N5/225
• 分類號: H04N5/225;H04N5/232;H04N13/02;G02B27/00;G02B7/04
• 代理公司: 上海德昭知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31204
• 代理人: 郁旦蓉

技術(shù)領(lǐng)域

一種具有高分辨率的光場成像裝置及方法，特別涉及一種同時具有高空間分辨率和高方向分辨率的光場成像裝置及方法。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)相機的成像過程，是對于三維空間景物采取了二維投影的方式，只是將光線的強度在探測器像元上進行累加，也就是說只考慮了物體的在像平面上的空間分布，而丟棄掉了光線的傳播方向信息，并限制了圖像的重塑性。光場成像保留了對圖像重塑的可能性，能夠得到更加靈活化、多元化的圖像信息，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。如可以通過對光場圖片的數(shù)字重聚焦技術(shù)，計算出對焦在不同深度的二維圖像，實現(xiàn)“先拍照后對焦”的功能；提高聚焦能力，擺脫失焦、跑焦困擾；增加對圖片處理的靈活性；通過光場數(shù)據(jù)合成視角圖像實現(xiàn)3D顯示；通過對光場數(shù)據(jù)的反演，數(shù)字化校正光學(xué)系統(tǒng)像差，降低光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計和加工難度等。可以說，光場成像技術(shù)能夠延伸到目前所有應(yīng)用到光學(xué)成像的領(lǐng)域，擴展現(xiàn)有光學(xué)成像技術(shù)能夠獲得的信息量。

圖1為傳統(tǒng)光場相機結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，其中，10是物平面，微透鏡陣列12位于主鏡頭11的焦面上，傳感器13位于微透鏡陣列12的焦面上。透鏡陣列12將主鏡頭11的像平面的光線按照不同的方向角分散在傳感器13上，得到一個聚焦的主鏡頭光闌的圖像，微透鏡陣列后方的圖像描述了系統(tǒng)中圖像傳感器在該位置處的方向分辨率，最終圖像的空間分辨率取決于微透鏡陣列中的透鏡數(shù)量。

這種光場相機的最大缺陷在于，最終圖像的空間分辨率取決于微透鏡陣列中的透鏡數(shù)量，而方向分辨率則取決于每個微透鏡單元后所包含的像素的數(shù)量（宏像素）。這樣，要獲得一幅能夠與普通照片分辨率相當(dāng)?shù)墓鈭稣掌托枰獑卧獢?shù)量足夠多的微透鏡陣列和更大像素數(shù)的探測器件。這一點給加工制造帶來很大難度，造成成本的迅速上升，成為制約光場成像發(fā)展的一大難點。

圖2為聚焦型光場相機的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，可分為兩種情況，分別對應(yīng)圖2（a）和圖2（b）。在圖2（a）中，微透鏡陣列212對主鏡頭211的像平面214成像而不是對主鏡頭的主面成像，，微透鏡陣列212的像平面位于其前方成實像，由傳感器213接收。在圖2（b）中，同樣微透鏡陣列222對主鏡頭221的像平面224成像而不是對主鏡頭的主面成像，微透鏡陣列222的像平面位于其后方成虛像，由傳感器223接收。

這種技術(shù)通過將微透鏡陣列與主鏡相對位置的改變，犧牲了一部分角度分辨率，來獲得較高的空間分辨率，使最終獲得的光場照片的空間分辨率較之普通光場相機提高。但這一技術(shù)的缺陷在于，犧牲的角分辨率對應(yīng)于不同的景深，即每一個景深值都對應(yīng)不同的空間分辨率，如采用一個空間分辨率進行重構(gòu)，則會造成某些位置欠采樣，而某些位置過采樣，從而造成圖像的不清晰或像素的浪費。

綜上所述，目前的光場成像技術(shù)，多出的二維信息是以犧牲一定的空間分辨率為代價，二者之間存在一個折衷，現(xiàn)有的光場相機普遍存在圖像空間分辨率不能滿足需求的問題，這是當(dāng)前制約光場成像技術(shù)的一個主要瓶頸。如何同時獲得高空間分辨和高方向分辨率，或取得二者的最優(yōu)化分布，是必須解決的一個重點問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對目前光場成像技術(shù)不能同時獲得高空間分辨率和高方向分辨率的瓶頸問題，提出以一種同時具有高空間分辨率又具有高方向分辨率的光場成像裝置及方法。

本發(fā)明提供的光場成像裝置包括：

位置能夠平移的主鏡頭、焦距是可控變化的可變焦微透鏡陣列、接收并感應(yīng)圖像的傳感器、首先通過相對應(yīng)的平移所述主鏡頭使得所述主鏡頭的像平面與所述可變焦微透鏡陣列位置相重合，此時，所述可變焦微透鏡陣列的焦距為初始焦距，所述傳感器與所述可變焦微透鏡陣列間距離與所述可變焦微透鏡陣列的初始焦距相等，所述傳感器獲取的圖像作為第一圖像；平移所述主鏡頭位置使得主鏡頭像平面偏離所述可變焦微透鏡陣列位置，并相應(yīng)調(diào)節(jié)所述可變焦微透鏡陣列的焦距至第二焦距，使得所述主鏡頭的像平面通過可變焦微透鏡陣列共軛成像在傳感器上，此時，所述傳感器獲取的圖像作為第二圖像，此過程中所述主鏡頭的平移位置與所述可變焦微透鏡陣列的焦距變化遵從高斯光學(xué)定律；從而獲取到所述第一圖像與所述第二圖像的獲取部、提取第一圖像的高方向分辨率信息以及第二圖像的高空間分辨率信息的提取部、對提取的高方向分辨率信息和高空間分辨率信息進行加權(quán)重組，進行圖像配準(zhǔn)與重構(gòu)，得到高方向分辨率和高空間分辨率兩者之間的最優(yōu)化分布圖像，從而獲得最佳成像的圖像處理部。

進一步，本發(fā)明提供的光場成像裝置還可以包括：存儲第一圖像與第二圖像的圖像存儲部，提取部從該圖像存儲部中提取第一圖像的高方向分辨率信息以及第二圖像的高空間分辨率信息。