[實用新型]紅外變焦光場相機

有效

• 申請號: 201220724287.9
• 申請日: 2012-12-26
• 公開（公告）號: CN203101791U
• 公開（公告）日: 2013-07-31
• 發明（設計）人: 孫小玲;周斌;許光;宋苗苗
• 申請（專利權）人: 山東省科學院海洋儀器儀表研究所
• 主分類號: G03B17/12
• 分類號: G03B17/12;G02B15/163;H04N5/225;H04N5/33
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本實用新型涉及一種紅外相機，特別是一種紅外變焦光場相機，所述相機利用微透鏡陣列記錄成像光線的位置和角度的四維光場信息，對相機得到的場景信息進行重新對焦得到新的圖像，最終實現先成像后對焦的目的。

傳統成像方式在拍攝高速運動的目標或者相機的平臺發生抖動時，容易出現失焦、跑焦現象。對于高速運動物體來說，想抓住精彩一瞬的同時并且保證圖片清晰是非常困難的。所以，要減少高速運動物體帶來的運動模糊，一般利用縮短曝光時間或者增大相機的孔徑兩種方法，然而縮短曝光時間會導致圖像灰暗，增大相機孔徑會減小景深，使得成像背景模糊。傳統數碼相機成像時是在感光原件上記錄光強度分布，丟失了光波場的方向信息。當拍攝多個目標時，焦點往往對準在某一個目標上，其它目標可能景深過小造成局部圖像模糊。所以傳統數碼相機在成像的中不能捕捉目標的大量光學信息，失去了光線的方向信息，因此傳統相機得到的圖像后期無法進行重新聚焦。

光場輻射密度函數表示在四維空間中所有光線的光能量流動的密度，光場實質就是攜帶二維位置信息(u，v)和二維方向信息(θ，φ)的四維光場函數，光場相機的成像核心就是捕捉目標完整的四維光場分布信息。光場相機成像時，光線從不同的角度到達物鏡，聚焦在不同的微透鏡上。每個微鏡頭將光線轉變成一個微小的模糊圖像，被CCD感光元件接收。而那些微小的模糊圖像不同部分的光線，則通過物鏡的不同部位傳遞。通過這種方式，在一次成像中，CCD感光元件記錄了通過物鏡的每條光線的位置和它的角度。因此光場相機成像時不僅記錄落在每個感光單元所有光線的總和，還記錄光線的方向和強度。

光場相機作為一種新型的成像裝置，在物鏡與感光元件之前加入了微透鏡陣列，每個微透鏡對應若干個CCD感光元件的像素。它成像的核心問題就是獲得完整的四維光場分布信息，光場相機通過記錄光輻射在傳播過程中的四維位置和方向的信息，相比只記錄二維的傳統成像方式多出2個維度，故在圖像重建過程中，能夠獲得更加豐富的圖像信息，獲得不同景深的圖像，利用軟件對圖片進行對焦處理，達到先拍攝后對焦的目的，提高對目標的成像清晰度。因此光場相機可以對原始拍攝時因物體移動或者平臺抖動，造成焦點未對準的圖像重新進行聚焦，以獲得許多不同聚焦點的圖片，獲取目標的更多信息，解決了傳統相機丟失信息，離焦等問題。光場相機突破了傳統幾何成像技術的局限，比具有相同景深的相機圖像信噪比更高，在光學測量、遙感探測等方面有重要的意義。

本實用新型主要是為了解決容易出現失焦、跑焦現象，提供一種先拍攝，后對焦的紅外變焦光場相機。

本實用新型的解決方案是在變焦物鏡1的像面處放置微透鏡陣列2，CCD感光元件3放置在微透鏡的焦面處。物體上一點經過變焦物鏡1聚焦于微透鏡陣列平面2上，然后光線經單個微透鏡分散出光強度和不同的方向分量，分別到達探測器的不同像元位置處，即得到該物點的光場信息。為達到最大的角分辨率，需保證主透鏡系統的像方F數(相機的光圈數)與微透鏡陣列的F數一致，否則會造成光場方向信息和目標空間分布的混疊。

目標物體上一點經過變焦物鏡1后聚焦于微透鏡陣列2的平面上，而后經單個微透鏡分散出強度和方向分量，到達CCD感光元件3的不同像素點，即在像素點上得到該物點的光場信息，最終在CCD感光元件上產生一個微小的圖像陣列，每個微透鏡對目標物成一幅圖像。每副圖像記錄了到達像面某個微透鏡的光線位置，由于入瞳孔徑有限，所以每個微透鏡都有一定的視場范圍，不同微透鏡之間有一定的視差，從而得到物體的光強度和光線方向的四維空間信息。

在光場相機中，微透鏡不再限制圖像的有效分辨率。得到的圖像理論上可以接近傳感器的完全分辨率，即奈奎斯特頻率。如果把微透鏡看作成像器件，變焦物鏡的主面與CCD感光器件滿足物像關系。所以，變焦物鏡系統的光瞳經過單個微透鏡所成的像正好覆蓋光電探測器的若干像素點，為達到最大的角分辨率，需保證變焦物鏡的F數與微透鏡陣列的F數一致，否則會造成光場方向信息和目標空間分布的混疊。

微透鏡的作用是將變焦物鏡得到的像成像在探測器CCD感光元件上并覆蓋若干個像元，相當于將整個成像系統的光瞳分割成若干個子孔徑。如果微透鏡陣列中含有N×N個微透鏡，每個微透鏡又覆蓋了M×M個CCD像元，那么主鏡光瞳則被分割為M×M個子孔徑，此時能夠得到比傳統相機清晰M2倍的數字對焦圖像。微透鏡將成像系統內的光場分布轉化為CCD的像元輸出信號，且與微透鏡位置反映的兩維空間位置信息和微透鏡覆蓋的像元位置反映的兩維方向信息分別相對應，實現了四維光場的解析。然后對光場數據進行采集后并處理能獲得不同深度截面的清晰圖像。