[發明專利]基于計算像差補償的寬視場高分辨率攝像設備及方法

有效

• 申請號: 202010133526.2
• 申請日: 2020-02-28
• 公開（公告）號: CN111182191B
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: 吳嘉敏;方璐;郭鈺鐸;肖紅江;熊博
• 申請（專利權）人: 浙江荷湖科技有限公司
• 主分類號: H04N5/225
• 分類號: H04N5/225;H04N5/232
• 代理公司: 北京金蓄專利代理有限公司 11544
• 代理人: 劉立義

本發明提供了一種基于計算像差補償的寬視場高分辨率攝像設備及方法。根據本發明的一種基于計算像差補償的寬視場高分辨率攝像設備包括：光學輸入模塊、掃描微透鏡陣列模塊和成像模塊；其中，光學輸入模塊包括光學鏡頭；掃描微透鏡陣列模塊包括位移裝置和微透鏡陣列；成像模塊包括像感器；其中，光學輸入模塊通過任意的光學鏡頭對場景進行拍攝來收集光學信息，掃描微透鏡陣列模塊通過位移裝置帶動微透鏡陣列進行周期性移動掃描，并進一步傳播光學鏡頭收集的光學信息至成像模塊中的像感器上。

技術領域

本發明涉及光場成像、相空間成像領域以及宏觀光學成像領域，具體涉及一種基于計算像差補償的寬視場高分辨率攝像設備及方法。

背景技術

近年來，超高像素數目成像逐漸進入人們的視野。隨著機器視覺、無人機、高清監視系統等行業或設備的普及與擴散，人們對于高分辨率、大像素數目成像的需求日益明顯。

決定成像系統成像質量或成像分辨率的三方面限制條件如下：一是像感器的采樣率：普遍流行的像感器時下主要分為CCD和CMOS兩類，將像素數目做多，像元尺寸做小都有利于更高清的分辨率圖像生成；二是系統的光學衍射極限：根據瑞利分辨率判據，成像系統中各透鏡的數值孔徑決定了系統的分辨能力；三是像差，像差普遍存在于自然環境中，比如大氣的散射等。同時像差也存在于鏡頭之中，由于鏡頭屬于人工磨制的器件，會存在與理論光學中的理想透鏡模型的偏差。另一方面，隨著鏡頭尺寸的逐漸增大，理想光學系統中的近軸光學理論不再適用，離軸光線的軌跡難以像近軸光線那樣易于預測。以上三點都限制了系統的成像能力，進一步地，阻攔十億像素成像的發展。

得益于工業的發展，光學系統可以達到的衍射極限已經足以滿足我們宏觀場景拍攝的需求，同時也有足夠的工藝制作出大面陣小像元尺寸的高分辨率像感器。而阻攔這些工藝進一步發展的正是像差的存在。物理模型上，隨著單鏡頭尺寸的增長，像差會隨之逐步提升。因此隨著像素數目的提升、有效像素數目會被限制在一個有限的尺度上。在這樣的條件下，無論如何增加像感器的像素數目或是鏡頭的數值孔徑，圖像都很難進一步提升分辨率與清晰度。

在這樣的條件下，十億像素的發展經歷了兩個階段。第一個階段通過縮小光學孔徑尺寸，減小像差的存在，可以突破原有普通相機的有效像素數目局限。但這種方案會導致通光量減小，曝光時間增大，信噪比大幅度降低。第二個階段通過多鏡頭拍攝拼接，形成十億像素成像。該種方案通過增多鏡頭數目的方式減小像差隨單鏡頭尺寸增大而相應增大的幅度，比減小孔徑的方式更好的突破了像差限制，達到較好的成像效果。但該兩種方案都沒有實際上解決像差的問題，可以達到的最佳成像效果也遠遠小于光學衍射極限性能。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對現有技術中存在上述缺陷，提供一種基于計算像差補償的寬視場高分辨率攝像技術。這個系統通過微透鏡陣列同時采集到光線的角度信息和空間信息，進一步在相位空間融合不同角度的同一場景的圖像，并矯正像差。另一方面該系統還具有獲得高于像感器分辨率圖像的功能，用低像素數目的相機拍攝獲得高像素數目的圖像。

根據本發明，提供了一種基于計算像差補償的寬視場高分辨率攝像設備包括：光學輸入模塊、掃描微透鏡陣列模塊和成像模塊；其中，光學輸入模塊包括光學鏡頭；掃描微透鏡陣列模塊包括位移裝置和微透鏡陣列；成像模塊包括像感器；其中，光學輸入模塊通過任意的光學鏡頭對場景進行拍攝來收集光學信息，掃描微透鏡陣列模塊通過位移裝置帶動微透鏡陣列進行周期性移動掃描，并進一步傳播光學鏡頭收集的光學信息至成像模塊中的像感器上。

優選地，掃描微透鏡陣列模塊的微透鏡陣列通過掃描收集空間信息以及角度信息，用于像感器的數字計算像差補償算法和圖像重建算法的計算。

優選地，光學鏡頭處于對焦狀態或者處于在預定的散焦范圍，微透鏡陣列放置在光學鏡頭的后焦面處，像感器處于微透鏡陣列的后焦點的預定軸向范圍內。

優選地，微透鏡陣列擺放在鏡頭的像點處，在獲得鏡頭采集光照的空間信息同時獲得光束的角度信息。