[發明專利]可變焦三維成像系統

在審

• 申請號: 202011257387.0
• 申請日: 2020-11-11
• 公開（公告）號: CN112285925A
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發明（設計）人: 匡登峰;梁寧
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B26/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種可變焦三維成像系統，該系統由可變焦微透鏡陣列和成像探測器構成。可變焦微透鏡陣列由具有彈性膜的液體透鏡排列組合構成，通過控制充入液體體積來控制彈性膜的表面形狀，從而實現控制其焦距大小的功能。根據應用需求，可變焦液體透鏡排列方式可以是正四邊形排列、正六邊形排列。成像探測器可以是電感耦合探測器或互補金屬氧化物半導體探測器。改變可變焦微透鏡陣列的焦距，能夠改變成像探測器記錄的被測物體的景深以及位置信息。該系統在多尺度三維成像和顯示等領域具有重要的應用價值。

技術領域

本發明屬于微納光學和光學成像領域，涉及微光學器件、光場成像以及集成光學，特別是一種可變焦三維成像系統。

背景技術

光場成像技術是從光的波長、位置、方向、偏振、時間等在內的光場全要素出發，獲取并利用光場信息進行成像、三維測量或顯示的一類技術。傳統成像方式壓縮了諸多光場參數，包括傳輸方向、波長、相位等在內的光場信息，這些光場信息通常攜帶著諸多重要場景目標信息，傳統成像這種降維采樣的方式獲取信息的局限性越來越突出，因此光場的研究具有十分重要的意義。與傳統成像方式相比，光場成像技術通過同時控制或記錄包含位置和傳播方向在內的多維度光學參量，光場的基本表述模型以及在此基礎上發展出的各種光場采集以及控制方法，可極大地改變成像、測量以及顯示的方式，在日常生活、工業測量、自動駕駛、軍事國防、生命科學研究、增強現實等方向上都有非常大的發展和應用前景。然而，光場成像系統也有需要解決的不足，當前利用微透鏡陣列的光場三維成像系統受限于有限的成像范圍和較低的分辨率。為了克服成像范圍有限的問題，可調光學元件開始被應用于光場三維成像系統。

發明內容

本發明目的是為解決光場三維成像中成像深度有限且成像區域不可變的問題，提供一種基于可變焦微透鏡陣列的可變焦三維成像系統。

本發明提出利用可變焦液體透鏡，通過微納加工方法實現液體透鏡的陣列化和微型化，得到可變焦微透鏡陣列，并利用其收集物體光場信息，實現可變焦的三維成像功能。

所述的可變焦三維成像系統主要由可變焦微透鏡陣列和成像探測器組成，成像具體過程包括：

(1)利用微透鏡陣列收集物體的光場信息，并利用成像探測器記錄；

(2)通過控制變焦微透鏡陣列充入液體體積改變其焦距，從而收集不同位置物體的光場信息，并利用成像探測器記錄；

(3)結合收集到的不同位置的物體的光場信息對物體進行三維重建。

所述的可變焦三維成像系統基于基于光場渲染理論，即空間中光線的方向分布和位置分布就是光場，使用兩個互相平行的平面與光線的交點坐標對光場函數進行參數化表征，即四維光場函數

L＝L(u，v，s，t)

其中，L代表光線強度，(u，v)和(s，t)分別表示為光線與兩個平面的交點坐標，L(u，v，s，t)就是該光場的一個采樣。

所述的可變焦三維成像系統，利用可變焦微透鏡陣列對光場信息進行采樣并記錄在成像探測器中，通過改變液體微透鏡陣列施加的電壓來控制液體表面張力，從而實現液體透鏡輪廓的變化，實現微透鏡陣列的變焦，并利用變焦后的微透鏡陣列重新進行光場信息的采集，以得到物體不同深度的光場信息。

所述的可變焦三維成像系統，當改變微透鏡陣列的焦距時，可以改變成像物體位置，改變前后物面位置變化滿足高斯光學：

其中，g為成像探測器與微透鏡陣列的間距，f₁′和f₂′分別為改變前后微透鏡陣列的焦距，l₁和l₂分別為改變前后成像物體與微透鏡陣列的間距。