[发明专利]光场成像装置及方法

说明书

技术领域

一种具有高分辨率的光场成像装置及方法，特别涉及一种同时具有高空间分辨率和高方向分辨率的光场成像装置及方法。

背景技术

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的在像平面上的空间分布，而丢弃掉了光线的传播方向信息，并限制了图像的重塑性。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。可以说，光场成像技术能够延伸到目前所有应用到光学成像的领域，扩展现有光学成像技术能够获得的信息量。

图1为传统光场相机结构示意图。如图1所示，其中，10是物平面，微透镜阵列12位于主镜头11的焦面上，传感器13位于微透镜阵列12的焦面上。透镜阵列12将主镜头11的像平面的光线按照不同的方向角分散在传感器13上，得到一个聚焦的主镜头光阑的图像，微透镜阵列后方的图像描述了系统中图像传感器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中的透镜数量。

这种光场相机的最大缺陷在于，最终图像的空间分辨率取决于微透镜阵列中的透镜数量，而方向分辨率则取决于每个微透镜单元后所包含的像素的数量（宏像素）。这样，要获得一幅能够与普通照片分辨率相当的光场照片，就需要单元数量足够多的微透镜阵列和更大像素数的探测器件。这一点给加工制造带来很大难度，造成成本的迅速上升，成为制约光场成像发展的一大难点。

图2为聚焦型光场相机的结构示意图。如图2所示，可分为两种情况，分别对应图2（a）和图2（b）。在图2（a）中，微透镜阵列212对主镜头211的像平面214成像而不是对主镜头的主面成像，，微透镜阵列212的像平面位于其前方成实像，由传感器213接收。在图2（b）中，同样微透镜阵列222对主镜头221的像平面224成像而不是对主镜头的主面成像，微透镜阵列222的像平面位于其后方成虚像，由传感器223接收。

这种技术通过将微透镜阵列与主镜相对位置的改变，牺牲了一部分角度分辨率，来获得较高的空间分辨率，使最终获得的光场照片的空间分辨率较之普通光场相机提高。但这一技术的缺陷在于，牺牲的角分辨率对应于不同的景深，即每一个景深值都对应不同的空间分辨率，如采用一个空间分辨率进行重构，则会造成某些位置欠采样，而某些位置过采样，从而造成图像的不清晰或像素的浪费。

综上所述，目前的光场成像技术，多出的二维信息是以牺牲一定的空间分辨率为代价，二者之间存在一个折衷，现有的光场相机普遍存在图像空间分辨率不能满足需求的问题，这是当前制约光场成像技术的一个主要瓶颈。如何同时获得高空间分辨和高方向分辨率，或取得二者的最优化分布，是必须解决的一个重点问题。

发明内容

本发明针对目前光场成像技术不能同时获得高空间分辨率和高方向分辨率的瓶颈问题，提出以一种同时具有高空间分辨率又具有高方向分辨率的光场成像装置及方法。

本发明提供的光场成像装置包括：

位置能够平移的主镜头、焦距是可控变化的可变焦微透镜阵列、接收并感应图像的传感器、首先通过相对应的平移所述主镜头使得所述主镜头的像平面与所述可变焦微透镜阵列位置相重合，此时，所述可变焦微透镜阵列的焦距为初始焦距，所述传感器与所述可变焦微透镜阵列间距离与所述可变焦微透镜阵列的初始焦距相等，所述传感器获取的图像作为第一图像；平移所述主镜头位置使得主镜头像平面偏离所述可变焦微透镜阵列位置，并相应调节所述可变焦微透镜阵列的焦距至第二焦距，使得所述主镜头的像平面通过可变焦微透镜阵列共轭成像在传感器上，此时，所述传感器获取的图像作为第二图像，此过程中所述主镜头的平移位置与所述可变焦微透镜阵列的焦距变化遵从高斯光学定律；从而获取到所述第一图像与所述第二图像的获取部、提取第一图像的高方向分辨率信息以及第二图像的高空间分辨率信息的提取部、对提取的高方向分辨率信息和高空间分辨率信息进行加权重组，进行图像配准与重构，得到高方向分辨率和高空间分辨率两者之间的最优化分布图像，从而获得最佳成像的图像处理部。

进一步，本发明提供的光场成像装置还可以包括：存储第一图像与第二图像的图像存储部，提取部从该图像存储部中提取第一图像的高方向分辨率信息以及第二图像的高空间分辨率信息。