微透鏡陣列成像裝置與成像方法與流程
本發明涉及成像技術領域，具體而言，涉及一種微透鏡陣列成像裝置與成像方法。
背景技術：
目前消費電子設備，工業檢測設備等都逐漸趨向于便攜化，輕薄化。一般地，為了實現靈活的圖像獲取功能而經常采用多透鏡組等方案，如此一來，就限制了器件的輕薄化，便攜化。
微透鏡陣列廣泛應用于光場相機，復眼相機以及大視野的顯微相機，需要對微透鏡陣列所成的像進行后續處理，如將每個微透鏡所成的像進行匹配或者拼接。然而，由于光的波動性，每個微透鏡成像都會出現中間亮四周暗的現象，從而導致處理后的像造成嚴重的干擾，同時，在后期圖像的拼接或匹配的過程中，圖像分辨率利用率較低，造成分辨率的浪費。
技術實現要素：
為了在有效降低成像器件的厚度同時能獲得較高分辨率的圖像，本發明提出一種微透鏡陣列成像裝置，其包括主透鏡、微透鏡陣列以及位于微透鏡陣列的遠離所述主透鏡一側的圖像采集單元，所述微透鏡陣列包括多個陣列排布的子透鏡，其特征在于，所述微透鏡陣列的成像光路以所述主透鏡的光闌作為視場光闌；所述主透鏡對物體所成的第一圖像位于所述主透鏡與所述微透鏡陣列之間，且所述第一圖像經過每個子透鏡后在所述圖像采集單元上成一個第二圖像，每個所述第二圖像包括一個方形底圖以及圍繞所述方形底圖的方形彌散外環。
進一步的，每個所述第二圖像的所述方形底圖和與其相鄰的所述第二圖像的所述方形底圖之間的距離大于等于零，且小于等于所述第二圖像的 所述方形彌散外環的寬度和與其相鄰的所述第二圖像的所述方形彌散外環的寬度之和。
進一步的，所述第二圖像包括有效方形彌散外環，所述有效方形彌散外環大于等于方形底圖，且小于方形彌散外環。
更進一步的，所述第二圖像的有效方形彌散外環和與其相鄰的所述第二圖像的所述方形彌散外環相接。
進一步的，所述主透鏡為圓形透鏡，所述主透鏡設置有方形光闌。
進一步的，所述主透鏡方形透鏡。
進一步的，所述方形底圖為圖像采集單元上光闌像的主光線覆蓋范圍；所述方形彌散外環為圖像采集單元上光闌像的彌散光線覆蓋范圍。
進一步的，所述多個子透鏡的大小形狀相同。
進一步的，所述微透鏡陣列成像裝置進一步包括一個圖像處理單元，所述圖像處理單元用于將所述多個子透鏡所成的第二圖像進行拼接。
更進一步的，每個所述子透鏡的第二圖像包括截取的有效方形彌散外環，所述有效方形彌散外環大于等于方形底圖，且小于方形彌散外環。
更進一步的，每個所述第二圖像的所述方形底圖和與其相鄰的所述第二圖像的所述方形底圖之間的距離大于等于所述有效方形彌散外環的寬度，且小于等于所述第二圖像的所述有效方形彌散外環的寬度和與其相鄰的所述第二圖像的所述有效方形彌散外環的寬度之和。
本發明還提出一種微透鏡陣列成像方法，所述微透鏡陣列成像方法包括如下步驟：
通過主透鏡對物體成第一圖像；以及
所述第一圖像經過微透鏡陣列的每一個子透鏡成一個第二圖像，每個所述第二圖像包括一個方形底圖以及圍繞所述方形底圖的方形彌散外環，每個所述第二圖像的所述方形底圖和與其相鄰的所述第二圖像的所述方形底圖之間的距離大于等于零，且小于等于所述第二圖像的所述方形彌散外環的寬度與其相鄰的所述第二圖像的所述方形彌散外環的寬度之和。
進一步的，截取所述第二圖像的有效方形區域，所述有效方形區域包括所述方形底圖和有效方形彌散外環；所述有效方形彌散外環大于等于方 形底圖，且小于方形彌散外環。
更進一步的，所述第二圖像的有效方形彌散外環和與其相鄰的所述第二圖像的所述方形彌散外環相接。
進一步的，進一步包括對所述多個子透鏡所成的第二圖像進行拼接。
更進一步的，所述多個子透鏡的大小形狀相同；且每個所述第二圖像的所述方形底圖和與其相鄰的所述第二圖像的所述方形底圖之間的距離大于等于所述有效方形彌散外環的寬度，且小于等于所述第二圖像的所述有效方形彌散外環的寬度和與其相鄰的所述第二圖像的所述有效方形彌散外環的寬度之和。
附圖說明
圖1為本發明第一實施例提供的微透鏡陣列成像裝置的結構框圖；
圖2為發明第一實施例提供的微透鏡陣列成像裝置的光路圖；
圖3為圖2中的微透鏡陣列的彌散模型圖；
圖4為圖2中一個子透鏡在圖像采集單元上所成的第二圖像的示意圖；
圖5為圖2中一個子透鏡在圖像采集單元上所成的第二圖像的有效區域示意圖；
圖6為圖像處理單元對每個子透鏡的第二圖像進行拼接時的第一示意圖；
圖7為圖像處理單元對每個子透鏡的第二圖像進行拼接時的第二示意圖；
圖8為提供給圖1中微透鏡陣列成像裝置成像的原始圖表；
圖9-圖12為圖1提供的微透鏡陣列成像裝置對圖8的原始圖表成像拼接的示意圖；
圖13為本發明第二實施例提供的微透鏡陣列成像方法的流程圖。
具體實施方式
為了能夠更清楚地理解本發明的上述目的、特征和優點，下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行進一步的詳細描述。需要說明的是，在不 沖突的情況下，本申請的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明，但是，本發明還可以采用其他不同于在此描述的其他方式來實施，因此，本發明并不限于下面公開的具體實施例的限制。
請參見圖1、圖2與圖3，一種微透鏡陣列成像裝置，其包括主透鏡120、微透鏡陣列130以及位于微透鏡陣列130的遠離主透鏡120一側的圖像采集單元150。在本實施例中，主透鏡120與微透鏡陣列130作微透鏡陣列成像裝置的光學鏡頭組140。
微透鏡陣列130包括多個陣列排布的子透鏡131。在本實施例中，多個子透鏡131的大小形狀相同。可以理解的是，在其他實施例中，多個子透鏡131的大小形狀也可以不相同，其可以根據需要設置。
如圖2、3所示，主透鏡120對物體110所成的第一圖像121位于主透鏡120與微透鏡陣列130之間，同時，第一圖像121作為微透鏡陣列130的物；第一圖像121經過每個子透鏡后在圖像采集單元150上成一個第二圖像181。微透鏡陣列成像裝置的實際孔徑光闌為主透鏡120的孔徑光闌122，每個子透鏡131的成像光路中以主透鏡120的孔徑光闌122作為視場光闌，在本實施例中，主透鏡120為圓形透鏡，且在主透鏡120設置有方形光闌。可以理解的是，在其他實施例中，主透鏡120為方形透鏡。
請一并參見圖4，每個第二圖像181包括一個方形底圖182以及圍繞方形底圖182的方形彌散外環183；
其中方形底圖182為圖像采集單元150上光闌像的主光線覆蓋范圍，其寬度為b；本實施例的方形底圖182為正方形，其寬度b即為方形底圖的邊長；
方形彌散外環183為圖像采集單元150上光闌像的彌散光線覆蓋范圍，其寬度為c，且沿主光線對稱分布；方形彌散外環183包括一內邊框和一外邊框，其寬度c為內邊框和外邊框之間的寬度。
第二圖像181為圖像采集單元150上光闌像的主光線和彌散光線的覆蓋范圍，其寬度為b+2c，它規定了每個子透鏡131的有效視場范圍，且彌散部分分布情況由主透鏡光闌122和子透鏡131孔徑形狀共同決定。
每個子透鏡131將主透鏡120所得的第一圖像121分別成像于圖像采集單元150上，經過透鏡的兩次變換，最終得到正立的像。因此，最后圖像處理時只需做鏡像處理便能還原初始物。其中，主透鏡120對物體110成像，每個子透鏡131再對主透鏡120所成的實像成像，以及每個子透鏡131對主透鏡光闌122成像，均遵從高斯成像原理，當器件置于空氣介質中時，其物像關系如公式(1)至公式(3)所示：
上述公式中，u1表示主透鏡120成像的物距，v1表示主透鏡120成像的像距，f1表示主透鏡120的焦距；u2表示微透鏡陣列130成像的物距，v2表示微透鏡陣列130成像的像距，即圖像采集單元150與微透鏡陣列130的間距，f2表示微透鏡陣列130的焦距；u表示主透鏡120的孔徑光闌122離微透鏡陣列130的距離，v表示微透鏡陣列130對主透鏡120的孔徑光闌122成像的像距。
每個第二圖像181的方形底圖182和與其相鄰的第二圖像181的方形底圖182之間的距離大于等于零，且小于等于第二圖像181的方形彌散外環183的寬度和與其相鄰的第二圖像181的方形彌散外環183的寬度之和。
由于在后期圖像處理時需要將各個子透鏡圖像進行拼接以還原完整的圖像，因此在拍攝圖像時必須保證相鄰子透鏡131在圖像采集單元150上成的第二圖像181內容不出現干擾混疊。
在本實施例中，如圖5所示，可根據所需圖像分辨率的大小而截取第二圖像181的有效方形區域，包括方形底圖182和有效方形彌散外環184，其中有效方形彌散外環184的值可以無限接近方形彌散外環183的大小，可使得最終拼接圖的分辨率可無限接近原圖，但需保證相鄰所截取的效方 形彌散外環184中的內容不出現干擾混疊。在此光學模型中，截取底圖參數k，如公式(4)所示：
其取值范圍可為0≤k<1。
上述公式中，c1表示有效方形彌散外環184寬度(有效方形彌散外環184包括一內邊框和一外邊框，其寬度c1為內邊框和外邊框之間的寬度)，c表示方形彌散外環184的寬度。當k取0時，截取的底圖范圍為主光線覆蓋的范圍，即方形底圖182；當k取1時，截取的底圖范圍為彌散光線覆蓋的范圍，即全部彌散都利用，此時分辨率為全分辨率還原圖像。可根據實際圖像質量和分辨率的需要，設定一個適合的k值，以實現高分辨率和高質量的圖像。
由于最后是將各相鄰子透鏡131所成的像進行拼接以還原實際拍攝的圖像，而為了最大化地利用圖像傳感器150的第二圖像181，也就是使拼接后圖像的分辨率達到最大。本實施例提出了方形彌散外環183和與其相鄰的方形彌散外環183相接的光學結構，避免所截取的有效方形彌散部分內的內容發生重疊，導致圖像內容混亂，從而保證兩個相鄰的方形彌散外環之間不會相互干擾和混疊，最大效率的利用圖像傳感器150的第二圖像181。
在本實施例中，微透鏡陣列成像裝置進一步包括圖像處理單元160，圖像處理單元用于將多個子透鏡131所成的第二圖像181進行拼接。
請參見圖6，圖像處理單元160對多個子透鏡131所成的第二圖像181的有效方形區域進行拼接時，采用移動多個第二圖像181的方式進行拼接。由于待拼接的底圖為方形，因此相鄰的有效方形區域內的內容的重復率最小可為0，即每個第二圖像181的有效方形彌散外環184和與其相鄰的第二圖像181的有效方形彌散外環184相接。
請參見圖7，本發明還提供一種實施案例，可讓有效方形區域內的內容部分重疊，以利于后期圖像拼接時的圖像調整，此時拼接后相鄰方形底圖有部分重疊，但不影響圖像的完整性，此時，每個第二圖像181的方形 底圖182和與其相鄰的第二圖像181的方形底圖182之間的距離大于等于有效方形彌散外環184的寬度c1，且小于第二圖像181的有效方形彌散外環的寬度c1和與其相鄰的第二圖像181的有效方形彌散外環184的寬度c1之和。
請一并參見圖8-圖12，微透鏡陣列成像裝置對原始圖表進行成像并進行拼接的示意圖，由此可知，微透鏡陣列成像裝置可以保證相鄰子透鏡在圖像采集單元160上成的第二圖像181內容不出現干擾混疊，并且能有效地利用圖像采集單元160上的象素單元。當圖像處理單元160在對第二圖像181進行移動拼接時，每個第二圖像181的有效方形彌散外環184和與其相鄰的第二圖像181的有效方形彌散外環184相接，此時，拼接后的圖像分辨率最大。
微透鏡陣列成像裝置能夠保證相鄰子透鏡131在圖像采集單元150上成的第二圖像181內容不出現干擾混疊，并且能有效地利用圖像采集單元150上的象素單元。
請參見圖13，本發明第二實施例提供的一種微透鏡陣列成像方法，其包括如下步驟：
步驟21：通過主透鏡對物體成第一圖像。
步驟22：第一圖像經過微透鏡陣列的每一個子透鏡成一個第二圖像，每個第二圖像包括一個方形底圖以及圍繞方形底圖的方形彌散外環，每個第二圖像的方形底圖和與其相鄰的第二圖像的方形底圖之間的距離大于等于零，且小于等于第二圖像的方形彌散外環的寬度與其相鄰的第二圖像的方形彌散外環的寬度之和。
步驟23：截取第二圖像的有效方形區域，該有效方形區域包括方形底圖和有效方形彌散外環；有效方形彌散外環大于等于方形底圖，且小于等于方形彌散外環。本實施例中，第二圖像的有效方形彌散外環和與其相鄰的第二圖像的所述方形彌散外環相接。
步驟24：對多個子透鏡所成的第二圖像的有效方形區域進行拼接。對多個子透鏡所成的第二圖像采用移動拼接的方式。在本實施例中，每個第二圖像的有效方形彌散外環和與其相鄰的第二圖像的有效方形彌散外環相 接。
微透鏡陣列成像方法能夠保證相鄰子透鏡在圖像采集單元150上成的第二圖像內容不出現干擾混疊，并且能有效地利用圖像采集單元上的象素單元。
上述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
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