[发明专利]数字成像系统

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及数字成像系统。

背景技术

光场相机是使用微透镜阵列来捕捉通过光学系统的光线的4D信息的相机(辐射率为位置和方向的函数)。目前已知两种光场相机设计，这两种设计在光传感器前面均使用了主透镜和透镜阵列(或针孔栅格)。这两种设计之间的主要不同在于，微透镜阵列与主透镜的图像平面的相对位置、以及微透镜的焦平面(focal plane)与光传感器的相对位置。

在第一种方法中(该方法被称为“全光(Plenoptic)1.0”或来自李普曼(Lippmann)的集成成像，并且在WO 2007/092581A2中也有描述)，微透镜阵列被放置于主透镜的图像平面处并且直接位于光传感器的前面，从而使得模糊像点(image spot)被投射到光传感器上。这种光场相机的有效分辨率与透镜阵列的微透镜的数目相同。

在第二种方法中，透镜阵列被设置为使得由主透镜生成的物体的“虚像(virtual image)”的多个低分辨率的微图像被投射到光传感器上。微透镜阵列和光传感器所处的图像平面之间的距离不等于微透镜的焦距。第二种方法被称为“全光(Plenoptic)2.0”，该方法能获得比“Plenopticl.0”更高的有效分辨率。在US 2009/0041448 A1中对该第二种方法进行了描述。

在“Plenoptic2.0”的进一步发展(“Plenoptic2.0改进版”)中，使用了具有多个焦距不同的微透镜的微透镜阵列。具有特定焦距的每一组微透镜将“虚”像空间的不同的深度范围聚焦到光传感器上。利用这种方法，由于距微透镜阵列不同距离处的虚像能够被同时聚焦到光传感器平面上，所以整个成像系统的景深被延伸，并且针对位于成像系统附近(即，靠近微透镜阵列和光传感器)的“虚”物体可获得相对较高的有效分辨率。

所有已知系统的共同点在于，成像系统的有效分辨率在深度范围上迅速降低。

发明内容

因此，需要一种在大深度范围内有效分辨率高的数字成像系统。

这一目的可通过包括权利要求1的特征的数字成像系统实现。

优选实施例的数字成像系统包括：设置在图像平面内的光传感器阵列、和设置为将来自物体的光引导至光传感器阵列的多个微透镜，其中，该多个微透镜具有不同的焦距和不同的视场。

进行了找出有效分辨率在深度范围上迅速降低的原因的调查。发现迅速降低的原因在于，由邻近的微透镜生成的微图像所包含的信息大部分相同，并且只有一小部分由邻近的微透镜生成的信息彼此不同。也就是说，每个微图像是其邻近图像的只偏移了很少的量的偏移版本。因此，由于保存了很多冗余信息，所以光传感器空间(photosensor space)没有被以最佳方式利用。据发现，由邻近的微透镜生成的微图像之间的较少冗余信息会使每一个在图像平面处生成的微图像具有更独特的分辨率。还发现，通过多个具有不同焦距和不同视场的微透镜可使邻近的微图像之间的冗余信息更少。利用这种发置，微透镜聚焦在具有不同视场的不同“虚”像平面处，从而使得深度范围被划分成若干子范围。例如，当使用具有四个不同视场的微透镜时，可将深度范围划分成四个子范围。优选地，视场最大的微透镜聚焦在近距物体上，视场最窄的微透镜聚焦在捕捉场景中的远距物体上。利用这种设置，可使相邻微透镜之间的重叠降至最低，从而可以在大深度范围内获得高有效分辨率。

本发明的其它特征和优点可结合附图从以下对根据本发明的实施例的描述中读到。

附图说明

包括在本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图提供了对实施例的进一步的理解。附图示出了实施例，并且与说明书一起用来说明实施例的原理。由于参考以下描述会更好理解，因此可很容易地理解其它实施例和实施例的很多预期优点。附图中的元件不一定要互相成比例。相同的参考标号指示相应的类似部件。

图1示意性地示出了根据本发明实施例的成像系统的光学几何结构；

图2示意性地示出了作为距现有技术中已知的光场相机中的相机的物距的函数的原始输出分辨率、以及作为物体距相机的距离的函数的根据本发明的数字成像系统的期望原始输出分辨率；

图3示意性地示出了焦距和视场均不同的两种微透镜的操作；

图4示意性地示出了视角为θ_fov的微透镜的几何依存关系；

图5示意性地示出了本发明的优选布置，其中在该优选布置中具有不同焦距和不同视场的两组微透镜被设置在公共平面中；