具有多成像平面的成像裝置及成像方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有多成像平面的成像裝置及成像方法,克服了傳統(tǒng)照相機無法進行遠距離高分辨成像的缺點,利用開普勒式望遠鏡原理解決了對遠距離目標(biāo)進行成像的問題,通過將CMOS圖像傳感器陣列排布到多個成像平面完成高分辨率圖像采集的工作,在此基礎(chǔ)上,利用遠光透鏡的特性消除了同一場景中物體處于不同深度上可能造成的成像局部清晰化的問題。
【專利說明】具有多成像平面的成像裝置及成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)成像裝置及成像方法,具體為具有多成像平面的成像裝置及成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)成像系統(tǒng)應(yīng)用廣泛,最常見的莫過于照相機,一組鏡頭加一些光學(xué)傳感器就能完成簡單的成像和圖像采集,但是一般照相機的拍攝距離十分有限,雖然使用長焦的鏡頭可以進行較遠距離場景的拍攝,但是成本十分昂貴,并且受制于照相機本身的體積,使得照相機不能采集高分辨率的圖像;用于太空拍攝的哈勃望遠鏡,雖然能夠拍攝超遠距離的星系,且獲取到的圖像也是超高分辨率的,但是造價太昂貴,體積也十分龐大,對于個人用戶來說,沒有實際的應(yīng)用價值。
[0003]Hermann Diehl, Franz Miiller等人提出了一種具有多成像平面的光學(xué)成像系統(tǒng),該成像系統(tǒng)能夠?qū)⑼粋€場景分別映射到不同的成像平面上,并且保證每一個成像平面成的像沒有重疊的區(qū)域,這樣做的好處是,對于面積大小相同的成像平面,沒有重疊的成像比有重疊的成像拍攝到的場景具有更大的有效區(qū)域,從而減少數(shù)據(jù)的冗余。但是該系統(tǒng)并沒有考慮拍攝具有深度變化的場景,即,所要拍攝的場景中的物體處在不同的深度上,導(dǎo)致的問題是成像局部清晰化,所成的像在某一位置上是清晰的,而在別的區(qū)域則比較模糊,除此之外,由于受到前端鏡頭的限制,該系統(tǒng)并不能對遠距離的場景進行高分辨成像。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]要解決的技術(shù)問題
[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中不能對遠距離場景進行高分辨率成像以及無法適應(yīng)具有深度變化的場景的問題,本發(fā)明提出一種具有多成像平面的成像裝置及成像方法。利用開普勒式望遠鏡能夠?qū)h距離場景進行拉近放大的特性,完成對遠距離場景進行成像的工作;為了克服場景中可能出現(xiàn)的深度變化,本發(fā)明使用遠心透鏡來改變光路,使得在同一場景一定深度范圍內(nèi)處于不同深度的物體都會成像到同一個平面上,即不會出現(xiàn)局部清晰的情況;為了能夠進行高分辨的成像,成像平面上以陣列的形式排布了 CMOS圖像傳感器。
[0006]技術(shù)方案
[0007]—種具有多成像平面的成像裝置,其特征在于包括遠光透鏡1、第一凸透鏡2、第二凸透鏡3、第一分光鏡4、第二分光鏡7、第一凹透鏡5、第二凹透鏡8、第三凹透鏡10、成像平面A6、成像平面B9、成像平面Cll和黑盒12 ;遠光透鏡I位于黑盒12的入口處,光透鏡
1、第一凸透鏡2、第二凸透鏡3、第一分光鏡4、第二分光鏡7、第三凹透鏡10和成像平面Cll安裝在同一軸心上;遠心透鏡I與第一凸透鏡2之間的間隔大于兩者焦距之差的絕對值且小于兩者焦距之和,第一凸透鏡2、第二凸透鏡3之間的間隔大于兩者焦距之差的絕對值且小于兩者焦距之和,第一分光鏡4與第二分光鏡7的間隔為第二凸透鏡3的I?2倍焦距,第一凹透鏡5與第一分光鏡4的間隔為第一凹透鏡5的I?2倍焦距,第二凹透鏡8與第二分光鏡I的間隔為第二凹透鏡8的I?2倍焦距;第一凹透鏡5與成像平面A6安裝在同一軸心上,兩者的間距為第一凹透鏡5焦距的I?2倍;第二凹透鏡8與成像平面B9安裝在同一軸心上,兩者的間距為第二凹透鏡8焦距的I?2倍;第三凹透鏡10與成像平面Cll安裝在同一軸心上,兩者的間距為第三凹透鏡10焦距的I?2倍。
[0008]所述的第一分光鏡4與入射光呈逆時針45° ,第二分光鏡7與入射光呈逆時針135。。
[0009]一種利用具有多成像平面的成像裝置的成像方法,其特征在于步驟如下:
[0010]步驟1:光線進入遠心透鏡1,遠心透鏡I將光線中同一場景中處于不同深度的物體的像映射到同一個平面上;
[0011]步驟2:經(jīng)過遠心透鏡后的光線進入由第一凸透鏡2、第二凸透鏡3組成的開普勒式望遠鏡系統(tǒng),第一凸透鏡2、第二凸透鏡3將遠距離場景拉近放大;
[0012]步驟3:拉近放大的像由第二凸透鏡3引導(dǎo)至第一分光鏡4,第一分光鏡4對光線的光路作了改變:1/3光線被反射引導(dǎo)至第一凹透鏡5,2/3光線穿過第一分光鏡4進入第二分光鏡7 ;
[0013]步驟4:被引導(dǎo)至第一凹透鏡5的光線經(jīng)過第一凹透鏡5發(fā)散后被成像平面A6采集;
[0014]步驟5:透過第一分光鏡4進入第二分光鏡7的光線,1/2被反射引導(dǎo)至第二凹透鏡8,1/2穿過第二分光鏡7被引導(dǎo)至第三凹透鏡10 ;
[0015]步驟6:被引導(dǎo)至第二凹透鏡8的光線經(jīng)過第二凹透鏡8發(fā)散后被成像平面B9采集;
[0016]步驟7:透過第二分光鏡7的光線進入第三凹透鏡10發(fā)散后被成像平面Cll采集;
[0017]步驟8:將成像平面A6、成像平面B9、成像平面Cll采集到的場景區(qū)域填補到計算機所生成的空白圖像中對應(yīng)的區(qū)域,生成一幅場景圖,所述的空白圖像尺寸大小為CMOS圖像傳感器所能支持的最大分辨率*圖像傳感器數(shù)量。
[0018]有益效果
[0019]本發(fā)明提出的一種具有多成像平面的成像裝置及成像方法,消除場景中的深度變化對成像結(jié)果造成的局部清晰化影響,利用望遠鏡原理和CMOS圖像傳感器陣列進行遠距離高分辨成像。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的裝置圖。
[0021]1-遠光透鏡、2-第一凸透鏡、3-第二凸透鏡、4-第一分光鏡、5-第一凹透鏡、6_成像平面A、7_第二分光鏡、8_第二凹透鏡、9_成像平面B、10-第二凹透鏡、11-成像平面C、12-黑盒。
[0022]圖2是成像平面CMOS圖像傳感器的排列方式:(a)成像平面A ; (b)成像平面B ;(C)成像平面C。
[0023]圖3是不同成像平面所拍場景示意圖:(a)需要拍攝的場景;(b)成像平面A需要拍攝的場景;(c)成像平面B需要拍攝的場景;(d)成像平面C需要拍攝的場景。
【具體實施方式】
[0024]現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述:
[0025]如圖1所示的具有多成像平面的成像裝置:包括遠光透鏡1、第一凸透鏡2、第二凸透鏡3、第一分光鏡4、第二分光鏡7、第一凹透鏡5、第二凹透鏡8、第三凹透鏡10、成像平面A6、成像平面B9、成像平面Cll和黑盒12 ;遠光透鏡I位于黑盒12的入口處,光透鏡1、第一凸透鏡2、第二凸透鏡3、第一分光鏡4、第二分光鏡7、第三凹透鏡10和成像平面Cll安裝在同一軸心上;遠心透鏡I與第一凸透鏡2之間的間隔大于兩者焦距之差的絕對值且小于兩者焦距之和,第一凸透鏡2、第二凸透鏡3之間的間隔大于兩者焦距之差的絕對值且小于兩者焦距之和,第一分光鏡4與第二分光鏡7的間隔為第二凸透鏡3的1.5倍焦距,第一凹透鏡5與第一分光鏡4的間隔為第一凹透鏡5的1.5倍焦距,第二凹透鏡8與第二分光鏡7的間隔為第二凹透鏡8的1.5倍焦距;第一凹透鏡5與成像平面A6安裝在同一軸心上,兩者的間距為第一凹透鏡5焦距的1.5倍;第二凹透鏡8與成像平面B9安裝在同一軸心上,兩者的間距為第二凹透鏡8焦距的1.5倍;第三凹透鏡10與成像平面Cll安裝在同一軸心上,兩者的間距為第三凹透鏡10焦距的1.5倍。
[0026]利用以上成像裝置進行的成像方法:首先利用遠心透鏡的特性,將所攝同一場景中一定深度范圍內(nèi)處于不同深度的物體投影到同一個平面,接著使從遠心透鏡中穿過的光線進入望遠鏡裝置部分,得到拉近放大的像,由于本系統(tǒng)有多個成像平面,因此需要分光鏡來對目鏡中的光線進行透射和反射,從而引導(dǎo)到不同的成像平面,再利用成像平面上呈陣列排布的CMOS圖像傳感器,對光線進行采集。
[0027]具體步驟如下:光線首先通過安裝在系統(tǒng)前端的遠心透鏡I進入整個裝置,遠心透鏡I將同一場景中一定深度范圍內(nèi)處于不同深度的物體的像映射到同一個平面上,即使物距發(fā)生改變,像距也發(fā)生改變,但像高并不會發(fā)生改變,同時消除成像局部清晰的影響;之后,光線進入由第一凸透鏡2、第二凸透鏡3組成的開普勒式望遠鏡系統(tǒng),目的是將遠距離場景拉近放大;光線由第二凸透鏡3引導(dǎo)出來,經(jīng)過與入射光呈逆時針45°的第一分光鏡4,光線的光路被改變,由于第一分光鏡4能透射2/3的光線,反射1/3的光線,所以從第二凸透鏡3出來的光線,有1/3會被反射引導(dǎo)至第一凹透鏡5處,2/3會穿過第一分光鏡4進入第二分光鏡7 ;被引導(dǎo)至第一凹透鏡5的光線經(jīng)過第一凹透鏡5會被發(fā)散,發(fā)散的光線被成像平面A6采集;透過第一分光鏡4的光線進入與入射光呈逆時針135°的第二分光鏡7,由于第二分光鏡7能透射1/2的光線,反射1/2的光線,所以透過第一分光鏡4的光線,有1/2會被反射引導(dǎo)至第二凹透鏡8,1/2會穿過第二分光鏡7被引導(dǎo)至第三凹透鏡10 ;被引導(dǎo)至第二凹透鏡8的光線經(jīng)過第二凹透鏡8會被發(fā)散,發(fā)散的光線被成像平面B9采集;透過第二分光鏡7的光線進入第三凹透鏡10,被第三凹透鏡10發(fā)散的光線由成像平面Cll采集;由于成像平面A6,成像平面B9,成像平面Cl I上CMOS圖像傳感器排列位置的不同,彼此可以采集到?jīng)]有重疊區(qū)域的圖像,消除數(shù)據(jù)冗余;整個裝置處于黑盒12中,表示除了光線能夠從遠心透鏡I進入裝置,裝置其他位置既不允許光線進入,也不允許光線傳出。
[0028]在圖2中,(a),(b),(c)分別給出了成像平面A、成像平面B、成像平面C上CMOS圖像傳感器的排列情況,可以看出,成像平面A、B、C的面積大小相同,只是傳感器的排列方式不同。圖像(a),(b),(c)中dA,dB,dc分別表示成像平面A,B,C上一塊傳感器的長度,其中dA = dB = dc,d表示相同成像平面上兩個傳感器之間的間隔,其中d = 2dA = 2dB = 2dc。在圖2(a)中,CMOS圖像傳感器從成像平面A的左上角開始排列,在一行中,每間隔距離d安放一塊圖像傳感器,每列的傳感器對齊放置,直到成像平面A放不下更多的傳感器為止。在圖2(b)和圖2(c)中,傳感器的排列方式與圖2(a)中傳感器的排列方式類似,不同之處在于傳感器排布的起始位置不同,在圖2(b)中,傳感器的起始位置為成像平面B左上角移動4距離的位置,在圖2(c)中,傳感器的起始位置為成像平面C左上角移動d距離的位置。從圖1中的光路圖可以知道,成像平面A、成像平面B、成像平面C都是對同一個場景進行成像,但是由于每個成像平面上傳感器排列的位置不同,因此,每個成像平面上所成的像也會有所不同,都是同一場景的不同區(qū)域,傳感器這樣的排列方式就是為了使得每個成像平面所成像沒有重疊部分,雖然每個成像平面所成像沒有重疊的區(qū)域,但是根據(jù)每個傳感器的位置排布,可以將這三個成像平面所成像拼接成為一幅完整的場景圖,剛好填補每一個成像平面所成像空缺的部分。
[0029]在圖3中,(a)表示需要拍攝的場景,可以看到,整個大場景可以被分割成24個小場景,這里類似于使用手機進行拍照時,手機界面上出現(xiàn)的3x3或4x4的網(wǎng)格,所要拍攝的場景可以看作是這9塊或16塊小場景的疊加。圖3(b),(c),(d)展示了成像平面A、成像平面B、成像平面C對圖3 (a)中場景成像的結(jié)果。根據(jù)圖像傳感器在成像平面A中的排列方式,從圖3(b)中可以看出,成像平面A對圖3(a)的場景中區(qū)域1、區(qū)域4、區(qū)域7、區(qū)域10、區(qū)域13、區(qū)域16、區(qū)域19、區(qū)域22進行了成像,其他區(qū)域沒有成像;根據(jù)圖像傳感器在成像平面B中的排列方式,從圖3(c)中可以看出,成像平面B對圖3(a)的場景中區(qū)域2、區(qū)域
5、區(qū)域8、區(qū)域11、區(qū)域14、區(qū)域17、區(qū)域20、區(qū)域23進行了成像,其他區(qū)域沒有成像;根據(jù)圖像傳感器在成像平面C中的排列方式,從圖3(d)中可以看出,成像平面C對圖3(a)的場景中區(qū)域3、區(qū)域6、區(qū)域9、區(qū)域12、區(qū)域15、區(qū)域18、區(qū)域21、區(qū)域24進行了成像,其他區(qū)域沒有成像。可以看出,只要成像平面A、成像平面B、成像平面C中的圖像傳感器位置排列適當(dāng),這三個成像平面所能成的像就不會有重疊區(qū)域,從而減少場景區(qū)域重疊所帶來的數(shù)據(jù)冗余。
[0030]雖然本裝置有三個成像平面,能夠得到三組不同的成像數(shù)據(jù),但是最終的生成結(jié)果卻需要像普通照相機一樣,只生成一幅場景圖,為此,需要將成像平面A、成像平面B、成像平面C得到的結(jié)果融合成為一幅圖像:
[0031]I)首先在計算機內(nèi)存中生成一幅尺寸大小為CMOS圖像傳感器所能支持的最大分辨率*圖像傳感器數(shù)量的空白圖像,成像平面A (6),成像平面B (9),成像平面C (I I)使用同一種CMOS圖像傳感器,例如:CM0S圖像傳感器支持的最大圖像分辨率為1920*1080,傳感器陣列排布為6*4,那么需要生成的圖像尺寸為(1920*6)*(1080*4)。
[0032]2)將每個成像平面所采集到的對場景區(qū)域所成的像直接填補到空白圖像中對應(yīng)的區(qū)域,例如,成像平面B中的第一塊CMOS圖像傳感器采集的場景區(qū)域需要放置到空白圖像中由(width, O), (width*2, O), (O, height), (width*2, heig 這 h) t 四個坐標(biāo)構(gòu)成的矩形中,其中,width表示圖像傳感器所能采集的圖像的寬度,height表示圖像傳感器所能采集到的圖像的高度。
【權(quán)利要求】
1.一種具有多成像平面的成像裝置,其特征在于包括遠光透鏡(I)、第一凸透鏡(2)、第二凸透鏡(3)、第一分光鏡(4)、第二分光鏡(7)、第一凹透鏡(5)、第二凹透鏡(8)、第三凹透鏡(10)、成像平面A(6)、成像平面B(9)、成像平面C(Il)和黑盒(12);遠光透鏡(I)位于黑盒(12)的入口處,光透鏡(I)、第一凸透鏡(2)、第二凸透鏡(3)、第一分光鏡(4)、第二分光鏡(7)、第三凹透鏡(10)和成像平面C(Il)安裝在同一軸心上;遠心透鏡(I)與第一凸透鏡(2)之間的間隔大于兩者焦距之差的絕對值且小于兩者焦距之和,第一凸透鏡(2)、第二凸透鏡(3)之間的間隔大于兩者焦距之差的絕對值且小于兩者焦距之和,第一分光鏡(4)與第二分光鏡(7)的間隔為第二凸透鏡(3)的I?2倍焦距,第一凹透鏡(5)與第一分光鏡(4)的間隔為第一凹透鏡(5)的I?2倍焦距,第二凹透鏡(8)與第二分光鏡(7)的間隔為第二凹透鏡(8)的I?2倍焦距;第一凹透鏡(5)與成像平面A(6)安裝在同一軸心上,兩者的間距為第一凹透鏡(5)焦距的I?2倍;第二凹透鏡(8)與成像平面B(9)安裝在同一軸心上,兩者的間距為第二凹透鏡(8)焦距的I?2倍;第三凹透鏡(10)與成像平面C(Il)安裝在同一軸心上,兩者的間距為第三凹透鏡(10)焦距的I?2倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有多成像平面的成像裝置,其特征在于所述的第一分光鏡(4)與入射光呈逆時針45°,第二分光鏡(7)與入射光呈逆時針135°。
3.一種利用權(quán)利要求1所述的具有多成像平面的成像裝置的成像方法,其特征在于步驟如下: 步驟1:光線進入遠心透鏡(1),遠心透鏡(I)將光線中同一場景中處于不同深度的物體的像映射到同一個平面上; 步驟2:經(jīng)過遠心透鏡后的光線進入由第一凸透鏡(2)、第二凸透鏡(3)組成的開普勒式望遠鏡系統(tǒng),第一凸透鏡(2)、第二凸透鏡(3)將遠距離場景拉近放大; 步驟3:拉近放大的像由第二凸透鏡(3)引導(dǎo)至第一分光鏡(4),第一分光鏡(4)對光線的光路作了改變:1/3光線被反射引導(dǎo)至第一凹透鏡(5),2/3光線穿過第一分光鏡(4)進入第二分光鏡(7); 步驟4:被引導(dǎo)至第一凹透鏡(5)的光線經(jīng)過第一凹透鏡(5)發(fā)散后被成像平面A(6)米集; 步驟5:透過第一分光鏡(4)進入第二分光鏡(7)的光線,1/2被反射引導(dǎo)至第二凹透鏡(8),1/2穿過第二分光鏡(7)被引導(dǎo)至第三凹透鏡(10); 步驟6:被引導(dǎo)至第二凹透鏡(8)的光線經(jīng)過第二凹透鏡(8)發(fā)散后被成像平面B (9)米集; 步驟7:透過第二分光鏡(7)的光線進入第三凹透鏡(10)發(fā)散后被成像平面C(Il)采集; 步驟8:將成像平面iU6)、成像平面B(9)、成像平面C(Il)采集到的場景區(qū)域填補到計算機所生成的空白圖像中對應(yīng)的區(qū)域,生成一幅場景圖,所述的空白圖像尺寸大小為CMOS圖像傳感器所能支持的最大分辨率*圖像傳感器數(shù)量。
【文檔編號】G02B13/22GK104166225SQ201410405020
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月18日
【發(fā)明者】張艷寧, 楊濤, 王斯丙, 馬文廣, 姚博偉 申請人:西北工業(yè)大學(xué)