聚焦型光場相機的F數匹配方法與流程
2023-10-17 17:54:24 1
本發明屬於計算光學成像技術領域，具體涉及一種聚焦型光場相機的f數匹配方法。
背景技術：
傳統光場相機由ren與2005年最早提出，它是在主鏡頭和探測器之間放置了一個微透鏡陣列，其中探測器剛好處在微透鏡陣列的焦平面上，但這種相機的空間解析度較低。目前關於光場相機的研究正在繁榮開展，在圖像數字重聚焦、合成孔徑成像、光場顯微成像、物體三維外形重建、目標深度估計、火焰三維溫度場測量、三維流場piv測量等領域開始有些應用。lumsdaine在傳統光場相機的基礎上提出了聚焦型光場相機的設計，探測器平面不再處於微透鏡陣列的焦平面上，降低了傳統光場相機的方向解析度，而提高了其空間解析度，目前關於聚焦型光場相機的研究還不多見。
由於微透鏡陣列的存在，會導致主透鏡光瞳的分割，在探測器平面上形成若干子孔徑圖像，這些圖像對應了方向信息。每個微透鏡後覆蓋的像素數與主透鏡光闌直徑存在一個匹配關係，若主透鏡光闌直徑過大則導致微透鏡後覆蓋的像素重疊，從而喪失光場相機的方向分辨特徵；若主透鏡光闌直徑過小則導致微透鏡後覆蓋的像素數太少，很多像素接收不到光線，造成探測器像素的大量浪費。為了最大限度的利用探測器像素，讓每個微透鏡覆蓋像素範圍剛好相切，即f數匹配。
關於傳統光場相機的f數匹配問題，由於光學結構相對簡單，f數匹配問題已經得到很好的解決。聚焦型光場相機的光場分布複雜，其f數匹配的研究沒有達成共識，很多學者任然採用傳統光場相機的f數匹配方法，然後通過在所計算得到的主透鏡光闌直徑上乘以一個經驗係數來確定。本發明提出一種聚焦型光場相機的f數匹配方法，摒棄目前採用的經驗方法，根據聚焦型光場相機結構特點，通過幾何光學的方法分析出聚焦型光場相機的幾個重要幾何參數之間所滿足的匹配的關係，導出滿足f數匹配時主鏡頭光闌直徑與相機其它幾何參數的直接關係。
技術實現要素：
本發明摒棄目前聚焦型光場相機f數匹配的經驗方法，根據聚焦型光場相機的結構特點，通過幾何光學的方法分析出聚焦型光場相機的幾個重要幾何參數之間所滿足的匹配的關係，導出滿足f數匹配時主鏡頭光闌直徑與相機其它幾何參數的直接關係。
為實現上述的技術目的，本發明將採取如下的技術方案：
一種聚焦型光場相機的f數匹配方法，根據聚焦型光場相機的結構特點，通過幾何光學的方法，分析出聚焦型光場相機的各重要幾何參數之間所滿足的匹配的關係，導出滿足f數匹配時，主鏡頭光闌直徑d與聚焦型光場相機其它幾何參數的直接關係；其中，在進行聚焦型光場相機的幾何光學分析時，所涉及的重要幾何參數包括：工作距離l、主透鏡的焦距f、微透鏡的焦距f、微透鏡直徑d、微透鏡的個數nm×nn、探測器像素數ni×nj、探測器的像素大小δ、微透鏡平面和探測器平面的距離lmc；對於給定的聚焦型光場相機，上述的重要幾何參數為已知參數。
作為本發明的進一步改進，通過判斷微透鏡平面和探測器平面的距離lmc與微透鏡的焦距f之間的關係，得到虛擬像平面相對於主透鏡、微透鏡平面的位置，進而得到虛擬像平面處於不同位置時，主鏡頭光闌直徑d與聚焦型光場相機其它幾何參數的直接關係，具體是：
當lmc＞f時：
lmm＝lmi+lmi
當lmc＜f時：
lmm＝lmi-lmi
式中：lmm為主透鏡平面和微透鏡平面之間的距離；lmi為微透鏡平面和虛擬像平面之間的距離，lmi為主透鏡平面和虛擬像平面之間的距離，li為每個微透鏡對應虛擬像平面的邊長、d為微透鏡直徑。
本發明的另一技術目的是提供另一種聚焦型光場相機的f數匹配方法，該方法的具體步驟為：
步驟一：根據聚焦型光場相機的工作距離l和主透鏡的焦距f，利用高斯成像公式可以求得主透鏡平面和虛擬像平面之間的距離lmi：
步驟二：根據微透鏡平面和探測器平面的距離lmc和微透鏡的焦距f，利用高斯成像公式可以求得微透鏡平面和虛擬像平面之間的距離lmi。
步驟三：根據微透鏡的個數nm×nn和探測器像素數ni×nj，確定每個微透鏡後覆蓋的像素數n×n：
步驟四：根據每個微透鏡後覆蓋的像素數n×n和探測器的像素大小δ，確定每個微透鏡後覆蓋的像素麵積lm×lm：
lm×lm＝nδ×nδ(4)
步驟五：根據微透鏡平面和虛擬像平面之間的距離lmi、微透鏡平面和探測器平面的距離lmc和每個微透鏡後覆蓋的像素麵積lm×lm，確定每個微透鏡對應的虛擬像平面的面積li×li：
步驟六：判斷微透鏡平面和探測器平面的距離lmc與微透鏡焦距之間的關係，若lmc＞f，則虛擬像平面應處於主透鏡和微透鏡平面之間；若lmc＜f，則虛擬像平面應處於探測器平面後方；
步驟七：當lmc＞f時，主透鏡平面和微透鏡平面之間的距離lmm可由下式求得：
lmm＝lmi+lmi(6)
根據幾何光學的原理，主透鏡光闌直徑d、每個微透鏡對應虛擬像平面的邊長li、微透鏡直徑d、微透鏡平面和虛擬像平面之間的距離lmi和主透鏡平面和微透鏡平面之間的距離lmm應滿足以下關係：
進一步得到主透鏡光闌直徑d與聚焦型光場相機其他參數之間的關係：
當lmc＜f時，主透鏡平面和微透鏡平面之間的距離lmm可由下式求得：
lmm＝lmi-lmi(9)
根據幾何光學的原理，主透鏡光闌直徑d、每個微透鏡對應虛擬像平面的邊長li、微透鏡直徑d、微透鏡平面和虛擬像平面之間的距離lmi和主透鏡平面和微透鏡平面之間的距離lmm應滿足以下關係：
進一步得到主透鏡光闌直徑d與聚焦型光場相機其他參數之間的關係：
有益效果：它拋棄現有聚焦型光場相機主透鏡光闌直徑通過傳統光場相機f數匹配法則計算再乘以經驗係數的方法，從理論推導上得出聚焦型光場相機主透鏡光闌直徑與相機其它幾何參數之間的直接關係，相比較傳統方法本發明所提供方法得到的結果穩定、可靠，它可為聚焦型光場相機的計算重聚焦、目標深度信息提取、採樣特性數值模擬及光場相機組裝調試提供技術基礎。
附圖說明
圖1是微透鏡和探測器距離大於微透鏡焦距時聚焦型光場相機f數匹配示意圖。
圖2是微透鏡和探測器距離小於微透鏡焦距時聚焦型光場相機f數匹配示意圖。
圖3是f數匹配時聚焦型光場相機所得白圖像。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例，進一步闡述本發明。應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改落於本申請所附權利要求所限定的範圍。
對於給定對象的聚焦型光場相機，一般工作距離l、主透鏡的焦距f、微透鏡的焦距f、微透鏡直徑d、微透鏡的個數nm×nn、探測器像素數ni×nj、探測器的像素大小δ、微透鏡平面和探測器平面的距離lmc為已知參數。
實施例1
假設某聚焦型光場相機的幾何參數和光學參數如下：工作距離l＝1m、主透鏡的焦距f＝50mm、微透鏡的焦距f＝400μm、微透鏡直徑d＝114μm、微透鏡的個數nm×nn＝8×8、探測器像素數ni×nj＝128×128、探測器的像素大小δ＝7.4μm、微透鏡平面和探測器平面的距離lmc為440μm。
一種聚焦型光場相機的f數匹配方法，該方法的具體步驟為：
步驟一：根據聚焦型光場相機的工作距離l和主透鏡的焦距f，利用高斯成像公式可以求得主透鏡平面和虛擬像平面之間的距離lmi。
步驟二：根據微透鏡平面和探測器平面的距離lmc和微透鏡的焦距f，利用高斯成像公式可以求得微透鏡平面和虛擬像平面之間的距離lmi。
步驟三：根據微透鏡的個數nm×nn和探測器像素數ni×nj，確定每個微透鏡後覆蓋的像素數n×n。
步驟四：根據每個微透鏡後覆蓋的像素數n×n和探測器的像素大小δ，確定每個微透鏡後覆蓋的像素麵積lm×lm。
lm×lm＝nδ×nδ＝118.4μm×118.4μm(4)
步驟五：根據微透鏡平面和虛擬像平面之間的距離lmi、微透鏡平面和探測器平面的距離lmc和每個微透鏡後覆蓋的像素麵積lm×lm，確定每個微透鏡對應的虛擬像平面的面積li×li。
步驟六：判斷微透鏡平面和探測器平面的距離lmc與微透鏡焦距之間的關係，lmc＞f，則虛擬像平面應處於主透鏡和微透鏡平面之間，如附圖1所示，執行步驟七。
步驟七：主透鏡平面和微透鏡平面之間的距離lmm可由下式求得：
lmm＝lmi+lmi＝57mm(6)
根據幾何光學的原理，主透鏡光闌直徑d、每個微透鏡對應虛擬像平面的邊長li、微透鏡直徑d、微透鏡平面和虛擬像平面之間的距離lmi和主透鏡平面和微透鏡平面之間的距離lmm應滿足一下關係：
進一步可以得到主透鏡光闌直徑d與聚焦型光場相機其他參數之間的關係：
該光場相機在以上光學參數和幾何參數下的白圖像如附圖3所示。
實施例2
本實施例與實施例1的不同之處僅在於，改變了微透鏡平面和探測器平面的距離lmc，使得微透鏡平面和探測器平面的距離lmc＝360μm。則在匹配該聚焦型光場相機的f數時，步驟一至五均與實施例1相同，不同之處在於，在進行步驟六中，判斷微透鏡平面和探測器平面的距離lmc與微透鏡焦距之間的關係時，本實施例中，lmc＜f，則主透鏡平面和微透鏡平面之間的距離lmm可由下式求得：
lmm＝lmi-lmi＝48.2mm(9)
根據幾何光學的原理，主透鏡光闌直徑d、每個微透鏡對應虛擬像平面的邊長li、微透鏡直徑d、微透鏡平面和虛擬像平面之間的距離lmi和主透鏡平面和微透鏡平面之間的距離lmm應滿足一下關係：
進一步可以得到主透鏡光闌直徑d與聚焦型光場相機其他參數之間的關係：