本發(fā)明屬于計(jì)算光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種聚焦型光場(chǎng)相機(jī)的f數(shù)匹配方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)光場(chǎng)相機(jī)由ren與2005年最早提出，它是在主鏡頭和探測(cè)器之間放置了一個(gè)微透鏡陣列，其中探測(cè)器剛好處在微透鏡陣列的焦平面上，但這種相機(jī)的空間分辨率較低。目前關(guān)于光場(chǎng)相機(jī)的研究正在繁榮開(kāi)展，在圖像數(shù)字重聚焦、合成孔徑成像、光場(chǎng)顯微成像、物體三維外形重建、目標(biāo)深度估計(jì)、火焰三維溫度場(chǎng)測(cè)量、三維流場(chǎng)piv測(cè)量等領(lǐng)域開(kāi)始有些應(yīng)用。lumsdaine在傳統(tǒng)光場(chǎng)相機(jī)的基礎(chǔ)上提出了聚焦型光場(chǎng)相機(jī)的設(shè)計(jì)，探測(cè)器平面不再處于微透鏡陣列的焦平面上，降低了傳統(tǒng)光場(chǎng)相機(jī)的方向分辨率，而提高了其空間分辨率，目前關(guān)于聚焦型光場(chǎng)相機(jī)的研究還不多見(jiàn)。

由于微透鏡陣列的存在，會(huì)導(dǎo)致主透鏡光瞳的分割，在探測(cè)器平面上形成若干子孔徑圖像，這些圖像對(duì)應(yīng)了方向信息。每個(gè)微透鏡后覆蓋的像素?cái)?shù)與主透鏡光闌直徑存在一個(gè)匹配關(guān)系，若主透鏡光闌直徑過(guò)大則導(dǎo)致微透鏡后覆蓋的像素重疊，從而喪失光場(chǎng)相機(jī)的方向分辨特征；若主透鏡光闌直徑過(guò)小則導(dǎo)致微透鏡后覆蓋的像素?cái)?shù)太少，很多像素接收不到光線，造成探測(cè)器像素的大量浪費(fèi)。為了最大限度的利用探測(cè)器像素，讓每個(gè)微透鏡覆蓋像素范圍剛好相切，即f數(shù)匹配。

關(guān)于傳統(tǒng)光場(chǎng)相機(jī)的f數(shù)匹配問(wèn)題，由于光學(xué)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，f數(shù)匹配問(wèn)題已經(jīng)得到很好的解決。聚焦型光場(chǎng)相機(jī)的光場(chǎng)分布復(fù)雜，其f數(shù)匹配的研究沒(méi)有達(dá)成共識(shí)，很多學(xué)者任然采用傳統(tǒng)光場(chǎng)相機(jī)的f數(shù)匹配方法，然后通過(guò)在所計(jì)算得到的主透鏡光闌直徑上乘以一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來(lái)確定。本發(fā)明提出一種聚焦型光場(chǎng)相機(jī)的f數(shù)匹配方法，摒棄目前采用的經(jīng)驗(yàn)方法，根據(jù)聚焦型光場(chǎng)相機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)幾何光學(xué)的方法分析出聚焦型光場(chǎng)相機(jī)的幾個(gè)重要幾何參數(shù)之間所滿足的匹配的關(guān)系，導(dǎo)出滿足f數(shù)匹配時(shí)主鏡頭光闌直徑與相機(jī)其它幾何參數(shù)的直接關(guān)系。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明摒棄目前聚焦型光場(chǎng)相機(jī)f數(shù)匹配的經(jīng)驗(yàn)方法，根據(jù)聚焦型光場(chǎng)相機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)幾何光學(xué)的方法分析出聚焦型光場(chǎng)相機(jī)的幾個(gè)重要幾何參數(shù)之間所滿足的匹配的關(guān)系，導(dǎo)出滿足f數(shù)匹配時(shí)主鏡頭光闌直徑與相機(jī)其它幾何參數(shù)的直接關(guān)系。

為實(shí)現(xiàn)上述的技術(shù)目的，本發(fā)明將采取如下的技術(shù)方案：

一種聚焦型光場(chǎng)相機(jī)的f數(shù)匹配方法，根據(jù)聚焦型光場(chǎng)相機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)幾何光學(xué)的方法，分析出聚焦型光場(chǎng)相機(jī)的各重要幾何參數(shù)之間所滿足的匹配的關(guān)系，導(dǎo)出滿足f數(shù)匹配時(shí)，主鏡頭光闌直徑d與聚焦型光場(chǎng)相機(jī)其它幾何參數(shù)的直接關(guān)系；其中，在進(jìn)行聚焦型光場(chǎng)相機(jī)的幾何光學(xué)分析時(shí)，所涉及的重要幾何參數(shù)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(gè)數(shù)nm×nn、探測(cè)器像素?cái)?shù)ni×nj、探測(cè)器的像素大小δ、微透鏡平面和探測(cè)器平面的距離lmc；對(duì)于給定的聚焦型光場(chǎng)相機(jī)，上述的重要幾何參數(shù)為已知參數(shù)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，通過(guò)判斷微透鏡平面和探測(cè)器平面的距離lmc與微透鏡的焦距f之間的關(guān)系，得到虛擬像平面相對(duì)于主透鏡、微透鏡平面的位置，進(jìn)而得到虛擬像平面處于不同位置時(shí)，主鏡頭光闌直徑d與聚焦型光場(chǎng)相機(jī)其它幾何參數(shù)的直接關(guān)系，具體是：

當(dāng)lmc＞f時(shí)：

lmm＝lmi+lmi

當(dāng)lmc＜f時(shí)：

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(gè)微透鏡對(duì)應(yīng)虛擬像平面的邊長(zhǎng)、d為微透鏡直徑。

本發(fā)明的另一技術(shù)目的是提供另一種聚焦型光場(chǎng)相機(jī)的f數(shù)匹配方法，該方法的具體步驟為：

步驟一：根據(jù)聚焦型光場(chǎng)相機(jī)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(jù)微透鏡平面和探測(cè)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(jù)微透鏡的個(gè)數(shù)nm×nn和探測(cè)器像素?cái)?shù)ni×nj，確定每個(gè)微透鏡后覆蓋的像素?cái)?shù)n×n：

步驟四：根據(jù)每個(gè)微透鏡后覆蓋的像素?cái)?shù)n×n和探測(cè)器的像素大小δ，確定每個(gè)微透鏡后覆蓋的像素面積lm×lm：

lm×lm＝nδ×nδ(4)

步驟五：根據(jù)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(cè)器平面的距離lmc和每個(gè)微透鏡后覆蓋的像素面積lm×lm，確定每個(gè)微透鏡對(duì)應(yīng)的虛擬像平面的面積li×li：

步驟六：判斷微透鏡平面和探測(cè)器平面的距離lmc與微透鏡焦距之間的關(guān)系，若lmc＞f，則虛擬像平面應(yīng)處于主透鏡和微透鏡平面之間；若lmc＜f，則虛擬像平面應(yīng)處于探測(cè)器平面后方；

步驟七：當(dāng)lmc＞f時(shí)，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(jù)幾何光學(xué)的原理，主透鏡光闌直徑d、每個(gè)微透鏡對(duì)應(yīng)虛擬像平面的邊長(zhǎng)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(yīng)滿足以下關(guān)系：

進(jìn)一步得到主透鏡光闌直徑d與聚焦型光場(chǎng)相機(jī)其他參數(shù)之間的關(guān)系：

當(dāng)lmc＜f時(shí)，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(jù)幾何光學(xué)的原理，主透鏡光闌直徑d、每個(gè)微透鏡對(duì)應(yīng)虛擬像平面的邊長(zhǎng)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(yīng)滿足以下關(guān)系：

進(jìn)一步得到主透鏡光闌直徑d與聚焦型光場(chǎng)相機(jī)其他參數(shù)之間的關(guān)系：

有益效果：它拋棄現(xiàn)有聚焦型光場(chǎng)相機(jī)主透鏡光闌直徑通過(guò)傳統(tǒng)光場(chǎng)相機(jī)f數(shù)匹配法則計(jì)算再乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的方法，從理論推導(dǎo)上得出聚焦型光場(chǎng)相機(jī)主透鏡光闌直徑與相機(jī)其它幾何參數(shù)之間的直接關(guān)系，相比較傳統(tǒng)方法本發(fā)明所提供方法得到的結(jié)果穩(wěn)定、可靠，它可為聚焦型光場(chǎng)相機(jī)的計(jì)算重聚焦、目標(biāo)深度信息提取、采樣特性數(shù)值模擬及光場(chǎng)相機(jī)組裝調(diào)試提供技術(shù)基礎(chǔ)。

附圖說(shuō)明

圖1是微透鏡和探測(cè)器距離大于微透鏡焦距時(shí)聚焦型光場(chǎng)相機(jī)f數(shù)匹配示意圖。

圖2是微透鏡和探測(cè)器距離小于微透鏡焦距時(shí)聚焦型光場(chǎng)相機(jī)f數(shù)匹配示意圖。

圖3是f數(shù)匹配時(shí)聚焦型光場(chǎng)相機(jī)所得白圖像。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。

對(duì)于給定對(duì)象的聚焦型光場(chǎng)相機(jī)，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(gè)數(shù)nm×nn、探測(cè)器像素?cái)?shù)ni×nj、探測(cè)器的像素大小δ、微透鏡平面和探測(cè)器平面的距離lmc為已知參數(shù)。

實(shí)施例1

假設(shè)某聚焦型光場(chǎng)相機(jī)的幾何參數(shù)和光學(xué)參數(shù)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(gè)數(shù)nm×nn＝8×8、探測(cè)器像素?cái)?shù)ni×nj＝128×128、探測(cè)器的像素大小δ＝7.4μm、微透鏡平面和探測(cè)器平面的距離lmc為440μm。

一種聚焦型光場(chǎng)相機(jī)的f數(shù)匹配方法，該方法的具體步驟為：

步驟一：根據(jù)聚焦型光場(chǎng)相機(jī)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(jù)微透鏡平面和探測(cè)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(jù)微透鏡的個(gè)數(shù)nm×nn和探測(cè)器像素?cái)?shù)ni×nj，確定每個(gè)微透鏡后覆蓋的像素?cái)?shù)n×n。

步驟四：根據(jù)每個(gè)微透鏡后覆蓋的像素?cái)?shù)n×n和探測(cè)器的像素大小δ，確定每個(gè)微透鏡后覆蓋的像素面積lm×lm。

lm×lm＝nδ×nδ＝118.4μm×118.4μm(4)

步驟五：根據(jù)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(cè)器平面的距離lmc和每個(gè)微透鏡后覆蓋的像素面積lm×lm，確定每個(gè)微透鏡對(duì)應(yīng)的虛擬像平面的面積li×li。

步驟六：判斷微透鏡平面和探測(cè)器平面的距離lmc與微透鏡焦距之間的關(guān)系，lmc＞f，則虛擬像平面應(yīng)處于主透鏡和微透鏡平面之間，如附圖1所示，執(zhí)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(jù)幾何光學(xué)的原理，主透鏡光闌直徑d、每個(gè)微透鏡對(duì)應(yīng)虛擬像平面的邊長(zhǎng)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(yīng)滿足一下關(guān)系：

進(jìn)一步可以得到主透鏡光闌直徑d與聚焦型光場(chǎng)相機(jī)其他參數(shù)之間的關(guān)系：

該光場(chǎng)相機(jī)在以上光學(xué)參數(shù)和幾何參數(shù)下的白圖像如附圖3所示。

實(shí)施例2

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處僅在于，改變了微透鏡平面和探測(cè)器平面的距離lmc，使得微透鏡平面和探測(cè)器平面的距離lmc＝360μm。則在匹配該聚焦型光場(chǎng)相機(jī)的f數(shù)時(shí)，步驟一至五均與實(shí)施例1相同，不同之處在于，在進(jìn)行步驟六中，判斷微透鏡平面和探測(cè)器平面的距離lmc與微透鏡焦距之間的關(guān)系時(shí)，本實(shí)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(jù)幾何光學(xué)的原理，主透鏡光闌直徑d、每個(gè)微透鏡對(duì)應(yīng)虛擬像平面的邊長(zhǎng)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(yīng)滿足一下關(guān)系：

進(jìn)一步可以得到主透鏡光闌直徑d與聚焦型光場(chǎng)相機(jī)其他參數(shù)之間的關(guān)系：