專利名稱：數(shù)字成像系統(tǒng)，全光照光學設(shè)備及圖像數(shù)據(jù)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將plenoptic光學設(shè)備(例如，plenoptic相機)的圖像合成的數(shù)字成像系統(tǒng)。進一步地，本發(fā)明涉及一種包括數(shù)字成像系統(tǒng)的光學設(shè)備，如相機設(shè)備， 掃描設(shè)備，或者顯微鏡設(shè)備。另外，本發(fā)明還涉及一種將數(shù)字成像系統(tǒng)收集的圖像數(shù)據(jù)進行處理的圖像數(shù)據(jù)處理方法。具體地，本發(fā)明涉及一種利用相機進行發(fā)光攝影(plenoptic相機)的系統(tǒng)和一種能夠產(chǎn)生和顯示圖片及改變圖片清晰度的方法。
背景技術(shù)：
plenoptic相機(光場相機)是一種光領(lǐng)域中能夠采樣光分布和光方向的相機。 基于這些信息，圖像能夠通過焦點深度的增加而被收集和/或圖像能夠數(shù)字式再聚焦。在標準的plenoptic相機中，在圖像平面的前端設(shè)有一列顯微透鏡，例如，感光底片或光電傳感器陣列。這種設(shè)置不僅拍攝到集中于特殊平面上的光線，還可以拍攝到從透鏡散射出來的光線場(光場)。最后的圖像能夠通過原始數(shù)據(jù)并使用一種計算算法而生成，這也是為什么plenoptic相機被記錄為屬于計算圖像學領(lǐng)域。存在這樣的算法，可以從光場的不同焦平面中形成圖像并估算不同位置的場深度。以前公開的兩種plenoptic相機設(shè)計包括1、首次被Lippmann在1908年公開的標準plenoptic相機，也在國際專利WO 2007/092581 A2中描述及被Ren Ng等人在2005年2月的“斯坦福技術(shù)報告”中提及。這種plenoptic相機的有效分辨率如同所使用的多個微透鏡。2、首次被 Lumsdaine 和 Georgiev 于 2008 的技術(shù)報告中(A. Lumsdaine 和 T. Georgiev,全解析度光場算圖，技術(shù)報告，奧多比系統(tǒng)，2008年1月)公開及在美國申請專利US 2009/0041448 Al中描述的“聚焦plenoptic相機”。這些公開物中描述的這種設(shè)計能夠完成更好的有效的分辨率。但是，現(xiàn)有的理論沒有一條可以為plenoptic相機的可實現(xiàn)的有效分辨率進行分析計算。另外，傳統(tǒng)的繪制算法通過將圖像轉(zhuǎn)換成頻域而工作。一種改進的plenoptic相機和相關(guān)的算法在國際申請專利WO 2006/039486 A2中公開。結(jié)合標準的技術(shù)，這種plenoptic相機包括一個主透鏡、一個微透鏡陣列以及一個光電傳感器陣列，該光電傳感器陣列相對該微透鏡陣列具有更好的強度。該微透鏡陣列設(shè)于主透鏡的焦平面內(nèi)，包括了選擇的不同型號的微透鏡以使通過一個微透鏡的光線不會與通過另一個微透鏡的光線重疊。雖然不同的微透鏡可以獲取局部多樣的角分辨率，所有的微透鏡的焦點共用一個公共面(光電傳感器陣列平面)，即傳統(tǒng)plenoptic相機的所有微透鏡具有相同的焦距以拍攝無窮遠的虛像。因此，國際申請專利WO 2006/039486 A2中公開的 plenoptic相機的成像特性與標準的plenoptic相機的特性在本質(zhì)上是一樣的。所有傳統(tǒng)的plenoptic相機具有以下的不足當焦點深度隨著標準的提升而增大時，因為所利用微透鏡的數(shù)量，Plenoptic相機的有效分辨率的任何改進是有限的。發(fā)明目的本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有的plenoptic成像技術(shù)的不足，提供一種改進的用于將plenoptic光學設(shè)備進行圖像合成的數(shù)字成像系統(tǒng)。進一步地，本發(fā)明的另一個目的是提供一種包括數(shù)字成像系統(tǒng)的光學設(shè)備。另外，本發(fā)明的目的是提供一種改進的以將數(shù)字成像系統(tǒng)收集的圖像數(shù)據(jù)進行處理的圖像數(shù)據(jù)處理方法。

發(fā)明內(nèi)容
上述這些發(fā)明目的可由包含獨立權(quán)利要求全部特征的數(shù)字成像系統(tǒng)、光學設(shè)備和方法去實現(xiàn)。而從屬權(quán)利要求進一步限定了本發(fā)明的優(yōu)選的實施例和應(yīng)用。根據(jù)本發(fā)明上述的一個發(fā)明目的，提供了一種用于將plenoptic光學設(shè)備進行圖像合成的數(shù)字成像系統(tǒng)。該數(shù)字成像系統(tǒng)包括一個光電傳感器陣列和一個微透鏡陣列(第一微透鏡陣列，主微透鏡陣列)，該光電傳感器陣列包括多個排列在預定的圖像平面內(nèi)的光電傳感器，該微透鏡陣列包括多個微透鏡以引導物體發(fā)射出的光線射向該光電傳感器陣列，且該微透鏡陣列被設(shè)置在相對于該光電傳感器陣列的預定的垂直距離處。因此，該數(shù)字成像系統(tǒng)組合了光電傳感器陣列和微透鏡陣列。在本發(fā)明中，所述微透鏡陣列至少包括兩種不同焦距的微透鏡，而所述光電傳感器件陣列的圖像平面的設(shè)置，使光電傳感器件陣列與微透鏡陣列之間的距離不等于微透鏡的焦距。換句話說，所述微透鏡陣列中的多個微透鏡具有不同的焦距。所述微透鏡陣列具有多組微透鏡，每一組微透鏡具有同一個焦距，且不同組的微透鏡具有不同的焦距。另外，在本發(fā)明中，設(shè)置所述光電傳感器件陣列的圖像平面，使光電傳感器件陣列與微透鏡陣列之間的距離不等于微透鏡的焦距。綜合上述特征，本發(fā)明的數(shù)字成像系統(tǒng)還包括以下技術(shù)特征。首先，由于任一距離微透鏡圖像平面的微透鏡的焦距的偏差的存在，與現(xiàn)有技術(shù)的plenoptic相機形成在有限距離上的虛像相比，可在距離微透鏡的有限距離的圖像平面上形成一個虛像。用于形象的微透鏡具有有限的焦距。這種限制可通過帶不同焦距的微透鏡來克服，以覆蓋更大的焦距范圍。另外，由發(fā)明者首次公開的，相比現(xiàn)有技術(shù)的相機，提供了一種在有限距離的虛像成像的改進的方案。根據(jù)本發(fā)明的第二個發(fā)明目的，提供一種Plenppic光學設(shè)備，具體包括光學主透鏡和如前述滿足第一個發(fā)明目的數(shù)字成像系統(tǒng)。優(yōu)選地，所述數(shù)字成像系統(tǒng)的微透鏡陣列設(shè)于所述光學主透鏡的聚焦線上，用于將物體發(fā)射的并透過光學主透鏡的光線引導到所述光電傳感器件陣列上；以及為了使一組光線透過所述光學主透鏡的聚焦線的特定位置，設(shè)置多個光電傳感器件以感應(yīng)區(qū)分該組光線中同時以不同輻射角透過所述光學主透鏡的聚焦線的特定位置的不同光線。根據(jù)本發(fā)明的一個特定優(yōu)選實施例，本發(fā)明的Plenppic光學設(shè)備為相機設(shè)備(Plenppic相機)、掃描設(shè)備或顯微鏡設(shè)備。本發(fā)明是具體應(yīng)用時，所述數(shù)字成像系統(tǒng)的微透鏡陣列為一維或二維的微透鏡陣列(線性陣列或矩陣陣列)。由于所述多個微透鏡具有不同的焦距，帶有本發(fā)明的數(shù)字成像系統(tǒng)的Plenppic相機也被稱為多焦 Plenppic 相機(MFPC)。為了實現(xiàn)本發(fā)明的第三個發(fā)明目的，提供一種對如前述滿足第一個發(fā)明目的所述的數(shù)字成像系統(tǒng)收集的圖像數(shù)據(jù)進行圖像數(shù)據(jù)處理的方法。該方法包括以下步驟提供光電傳感器件陣列收集的原始圖像數(shù)據(jù)；提供一個預先設(shè)定的具有多個虛像點的虛像表面； 其中，對于每一所述虛像點，選擇一組微透鏡，基于該組微透鏡的焦距能夠獲得最大有效分辨率比以在光電傳感器件陣列上形成虛像點，將所述虛像點投影到所述微透鏡陣列平面上，探測出所選擇的微透鏡組的微圖像，所述微圖像影響虛像點的強度值，從原始圖像數(shù)據(jù)中挑選原始圖像點，所述原始圖像數(shù)據(jù)影響虛像點的強度值，以及從原始圖像點中探測出一個原始圖像強度的平均值。最后，生成一個包含每一虛像點的原始圖像強度平均值的數(shù)字圖像。具體地，以下對比指出Yi-Ren Ng和T odor Georgiev的plenoptic相機的不同之處。發(fā)明人已經(jīng)指出，對比使用同種焦距的微透鏡陣列，通過改變微透鏡陣列中的微透鏡焦距，能夠在視差量損失的情況下提高整體的有效分辨率。該plenoptic相機的設(shè)計方法可以應(yīng)用到具體的應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明的繪制方法允許任意的虛焦表面的重建，并優(yōu)選使其本身應(yīng)用到高平行數(shù)據(jù)處理的執(zhí)行中。對比傳統(tǒng)的plenoptic相機，特別地，本發(fā)明的數(shù)字成像系統(tǒng)中，因為微透鏡與圖像平面之間的距離等于微透鏡的焦距，以及計算出的圖像的最大分辨率與微透鏡陣列中的微透鏡數(shù)量一致，因此本發(fā)明的數(shù)字成像系統(tǒng)具有以下優(yōu)點。當本發(fā)明的數(shù)字成像系統(tǒng)中的多焦ρ 1 enoptic相機相比于標準的ρ 1 enoptic 相機形成更低的角分辨率，該多焦plenoptic相機(MFPC)相比于保留計算潛力的標準 plenoptic相機形成具有更高空間分辨率的圖像。例如，在多焦plenoptic相機(MFPC)的一個實施例中，相比于沒有微透鏡陣列的標準plenoptic相機，能獲得70倍高的分辨率和約6倍大的深度域。本發(fā)明的與標準的全光相機相比較大的有效分辨率使得MFPC在許多領(lǐng)域可用， 比如，攝影，自動工業(yè)檢查，3D攝影，3D視頻和人臉識別。根據(jù)數(shù)字成像系統(tǒng)較優(yōu)的實施方式，每個顯微透鏡的焦距從兩個或三個不通的焦距選擇。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，用兩個或三個不通的焦距可以達到焦深的很好的提高，然而，角坐標分辨率仍然很好的適應(yīng)標準相機，掃描機或顯微鏡應(yīng)用。替換地，每個顯微透鏡的焦距可以從超過三個不同的焦距中選擇。較優(yōu)地，數(shù)字成像系統(tǒng)可以根據(jù)相應(yīng)的操作條件優(yōu)化， 如得到焦深范圍的已定的擴大。根據(jù)數(shù)據(jù)成像系統(tǒng)的進一步較優(yōu)的實施方式，每個顯微透鏡的焦距不同于其每個最近的相鄰的顯微透鏡的焦距。有利地，該實施方式在圖像上形成角坐標分辨率的均勻分布。根據(jù)數(shù)據(jù)成像系統(tǒng)的特別較優(yōu)的實施方式，顯微透鏡可以調(diào)節(jié)以使得到連續(xù)的焦距范圍。第一，選擇顯微透鏡以使每個顯微透鏡提供取決于各個顯微透鏡的焦距的有效的分辨率和從顯微透鏡陣列的深度距離，且，第二，選擇顯微透鏡的焦距以使有效的分辨率在深度距離鄰近的范圍具有互補的極大值。顯微透鏡的這個調(diào)整(設(shè)計)基于如上所述的全光相機的光學性能的說明，其已經(jīng)被發(fā)明人第一次提出。如果顯微透鏡設(shè)置為在不同焦距的顯微透鏡陣列中的多組具有相等焦距的顯微透鏡提供規(guī)則網(wǎng)格，可以得到數(shù)字圖像系統(tǒng)的進一步改進。較優(yōu)地，顯微透鏡設(shè)置為具有相等焦距的顯微透鏡提供直角的或六邊形的網(wǎng)格，其在透鏡的幾何密度排列方面具有優(yōu)勢。根據(jù)數(shù)字成像系統(tǒng)的進一步較優(yōu)的實施方式，所有具有共同的焦距的顯微透鏡具有相同的透鏡直徑。尤其較優(yōu)的是其中所有顯微透鏡陣列的顯微透鏡具有相同直徑的實施方式。用這些實施方式，形成在2維圖像上提供具有相同的圖像參數(shù)，如分辨率或?qū)Ρ鹊膱D像。
典型地，顯微透鏡陣列固定地附著于光電傳感器陣列，以便設(shè)定相對于光電傳感器陣列的顯微透鏡陣列的已定的垂直距離。替換地，根據(jù)數(shù)字成像系統(tǒng)的另一個實施方式， 光電傳感器陣列和顯微透鏡陣列之間的距離可以通過數(shù)字成像系統(tǒng)的排列的控制調(diào)整?？梢蕴峁┳鳛槿缯障鄼C，掃描機或顯微鏡的一部分的控制排列包括光電傳感器陣列和顯微透鏡陣列的可變的或固定的連接。本發(fā)明的數(shù)字成像系統(tǒng)的另一個修改以至少一個補充的顯微透鏡陣列如第二顯微透鏡陣列，包括多個為從物體到第一顯微透鏡陣列的指向光的顯微透鏡為特征。用該實施方式，可以擴展全光照相機的功能。根據(jù)本發(fā)明進一步較優(yōu)的實施方式，數(shù)字成像系統(tǒng)提供有在電腦中設(shè)定為可編程的處理器，以提供圖像數(shù)據(jù)，具有光在光電傳感器陣列的不同光電傳感器感應(yīng)的功能的特征的合成圖像，光電傳感器相對于顯微透鏡陣列的位置和感應(yīng)光的入射角。


下面參考附圖進一步描述本發(fā)明的特征和優(yōu)點。在圖中圖1和圖2為傳統(tǒng)的不帶微透鏡陣列的標準相機的示例性示意圖。圖3和圖4為本發(fā)明的一種多焦點plenoptic相機的示例性示意圖。圖5 圖10為本發(fā)明基于的理論的示例性示意圖。圖11 圖15為對比本發(fā)明和傳統(tǒng)的相機的有效分辨率的圖形表示。圖16 圖19分別進一步顯示了本發(fā)明多焦點plenoptic相機的特征。圖20 圖27為微透鏡陣列的示例性示意圖。圖28為顯示了本發(fā)明的利用兩個沿光軸排列的微透鏡的plenoptic相機的示例性例子。圖四 圖31為本發(fā)明圖像數(shù)據(jù)處理方法的示例性示意圖。
具體實施例方式下面描述本發(fā)明數(shù)字成像系統(tǒng)和帶數(shù)字成像系統(tǒng)的plenoptic相機的具體實施例。需要強調(diào)的是，本發(fā)明的實施并不局限于這些示例性例子，還可以包括其他的 plenoptic光學設(shè)備，例如光學掃描設(shè)備或顯微鏡設(shè)備。當為光學掃描設(shè)備時，所述光電傳感器陣列，通常為線性陣列，可被本發(fā)明的數(shù)字成像設(shè)備代替，尤其被光電傳感器陣列和微透鏡陣列的組合代替。在這種情況下，下面描述的plenoptic相機所提及到的主透鏡可由光掃描器(圓柱形掃描透鏡)提供。而應(yīng)用到顯微鏡設(shè)備時，可將本發(fā)明的數(shù)字成像設(shè)備代替顯微鏡的光電傳感器陣列。在這種情況下，該plenoptic相機里的主透鏡所產(chǎn)生的虛像由光學顯微鏡形成。以下描述的光學設(shè)備的結(jié)構(gòu)僅延伸至所涉及的本發(fā)明的特征，而光學設(shè)備，如相機、掃描設(shè)備或顯微鏡設(shè)備等其他的光學上或結(jié)構(gòu)上的特征而由現(xiàn)有技術(shù)得知，在此省略描述。以下描述的本發(fā)明的優(yōu)選實施例中優(yōu)選為二維光電傳感器陣列(矩陣陣列)。 但需要強調(diào)的是，本發(fā)明的實施并不局限于這些結(jié)構(gòu)，還可以實施于一維光電傳感器陣列 (線性陣列)的對應(yīng)方式中。線性傳感器包括單行光電傳感器或多行光電傳感器以收集圖像的不同顏色強度，可視為矩陣或線性陣列。1.標準相機的成像在討論MFPC的概念前，首先介紹標準相機的圖像形成過程。圖1顯示了標準的相機的基本構(gòu)成。主透鏡110將其右邊的物體130發(fā)射的或反射的光線集中到其左邊的一個表面上，該光線可作為虛像131。由于該物體130沿光軸111變化，所述虛像131不是位于與光軸垂直的平面上。相關(guān)的圖像在給定的時間內(nèi)通過時空結(jié)合經(jīng)平面120上的光電傳感器測量的光照強度而形成，因此該光電傳感器平面120垂直光軸。在這些相關(guān)的圖像中，物體位于或靠近該光電傳感器平面120的部分才顯示清晰。也就是說，虛像131與光電傳感器平面120的交集為光學焦點圖像。為了最佳地將物體130的不同部分(發(fā)射的或反射的光線)集中到光電傳感器平面120上，主透鏡110必須沿著如圖中所示的箭頭112方向的光軸方向進行移動。圖2顯示了上述標準相機的光學原理。在討論帶顯微透鏡的相機結(jié)構(gòu)前，參考如圖2所示的簡單的標準相機結(jié)構(gòu)是有幫助的。主透鏡110通過將其右邊的物體130上的一點發(fā)射出的不同光線集中到其左邊的單個點上，從而形成其右邊的物體130上的該點的圖像。實際上，所述光纖并非集中到一個點上，但具有光強分布，且該光強分布依據(jù)整個圖像系統(tǒng)。這個光強分布通常被稱為點擴散函數(shù)(PSF)。點擴散函數(shù)的空間程度的最佳近似值可由以下公式獲得Sa:=XF， (1)其中，λ為光的波長，F(xiàn)為能夠進入圖像系統(tǒng)的光線數(shù)量的計算單位。F被稱為焦距比數(shù)，可限定為F·=^·(2)
ijI物體與預設(shè)的透鏡平面的距離為A，而距離該物體且沿著光軸的位置k可根據(jù)薄
透鏡等式計算出
111·— =--1--,(3)
h aI bI‘如果，如圖2所示，最佳像面I1與圖像平面Itl不一致，只要發(fā)散的投射光線到圖像平面上分散成多個像素，物體會變得模糊。這意味著標準的相機只能最佳地集中物體空間的單個平面到其圖像平面上。一種提高物體空間范圍以形成聚焦圖像的方法，是減少照相機光圈的尺寸，其后投射的光線從最佳焦距平面更慢地發(fā)散。限定將照相機光圈的尺寸減少到單個點，這樣整個物體空間可以準確對焦，但也仍有大量進入相機的光線是極微弱的。 在標準的攝像機中，需要在域深度和相機速度之間建立一個合適的中間物，即適當尺寸的照相機光圈。2.本發(fā)明多焦點plenoptic相機的成像圖3顯示了一種具有本發(fā)明數(shù)字成像設(shè)備200的多焦點plenoptic相機100的基本結(jié)構(gòu)。一個由多個微透鏡222構(gòu)成的微透鏡陣列221設(shè)于光電傳感器陣列的平面220 的前方。所選擇的微透鏡的直徑大于一個光電傳感器的直徑，這樣每一微透鏡能夠在多個光電傳感器上形成一個圖像。該光電傳感器陣列為CXD矩陣或包括如12，000, 000個光電傳感器的線性陣列。該微透鏡陣列221包括如47，604個微透鏡，且每一個微透鏡的直徑為 153 μ m以及焦距選擇為，例如M6 μ m，567 μ m和616 μ m。所有的顯微鏡具有相同的直徑，例如153 μ m。微透鏡陣列221與光電傳感器陣列為，例如765 μ m。由顯微鏡在光電傳感器平面上形成的圖像為微圖像。每一個微圖像由，如17個光電傳感器構(gòu)成。鄰近的微透鏡形成的微圖像會重疊。該微透鏡可以由透明玻璃或塑料制成并固定貼在光電傳感器上，這可從傳統(tǒng)的plenoptic相機中得知。例如機械框架的厚度構(gòu)成微透鏡陣列221與光電傳感器陣列之間的距離。主透鏡210形成物體230的虛像231。微透鏡陣列221的微透鏡作為小相機以記錄虛像的不同視圖。該多個不同的微圖像可用于計算模擬一個虛像平面232，以使聚焦成部分所述虛像的相關(guān)圖像與該虛像平面相交。為了將物體230的不同部分實現(xiàn)聚焦，只有使該虛像平面沿著如圖指示的光軸方向211移動。一旦完成計算，圖像被記錄后會被再聚焦。另外，該虛像平面232的形式并沒限制，也可模擬出一個任意形狀的虛像表面以代替該虛像平面232。這樣，就可以，例如用于將物體的所有部分都聚焦到相關(guān)圖像中。由于微透鏡具有一個有限的深度域，只有有限范圍的虛像空間能夠聚焦到光電傳感器平面上。因此需要使用不同焦距的微透鏡以擴展整個成像系統(tǒng)的深度域。每一組具有特定焦距的微透鏡將不同深度范圍的虛像聚焦到光電傳感器平面上。在一個實施例中，與使用帶同種微透鏡的微透鏡陣列相比，使用帶三種不同焦距類型的微透鏡的微透鏡陣列， 可獲得6倍大的深度域。雖然圖3顯示的虛像位于微透鏡陣列和主透鏡之間，該虛像也可以位于微透鏡陣列上或其左邊。部分虛像空間被微透鏡聚焦，依賴于其本身的焦距以及沿著光軸上的微透鏡陣列的位置。這種設(shè)計決策依賴于應(yīng)用本身。圖4顯示出本發(fā)明plenoptic相機的光學原理。主透鏡311形成物體340的虛像 341。該虛像形成于主透鏡311左邊的某位置上。該圖像為虛擬的，因此不會在光感應(yīng)器件平面上成形。該虛像需用通過微透鏡陣列322的微透鏡而被放映在光感應(yīng)器件平面330(圖像平面)上。請注意，微透鏡陣列322與光感應(yīng)器件平面330之間的距離并不等于微透鏡的焦距。另外，只有顯示出主要的發(fā)射光線穿過透鏡中心。實際上受透鏡影響的還有大量的光線。還要注意的是，一般來說要使用比圖4所示的三個微透鏡要多的微透鏡，且每個微透鏡具有不同的焦距。這種圖示僅僅是為了顯示清晰。圖下方顯示出當這種結(jié)構(gòu)在每一特定目標距離降低有效分辨率時，有效分辨率延伸到更大的范圍，從而使相比標準相機的光圈延伸至更大的深度域。物體340發(fā)射出的光被聚焦到虛像341上。微透鏡可能不一定能夠最佳地將虛像聚焦到光傳感器件平面330上。可以將最佳聚焦圖像平面342代替微透鏡設(shè)于距光傳感器件平面一定距離的位置上。這由微透鏡的焦距f、虛像與微透鏡陣列之間的距離決定。通過使用帶不同焦距的微透鏡的微透鏡陣列，不同距離的虛像也可以被同時聚焦到光傳感器件平面上。本發(fā)明的數(shù)字成像系統(tǒng)，利用plenoptic相機記錄的數(shù)據(jù)合成圖像，包括具有多個光電傳感器件的光電傳感器陣列或矩陣；光學裝置，具體包括主透鏡311和至少排列在主透鏡311的聚焦線上的微透鏡機構(gòu)322，以將物體發(fā)射出的光線引導到光電傳感器列或矩陣上，從而為每一微透鏡形成一個微圖像343 ；控制裝置(圖4未示)，具體用于在光電傳感器陣列和微透鏡機構(gòu)之間建立一個相對距離。其中，為了使一組光線通過主透鏡311 的焦線的特定部分，設(shè)置多個光電傳感器件在一個圖像平面330上以感應(yīng)同時到達主透鏡311的焦線的特定部分的光線組中的不同光線，以及將描述感應(yīng)到的光線特征的光數(shù)據(jù)輸出；還包括帶計算機程序的數(shù)據(jù)處理器，用于隨著不同光電傳感器件感應(yīng)到的光線，而提供描述合成圖像特征的圖像數(shù)據(jù)，光電傳感器件的位置與微透鏡機構(gòu)322有關(guān)，而感應(yīng)到的光線的入射角與主透鏡311的焦線有關(guān)，其中，每一個至少為一維結(jié)構(gòu)的微透鏡的焦距都各不相同。焦距比數(shù)MFPC設(shè)計上的一個重要限制為微圖像不應(yīng)該與光電傳感器件平面重疊。光電傳感器件上的如有兩個或以上的微透鏡圖像重疊，那么這些光電傳感器件不能用于計算相關(guān)圖像的計算結(jié)構(gòu)。為了確保微圖像具有最大的尺寸而不會導致重疊，至少使微透鏡和主透鏡的焦距比數(shù)逼近相等。在一列緊密排列的微透鏡中，這意味著，微透鏡的圖像尺寸必須小于或等同于微透鏡的直徑D。也就是說，其中，F(xiàn)為微透鏡的焦距比數(shù)，F(xiàn)l為主透鏡的焦距比數(shù)。一般地，由于B << Dl， 從而F F1。這樣，主透鏡成像系統(tǒng)和微透鏡成像系統(tǒng)的焦距比數(shù)逼近能夠一致?；诮o定的B、B^和^，可得最大的微透鏡直徑為D = . (5)同樣地，B =. (6)參考圖5，主透鏡的焦距比數(shù)為& = BL/Dl,而微透鏡的焦距比數(shù)為F = B/D。一般地，由于4 > > B且DL > > D，如果F = Fl,則微圖像422為最大尺寸且不會重疊。多樣性，全覆蓋平面如圖5和圖6所示，另一個重要的概念為全覆蓋平面430。圖5所示的通過微透鏡中心的中心射線為相應(yīng)的微圖像的邊界射線。例如，微透鏡421只將那些位于極限反射光線423、似4之間的虛像反射點反射到微圖像上。因此，全覆蓋平面430作為微透鏡平面 420的右邊的左全平面，且平面上的每一點至少被一個微透鏡反射。同樣，反射到微透鏡平面420的左邊的右全平面也是一個全覆蓋平面。圖5所示的是與光電傳感器件平面相同的左全覆蓋平面。同樣，一個雙重覆蓋平面431作為微透鏡平面420的右邊的左全平面，且平面上的每一點至少被兩個微透鏡反射。圖6進一步描述了全覆蓋平面的概念。透鏡上可見測試點數(shù)量由圖6所示的測試點與微透鏡平面之間的沿光軸方向距離決定。平面Ml為右全覆蓋界限，這意味著，到達平面Ml的或平面Ml的右邊上的所有點具有一個至少帶一個微圖像的圖像。同為圖像平面的平面I1為左全覆蓋界限，這意味著，到達平面I1的或平面I1的左邊上的所有點具有一個至少帶一個微圖像的圖像M_lt)平面M2(M_2)為雙重覆蓋界限，這意味著，到達平面M2(M_2)的或平面的右邊(左邊)上的所有點具有一個至少帶兩個微圖像的圖像。圖6清楚顯示出當中心透鏡移開時，全覆蓋界限為M2和M_2。值得注意的是，當中心透鏡移開時，并不影響將全覆蓋界限平面外的點形成一個圖像。減少的是潛在的視差數(shù)
10量，后面會具體描述。對于距離微透鏡平面為a的微透鏡隊列1D，多樣性M可定義為M = |a|/B。對于微透鏡陣列2D，在計算M的公式中，需要考慮額外的因素，例如由于通過圓圈鑲嵌而成的平面導致出現(xiàn)的差距。在2D中存在的僅僅兩個對稱的鑲嵌為圖7所示的矩形和圖8所示的六邊形。兩者的符號R均指示出平面上的一點到離它周圍最近的微透鏡中心的最大距離。 在矩形的情況下，可表示為
權(quán)利要求
1.一種用于將Plenoptic光學設(shè)備的圖像合成的數(shù)字成像系統(tǒng)，包括一光電傳感器件陣列，所述光電傳感器件陣列包括位于預定的圖像平面上的多個光電傳感器件；一微透鏡陣列，所述微透鏡陣列包括多個微透鏡，以將物體發(fā)射的光線引導到所述光電傳感器件陣列，其中所述光電傳感器件陣列與所述微透鏡陣列之間的距離為預先設(shè)定的；其特征在于所述微透鏡陣列中的多個微透鏡具有不同的焦距；以及設(shè)置所述光電傳感器件陣列的圖像平面，使光電傳感器件陣列與微透鏡陣列之間的距離不等于微透鏡的焦距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字成像系統(tǒng)，其特征在于，所述微透鏡陣列具有多組微透鏡，每一組微透鏡具有同一個焦距，且不同組的微透鏡具有不同的焦距。
3.根據(jù)權(quán)利要求中1或2所述的數(shù)字成像系統(tǒng)，其特征在于，每一所述微透鏡陣列包括兩種或三種不同的微透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求中1或2所述的數(shù)字成像系統(tǒng)，其特征在于，每一所述微透鏡陣列包括三種以上不同的微透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項所述的數(shù)字成像系統(tǒng)，其特征在于，每一微透鏡的焦距與鄰近的微透鏡的焦距不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5中任一項所述的數(shù)字成像系統(tǒng)，其特征在于，每一微透鏡提供一個有效分辨率比，所述有效分辨率比決定于每一微透鏡的焦距及與所述微透鏡陣列之間的寬度；所述微透鏡的焦距設(shè)置為可使有效分辨率比在所述寬度的鄰近范圍內(nèi)具有可互補的最大值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 6中任一項所述的數(shù)字成像系統(tǒng)，其特征在于，包括所述微透鏡陣列被設(shè)置帶相同焦距的微透鏡形成一個規(guī)格網(wǎng)格。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的數(shù)字成像系統(tǒng)，其特征在于，包括所述微透鏡陣列被設(shè)置帶相同焦距的微透鏡形成一個正交或多邊網(wǎng)格。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 8中任一項所述的數(shù)字成像系統(tǒng)，其特征在于，所述光電傳感器件陣列與所述微透鏡陣列之間設(shè)置一控制設(shè)備，所述控制設(shè)備包括連接所述光電傳感器件陣列與所述微透鏡陣列的可改變的或固定的連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1 9中任一項所述的數(shù)字成像系統(tǒng)，其特征在于，所述微透鏡陣列為一維或二維的微透鏡陣列。
11.根據(jù)權(quán)利要求1 10中任一項所述的數(shù)字成像系統(tǒng)，其特征在于，所述微透鏡陣列中的具有相同焦距的微透鏡的大小一致。
12.根據(jù)權(quán)利要求1 11中任一項所述的數(shù)字成像系統(tǒng)，其特征在于，所述微透鏡陣列中的所有微透鏡的大小一致。
13.根據(jù)權(quán)利要求1 12中任一項所述的數(shù)字成像系統(tǒng)，其特征在于，至少包括一輔助微透鏡陣列，所述輔助微透鏡陣列包括多個微透鏡，以將物體發(fā)射的光線引導到所述光電傳感器件陣列。
14.根據(jù)權(quán)利要求1 13中任一項所述的數(shù)字成像系統(tǒng)，其特征在于，包括帶計算機程序的數(shù)據(jù)處理器，用于隨著不同光電傳感器件感應(yīng)到的光線提供描述合成圖像特征的圖像數(shù)據(jù)，所述光電傳感器件的位置與微透鏡陣列及感應(yīng)到的光線的入射角有關(guān)。
15.Plenppic光學設(shè)備，其特征在于包括 一光學主透鏡；以及如前述權(quán)利要求中任何一個所述的數(shù)字成像系統(tǒng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的Plenppic光學設(shè)備，其特征在于，所述數(shù)字成像系統(tǒng)的微透鏡陣列設(shè)于所述光學主透鏡的聚焦線上，用于將物體發(fā)射的并透過光學主透鏡的光線引導到所述光電傳感器件陣列上；以及為了使一組光線透過所述光學主透鏡的聚焦線的特定位置，設(shè)置多個光電傳感器件以感應(yīng)區(qū)分該組光線中同時以不同輻射角透過所述光學主透鏡的聚焦線的特定位置的不同光線。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的Plenppic光學設(shè)備，其特征在于，為相機設(shè)備、掃描設(shè)備或顯微鏡設(shè)備。
18.一種對如權(quán)利要求1 14中任一項所述的數(shù)字成像系統(tǒng)或如權(quán)利要求15 17中任一項所述的Plenppic光學設(shè)備收集的圖像數(shù)據(jù)進行圖像數(shù)據(jù)處理的方法，其特征在于， 包括如下步驟提供光電傳感器件陣列收集的原始圖像數(shù)據(jù)； 提供一個預先設(shè)定的具有多個虛像點的虛像表面； 其中，對于每一所述虛像點，選擇一組微透鏡，基于該組微透鏡的焦距能夠獲得最大有效分辨率比以在光電傳感器件陣列上形成虛像點； 將所述虛像點投影到所述微透鏡陣列平面上； 探測出所選擇的微透鏡組的微圖像，所述微圖像影響虛像點的強度值； 從原始圖像數(shù)據(jù)中挑選原始圖像點，所述原始圖像數(shù)據(jù)影響虛像點的強度值； 從原始圖像點中探測出一個原始圖像強度的平均值；以及生成一個包含原始圖像強度平均值的數(shù)字圖像。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述虛像表面為虛像平面或適于成像物體的表面的一個表面。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的方法，其特征在于，所述生成數(shù)字圖像的步驟在不同的虛像表面重復進行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于將plenoptic光學設(shè)備的圖像合成的數(shù)字成像系統(tǒng)，包括一光電傳感器件陣列和一微透鏡陣列，所述光電傳感器件陣列包括位于預定的圖像平面上的多個光電傳感器件；所述微透鏡陣列包括多個微透鏡，以將物體發(fā)射的光線引導到所述光電傳感器件陣列，其中所述光電傳感器件陣列與所述微透鏡陣列之間的距離為預先設(shè)定的；所述微透鏡陣列中的多個微透鏡具有不同的焦距；以及設(shè)置所述光電傳感器件陣列的圖像平面，使光電傳感器件陣列與微透鏡陣列之間的距離不等于微透鏡的焦距。另外，還公開了一種Plenppic光學設(shè)備和對上述數(shù)字成像系統(tǒng)收集的圖像數(shù)據(jù)進行處理的方法。
文檔編號H04N13/00GK102439979SQ200980158906
公開日2012年5月2日 申請日期2009年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月22日
發(fā)明者烏利齊·帕瓦斯, 克里斯汀·帕瓦斯 申請人:雷特利克斯股份有限公司