光场成像设备轴向分辨率测定装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种光场成像设备轴向分辨率测定装置与方法，在光场成像设备的光轴方向上，以相互遮挡率低于50％的方式放置两个以上的标记靶板，确保标记靶板在光场成像设备视野范围内，并采用光场成像设备获取标记靶板经过凸透镜组件放大后的虚像。本发明专利技术适合具有较大轴向成像范围的光场成像装置使用，对光场成像设备轴向分辨率的理论可测定范围从零至无穷远，具有体积小结构紧凑的优点，有利于对不同光场成像系统的性能进行分析和比对，且便于在其他特定的光场成像应用系统中进行集成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及数字成像、计算摄影、图像处理、计算机视觉领域，具体涉及到光场采集装置的性能评价及参数标定。本专利技术的装置和方法可用于对光场成像设备(特别是双平面模型光场成像设备)的轴向分辨率进行测定。
技术介绍
近年来，结合现代光学成像理论与视觉图像计算理论的计算摄影学被认为是数字成像领域的又一次革命性创新。光场成像理论作为计算摄影学的代表性理论之一，实现了创新性的可交互式图像生成。1996年，美国研究人员提出采用一组平行双平面来记录空间中光线的位置和角度信息，并将一台相机安装在移动机械臂上首次实现了对四维光场的采集，参见Levoy等的研究论文Levoy M,Hanrahan P.Light field rendering.Proceedings of conference on Computer graphics and interactive techniques.pp.31-42,1996.光场成像系统能够实现传统成像系统难以获得的效果，如数字重聚焦、视点变换、可控景深、场景深度可计算等。2005年，斯坦福大学博士Ren Ng采用傅立叶变换理论在频域中实现了光场重聚焦的快速计算，并设计了基于微透镜阵列的集成式光场相机，即Plenoptic 1.0。由于采用Plenoptic 1.0存在图像分辨率较低的问题，Adobe公司研究人员对Plenoptic 1.0的设计进行了改进，将光场相机中的微透镜阵列改为Plenoptic 2.0的聚焦式设计，其优势在于其能够灵活调整角度与图像分辨率。在Plenoptic 2.0的基础上，德国Raytrix公司研究人员采用更高质量的成像器件设计出满足工业与科研用途的专业光场相机，该产品具有较高的图像分辨率。以光场成像理论为基础，国内外多家公司及科研机构设计了如相机阵列、微透镜阵列光场相机、光场显微镜等不同种类光场成像系统，其最重要优势之一在于具有“先拍摄，后聚焦”的数字重聚焦能力。2010年以来，Adobe、Lytro、Raytrix、Nokia、Toshiba、Pelican等公司分别推出了各自面向消费电子市场的便携式光场成像系统。现有光场成像系统仍存在图像分辨率较低、数字重聚焦能力不足的问题。如美国Lytro公司采用Plenoptic1.0设计的第一代光场相机，以1100万像素的传感器捕捉光场，却仅获得了70万像素分辨率的光场图像。2014年该公司又发布了传感器升级为4000万像素的Illum光场相机，但是其可输出图像分辨率也仅为400万像素。为了获取更高的图像分辨率，德国Raytrix公司设计了聚焦式光场相机Plenoptic2.0。但是，聚焦式光场相机提升图像分辨率的代价是降低了光场成像轴向分辨率(后文简称：轴向分辨率，Axial resolution)。光场轴向分辨率可定义为沿主光轴方向相邻重聚焦图像的聚焦区域成像差异不可分辨的最大间隔。轴向分辨率被认为是衡量光场重聚焦精度与成像系统特性的重要指标，反映光场成像系统的重聚焦能力。光场轴向分辨率对于需要高轴向观测精度的应用领域尤为重要，如2014年，Prevedel等提出一种采用高倍率的显微成像硬件系统结合提升轴向分辨率的光场成像3D去卷积方法，实现了对生物神经活动的显微观测，其研究成果发表在当年的Nature杂志上，参见Prevedel R,Yoon Y.G,Hoffmann M,et.al.Simultaneous whole-animal 3D imaging of neuronal activity using light-field microscopy.Nature-Methods.Vol11,pp:727-730,2014。针对光场成像设备的轴向分辨率，国外研究人员从信号处理角度分析了信号先验、采样噪声及光学复用对光场成像系统分辨率及成像特性的影响，并采用波动光学模型分析了光场采样模式对图像分辨率与轴向分辨率的影响。虽然光场成像的聚焦面可以数字化设定，但光场设备的离散采样模式与硬件规格限制，使得光场的轴向分辨率存在理论上限。与图像分辨率随轴向位置变化而成线性变化不同，光场成像设备轴向分辨率随轴向位置变化并非符合线性关系。不同种类的光场成像设备由于设计和成像部件参数存在差异，其轴向分辨率自然存在不同。对于同一种光场成像设备，由于其成像部件生产、加工和安装存在误差，设备轴向分辨率特性曲线与理论又有一定差异，因此需要对不同光场成像设备的轴向分辨率进行测定。为了测量成像系统轴向分辨率，现有方法大多选取了已知几何结构的三维样本，通过对样本进行直接测量而评定系统整体轴向分辨率。例如，对医用CT扫描成像系统轴向分辨率进行样本螺旋切片测定的方法，参见Flohr TG,Stierstorfer K,Ulzheimer S,et al.Image reconstruction and image quality evaluation for a 64 slice CT scanner with z flying focal spot.Med Phys,Vol32,pp：2536-2547,2005.又如，利用三维分辨率板对光学相干层析(OCT)成像设备进行轴向分辨率测量的方法，参见一种用于OCT性能评价的三维分辨率板及其使用方法，中国专利，CN103932682A，2014。然而，上述对成像系统轴向分辨率进行测量的方法所采用装置大小固定，对测量成像系统轴向分辨率的范围有一定限制，因此均不适合对光场成像系统轴向分辨率进行测定。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种对光场成像设备进行轴向分辨率测定的装置和方法，采用基于图像的差异对比方法，能够解决对不同光场成像设备轴向分辨率曲线的快速计算问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种光场成像设备轴向分辨率测定装置，包括凸透镜组件、标记靶板和光场成像设备，在光场成像设备的光轴方向上，以相互遮挡率低于50％的方式放置两个以上的标记靶板，确保标记靶板在光场成像设备视野范围内，并采用光场成像设备获取标记靶板经过凸透镜组件放大后的虚像。所述的凸透镜组件由一个光学凸透镜或多个互相配合的光学透镜组成，能够沿光场成像设备主透镜光轴方向移动，凸透镜组件的大小覆盖光场成像设备的视场范围。所述的标记靶板采用各自颜色和图案不同的靶板，各个标记靶板之间的距离以及标记靶板与凸透镜组件间的距离均能够连续调节。所述的标记靶板在其表面的水平方向与垂直方向上印刻有图案，所述的图案经凸透镜组件放大后被光场成像设备捕捉，且图案中除线条交汇点外，不同线条的间隔不小于1个像素。所述的标记靶板位于凸透镜组件的一倍焦距以内。所述的凸透镜组件在成像过程中物距、相距和焦距的关系满足高斯成像公式。本专利技术还提供一种光场成像设备轴向分辨率测定方法，包括以下步骤：步骤1，光场成像设备通过一次拍摄获取各个标记靶板虚像；在标记靶板之间的轴向间隔范围内选择不同的轴向位置进行数字重聚焦成像；若不同轴向位置的数字重聚焦结果存在差异，则认为不同标记靶板相距的轴向间隔内具有成像可分辨性质；若不同轴向位置的数字重聚焦成像结果不存在差异，则不同标记靶板相距的轴向最大间隔范围内，成像结果不具有可分辨性质；步骤2，对于不同的虚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光场成像设备轴向分辨率测定装置，包括凸透镜组件、标记靶板和光场成像设备，其特征在于：在光场成像设备的光轴方向上，以相互遮挡率低于50％的方式放置两个以上的标记靶板，确保标记靶板在光场成像设备视野范围内，并采用光场成像设备获取标记靶板经过凸透镜组件放大后的虚像。

【技术特征摘要】
1.一种光场成像设备轴向分辨率测定装置，包括凸透镜组件、标记靶板和光场成像设备，其特征在于：在光场成像设备的光轴方向上，以相互遮挡率低于50％的方式放置两个以上的标记靶板，确保标记靶板在光场成像设备视野范围内，并采用光场成像设备获取标记靶板经过凸透镜组件放大后的虚像。2.根据权利要求1所述的光场成像设备轴向分辨率测定装置，其特征在于：所述的凸透镜组件由一个光学凸透镜或多个互相配合的光学透镜组成，能够沿光场成像设备主透镜光轴方向移动，凸透镜组件的大小覆盖光场成像设备的视场范围。3.根据权利要求1所述的光场成像设备轴向分辨率测定装置，其特征在于：所述的标记靶板采用各自颜色和图案不同的靶板，各个标记靶板之间的距离以及标记靶板与凸透镜组件间的距离均能够连续调节。4.根据权利要求1所述的光场成像设备轴向分辨率测定装置，其特征在于：所述的标记靶板在其表面的水平方向与垂直方向上印刻有图案，所述的图案经凸透镜组件放大后被光场成像设备捕捉，且图案中除线条交汇点外，不同线条的间隔不小于1个像素。5.根据权利要求1所述的光场成像设备轴向分辨率测定装置，其特征在于：所述的标记靶板位于凸透镜组件的一倍焦距以内。6.根据权利要求1所述的光场成像设备轴向分辨率测定装置，其特征在于：所述的凸透镜组件在成像过程中物距、相距和...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖照林，王庆，周果清，李秀秀，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61