基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像设备及方法技术

本发明专利技术提供了一种基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像设备及方法。根据本发明专利技术的一种基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像设备包括：光学输入模块、扫描微透镜阵列模块和成像模块；其中，光学输入模块包括光学镜头；扫描微透镜阵列模块包括位移装置和微透镜阵列；成像模块包括像感器；其中，光学输入模块通过任意的光学镜头对场景进行拍摄来收集光学信息，扫描微透镜阵列模块通过位移装置带动微透镜阵列进行周期性移动扫描，并进一步传播光学镜头收集的光学信息至成像模块中的像感器上。

Wide field and high resolution camera equipment and method based on calculated aberration compensation

【技术实现步骤摘要】
基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像设备及方法
本专利技术涉及光场成像、相空间成像领域以及宏观光学成像领域，具体涉及一种基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像设备及方法。
技术介绍
近年来，超高像素数目成像逐渐进入人们的视野。随着机器视觉、无人机、高清监视系统等行业或设备的普及与扩散，人们对于高分辨率、大像素数目成像的需求日益明显。决定成像系统成像质量或成像分辨率的三方面限制条件如下：一是像感器的采样率：普遍流行的像感器时下主要分为CCD和CMOS两类，将像素数目做多，像元尺寸做小都有利于更高清的分辨率图像生成；二是系统的光学衍射极限：根据瑞利分辨率判据，成像系统中各透镜的数值孔径决定了系统的分辨能力；三是像差，像差普遍存在于自然环境中，比如大气的散射等。同时像差也存在于镜头之中，由于镜头属于人工磨制的器件，会存在与理论光学中的理想透镜模型的偏差。另一方面，随着镜头尺寸的逐渐增大，理想光学系统中的近轴光学理论不再适用，离轴光线的轨迹难以像近轴光线那样易于预测。以上三点都限制了系统的成像能力，进一步地，阻拦十亿像素成像的发展。得益于工业的发展，光学系统可以达到的衍射极限已经足以满足我们宏观场景拍摄的需求，同时也有足够的工艺制作出大面阵小像元尺寸的高分辨率像感器。而阻拦这些工艺进一步发展的正是像差的存在。物理模型上，随着单镜头尺寸的增长，像差会随之逐步提升。因此随着像素数目的提升、有效像素数目会被限制在一个有限的尺度上。在这样的条件下，无论如何增加像感器的像素数目或是镜头的数值孔径，图像都很难进一步提升分辨率与清晰度。在这样的条件下，十亿像素的发展经历了两个阶段。第一个阶段通过缩小光学孔径尺寸，减小像差的存在，可以突破原有普通相机的有效像素数目局限。但这种方案会导致通光量减小，曝光时间增大，信噪比大幅度降低。第二个阶段通过多镜头拍摄拼接，形成十亿像素成像。该种方案通过增多镜头数目的方式减小像差随单镜头尺寸增大而相应增大的幅度，比减小孔径的方式更好的突破了像差限制，达到较好的成像效果。但该两种方案都没有实际上解决像差的问题，可以达到的最佳成像效果也远远小于光学衍射极限性能。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像技术。这个系统通过微透镜阵列同时采集到光线的角度信息和空间信息，进一步在相位空间融合不同角度的同一场景的图像，并矫正像差。另一方面该系统还具有获得高于像感器分辨率图像的功能，用低像素数目的相机拍摄获得高像素数目的图像。根据本专利技术，提供了一种基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像设备包括：光学输入模块、扫描微透镜阵列模块和成像模块；其中，光学输入模块包括光学镜头；扫描微透镜阵列模块包括位移装置和微透镜阵列；成像模块包括像感器；其中，光学输入模块通过任意的光学镜头对场景进行拍摄来收集光学信息，扫描微透镜阵列模块通过位移装置带动微透镜阵列进行周期性移动扫描，并进一步传播光学镜头收集的光学信息至成像模块中的像感器上。优选地，扫描微透镜阵列模块的微透镜阵列通过扫描收集空间信息以及角度信息，用于像感器的数字计算像差补偿算法和图像重建算法的计算。优选地，光学镜头处于对焦状态或者处于在预定的散焦范围，微透镜阵列放置在光学镜头的后焦面处，像感器处于微透镜阵列的后焦点的预定轴向范围内。优选地，微透镜阵列摆放在镜头的像点处，在获得镜头采集光照的空间信息同时获得光束的角度信息。优选地，扫描微透镜模块的扫描速度与成像模块中像感器的采集速度匹配。优选地，微透镜阵列的尺寸刚好覆盖像感器有效采集区域面积。优选地，光学输入模块中光学镜头的数值孔径与微透镜阵列中每个微透镜的数值孔径相匹配。优选地，在周期性移动扫描中，每次扫描周期以单个微透镜覆盖的像素数目为依据，像感器采集一个周期内每次移动对应的拍摄图像，以通过数字算法矫正像差，重建清晰图像。优选地，基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像设备还包括：处理单元，用于通过数字自适应算法，将光场数据重新排列成不同光入射角度的相空间图像用于矫正像差并结合计算出的理想点扩散函数或直接标定而得的点扩散函数，重建获得大于等于原图像分辨率的无像差图像或视频。根据本专利技术，还提供了一种基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像方法，包括：建立上述基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像设备的仿真模型，根据系统需求设计微透镜阵列的尺寸，同时仿真计算出物空间的点扩散图像以及相空间的理想点扩散函数；利用上述仿真模型参数，拍摄包含一个或多个扫描周期的光场数据；通过数字自适应算法，将光场数据重新排列成不同光入射角度的相空间图像用于矫正像差并结合计算出的理想点扩散函数或直接标定而得的点扩散函数，重建获得大于等于原图像分辨率的无像差图像或视频。优选地，在拍摄包含一个或多个扫描周期的光场数据时，选择拍摄的场景后，光学输入模块收集目标场景的光束，对扫描微透镜阵列模块和成像模块中相机的帧率以及微透镜阵列的扫描速度进行调整，再通过像感器进行成像。本专利技术提出了一种基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像技术。区别于普通的光场相机，本专利技术通过微透镜阵列的扫描补偿了因为采集角度信息而损失的空间信息。通过不同角度信息的采集，经过数字图像处理，获得不同光线角度的成像图案。进而经过计算像差补偿算法，消除像差，再融合成一幅没有像差的图像。本专利技术的另一优势是突破像感器像素数目的限制，达到衍射极限分辨率对应的像素数目。通过调整微透镜阵列扫描过程中移动的步长，再经过算法处理，可以得到高于原图像或视频分辨率、像素数目更多的图像或视频。同样，通过这种方式重建的高分辨率图像或视频也是没有像差的。本专利技术提升了宏观摄像系统的成像性能，使得普通的相机突破像差的限制，达到衍射极限分辨率。附图说明结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本专利技术有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：图1示意性地示出了根据本专利技术优选实施例的基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像设备的系统框图。图2示意性地示出了根据本专利技术优选实施例的基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像设备的结构示意图。图3示意性地示出了根据本专利技术优选实施例的基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像方法的流程图。图4为根据本专利技术一个实施例来实现去像差功能的效果图。图5为根据本专利技术一个实施例来实现提高成像分辨率的效果图。需要说明的是，附图用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。具体实施方式为了使本专利技术的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本专利技术的内容进行详细描述。<第一实施例>图1示意性地示出了根据本专利技术优选实施例的基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像设备的系统框图。图2示意性地示出了根据本专利技术优选实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像设备，其特征在于包括：光学输入模块、扫描微透镜阵列模块和成像模块；其中，光学输入模块包括光学镜头；扫描微透镜阵列模块包括位移装置和微透镜阵列；成像模块包括像感器；其中，光学输入模块通过任意的光学镜头对场景进行拍摄来收集光学信息，扫描微透镜阵列模块通过位移装置带动微透镜阵列进行周期性移动扫描，并进一步传播光学镜头收集的光学信息至成像模块中的像感器上。/n

【技术特征摘要】
20191115 CN 20191112642221.一种基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像设备，其特征在于包括：光学输入模块、扫描微透镜阵列模块和成像模块；其中，光学输入模块包括光学镜头；扫描微透镜阵列模块包括位移装置和微透镜阵列；成像模块包括像感器；其中，光学输入模块通过任意的光学镜头对场景进行拍摄来收集光学信息，扫描微透镜阵列模块通过位移装置带动微透镜阵列进行周期性移动扫描，并进一步传播光学镜头收集的光学信息至成像模块中的像感器上。


2.根据权利要求1所述的基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像设备，其特征在于，扫描微透镜阵列模块的微透镜阵列通过扫描收集空间信息以及角度信息，用于像感器的数字计算像差补偿算法和图像重建算法的计算。


3.根据权利要求1或2所述的基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像设备，其特征在于，光学镜头处于对焦状态或者处于在预定的散焦范围，微透镜阵列放置在光学镜头的后焦面处，像感器处于微透镜阵列的后焦点的预定轴向范围内。


4.根据权利要求1或2所述的基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像设备，其特征在于，微透镜阵列摆放在镜头的像点处，在获得镜头采集光照的空间信息同时获得光束的角度信息。


5.根据权利要求1或2所述的基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像设备，其特征在于，扫描微透镜模块的扫描速度与成像模块中像感器的采集速度匹配。


6.根据权利要求1或2所述的基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像设备，其特征在于，微透镜阵列的尺寸刚好覆盖像感器有效采...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴嘉敏，方璐，郭钰铎，肖红江，熊博，
申请(专利权)人：北京超放信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11