[发明专利]基于计算像差补偿的宽视场高分辨率摄像设备及方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及光场成像、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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

根据本发明，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。