[发明专利]可变焦三维成像系统

说明书

一种可变焦三维成像系统，该系统由可变焦微透镜阵列和成像探测器构成。可变焦微透镜阵列由具有弹性膜的液体透镜排列组合构成，通过控制充入液体体积来控制弹性膜的表面形状，从而实现控制其焦距大小的功能。根据应用需求，可变焦液体透镜排列方式可以是正四边形排列、正六边形排列。成像探测器可以是电感耦合探测器或互补金属氧化物半导体探测器。改变可变焦微透镜阵列的焦距，能够改变成像探测器记录的被测物体的景深以及位置信息。该系统在多尺度三维成像和显示等领域具有重要的应用价值。

技术领域

本发明属于微纳光学和光学成像领域，涉及微光学器件、光场成像以及集成光学，特别是一种可变焦三维成像系统。

背景技术

光场成像技术是从光的波长、位置、方向、偏振、时间等在内的光场全要素出发，获取并利用光场信息进行成像、三维测量或显示的一类技术。传统成像方式压缩了诸多光场参数，包括传输方向、波长、相位等在内的光场信息，这些光场信息通常携带着诸多重要场景目标信息，传统成像这种降维采样的方式获取信息的局限性越来越突出，因此光场的研究具有十分重要的意义。与传统成像方式相比，光场成像技术通过同时控制或记录包含位置和传播方向在内的多维度光学参量，光场的基本表述模型以及在此基础上发展出的各种光场采集以及控制方法，可极大地改变成像、测量以及显示的方式，在日常生活、工业测量、自动驾驶、军事国防、生命科学研究、增强现实等方向上都有非常大的发展和应用前景。然而，光场成像系统也有需要解决的不足，当前利用微透镜阵列的光场三维成像系统受限于有限的成像范围和较低的分辨率。为了克服成像范围有限的问题，可调光学元件开始被应用于光场三维成像系统。

发明内容

本发明目的是为解决光场三维成像中成像深度有限且成像区域不可变的问题，提供一种基于可变焦微透镜阵列的可变焦三维成像系统。

本发明提出利用可变焦液体透镜，通过微纳加工方法实现液体透镜的阵列化和微型化，得到可变焦微透镜阵列，并利用其收集物体光场信息，实现可变焦的三维成像功能。

所述的可变焦三维成像系统主要由可变焦微透镜阵列和成像探测器组成，成像具体过程包括：

(1)利用微透镜阵列收集物体的光场信息，并利用成像探测器记录；

(2)通过控制变焦微透镜阵列充入液体体积改变其焦距，从而收集不同位置物体的光场信息，并利用成像探测器记录；

(3)结合收集到的不同位置的物体的光场信息对物体进行三维重建。

所述的可变焦三维成像系统基于基于光场渲染理论，即空间中光线的方向分布和位置分布就是光场，使用两个互相平行的平面与光线的交点坐标对光场函数进行参数化表征，即四维光场函数

L＝L(u，v，s，t)

其中，L代表光线强度，(u，v)和(s，t)分别表示为光线与两个平面的交点坐标，L(u，v，s，t)就是该光场的一个采样。

所述的可变焦三维成像系统，利用可变焦微透镜阵列对光场信息进行采样并记录在成像探测器中，通过改变液体微透镜阵列施加的电压来控制液体表面张力，从而实现液体透镜轮廓的变化，实现微透镜阵列的变焦，并利用变焦后的微透镜阵列重新进行光场信息的采集，以得到物体不同深度的光场信息。

所述的可变焦三维成像系统，当改变微透镜阵列的焦距时，可以改变成像物体位置，改变前后物面位置变化满足高斯光学：

其中，g为成像探测器与微透镜阵列的间距，f₁′和f₂′分别为改变前后微透镜阵列的焦距，l₁和l₂分别为改变前后成像物体与微透镜阵列的间距。