使用液晶微透镜的高分辨率三维重建双模相机

提出了一种基于液晶微透镜阵列的双模成像相机。该相机通过打开或者关闭加载在液晶微透镜阵列上的低频电压信号可以快捷地在传统平面成像模式和光场成像模式之间进行切换。液晶微透镜阵列通过常规紫外光刻和湿法刻蚀技术制作而成。通过将液晶微透镜阵列和感光传感器阵列以及主镜头耦合到一起,构造了一个双模成像相机的原型。通过该双模成像相机开展了相关实验,获取了同一目标物的光场图像和平面图像,并对孔径设计和两种工作模式下的景深进行了分析,给出了光场成像模式下目标物三维信息的计算方法,通过将三维光场数据和对应二维平面数据的信息进行融合获得了高分辨率三维图像。     

光场相机成像模型及参数标定方法综述

光场相机成像模型与参数标定方法是拓展光场应用的理论基础和关键环节,已成为计算光场领域的研究热点。不同于传统相机的成像原理,光场相机通过新颖的光学系统将场景中的光线按照某种给定关系与图像传感器像元进行对应,实现对三维空间中光线位置和角度信息的采样与记录,可通过计算摄影学恢复场景的三维结构。利用微透镜阵列分析了光场相机标定的成像模型和参数化模型,比较了不同物理参数设置对光场采样结果的影响;分析了光场相机的光线提取与校正方法、参数标定模型、误差定义与精度度量等主要问题,对光场相机参数标定方法进行了归纳和总结。     

四焦距聚焦型光场计算成像系统的设计

光场相机是一种在图像传感器前增加微透镜阵列的新型相机结构,除了记录不同位置下光的强度及颜色外,也记录不同位置下光线的方向信息,从而能够计算目标场景的深度图和高阶相位图。该技术由于景深和分辨率相互制约,获得大景深时分辨率会降低。分析了其结构特点并推导了景深和分辨率的关系,并就选定的设计参数绘制了变化曲线。在此基础上,提出了一种新型光场相机的设计方法,该结构基于具有四类焦距的微透镜阵列,可获得超大景深,同时将分辨率的下降程度控制在可接受范围。仿真结果表明:相对于三类焦距微透镜阵列,所设计的四类焦距微透镜阵列景深可提高三倍,而分辨率达到普通相机的18.9%。     

混合式光场相机在聚焦与非聚焦模式下的超分辨重聚焦仿真

光场描述了光在自由空间传播的全四维信息,光场相机可用来获得光场图像。在传统的光场相机中,最终获得图像的空间分辨率受限于微透镜阵列中透镜的个数。聚焦型光场相机相较于传统光场相机能够获得更高的空间分辨率,但是以牺牲其角度分辨率作为代价。在Zemax中建立了传统光场相机与将聚焦光场相机的成像模型,仿真获得了两种光场相机的光场图像,分析了两种不同类型光场相机采样模式的区别。提出将可变焦液体透镜阵列放置在光场相机中,可以同时获得聚焦和非聚焦两种模式下的光场图像。根据记录的光场信息,讨论了相应的重聚焦方法,计算仿真了在不同景深下的重聚焦图像,并提出了一种基于图像融合和超分辨率重构的方法来提高重聚焦图像的分辨率,最终在相同的景深范围内获得了3倍于传统光场相机分辨率的重聚焦图像。     

液晶微透镜阵列直接成像

针对传统显微镜结构复杂且视场角小等问题，提出一种两路低电压驱动的液晶微透镜阵列结构，透镜的焦距由3个电极控制，中间电极为圆孔阵列图案电极，作为孔径光阑以阻止微透镜外的杂散光。对该阵列的波前和光焦度进行了测试，搭建了一套简易液晶微透镜阵列直接成像系统，每个微透镜都对待观察物体的不同区域成像，通过近平行光照明减小相邻微透镜间的串扰，拼接所有单元图像得到完整图像。该系统无需额外的光学器件，结构简单紧凑。液晶微透镜阵列具有大视场，成像区域具备可扩展性，为实现大视场下的简易显微成像提供了新思路。     

基于微透镜阵列的光场显微测量方法研究

与传统成像技术相比,光场成像技术能够利用光场中光线的传播方向信息,采用计算成像的方式极大地提高成像系统的景深。而传统的光学显微镜分辨率越高,景深越小。文章结合光场成像技术和传统光学显微镜,通过在显微镜一次像面插入微透镜阵列,提高显微镜景深,实现光场的显微三维测量。该系统通过单次曝光即可获得光场的四维光场信息,通过数字重聚焦技术和清晰度评价函数完成光场显微测量。实验结果表明,基于微透镜阵列的光场显微测量方法是可行的。测量系统以牺牲16倍横向分辨率为代价,将显微镜头景深提高了近100倍。     

微透镜阵列的制作及其在光场成像中应用的研究进展

文章综述了微透镜阵列制备技术的最新研究进展,并将这些制备方法分为直接法和间接法进行了对比分析。回顾了微透镜在光场成像应用中的研究进展,指出目前该领域的研究重点是光场相机设计的新思路及提高分辨率的相应模型算法。     

基于微场镜阵列的红外光场中继成像系统

光场成像是一种通过采集光场信息和重聚焦计算而成像的方法。由于微透镜型光场相机的结构限制,为实现光学系统与探测器的耦合,一般采用改造探测器的方法,但不适用于红外光场相机。为此,提出了微场镜阵列结合中继透镜的新型结构。这种新型结构通过中继透镜对中间像面1:1成像,通过微场镜阵列改善中继透镜产生的渐晕。采用倾斜刃边法计算系统的调制传递函数曲线,对比直接耦合、中继透镜耦合以及新型结构耦合三种结构的像质。根据不同的重聚焦面,新型耦合结构在奈奎斯特频率下的曲线值相比于中继透镜耦合结构提升5%~240%,接近直接耦合结构。新型结构可在实现耦合的同时,避免系统像质的大幅度下降,可在红外光场相机中起到重要作用。     

基于不同微透镜阵列参数的集成成像微图像

提出一种基于不同微透镜阵列参数的集成成像微图像阵列生成方法。在该方法的拍摄过程中, 首先通过微透镜阵列1拍摄三维场景获得微图像阵列1, 再通过一个包括虚拟显示和虚拟拍摄两个步骤的像素映射算法, 生成与微图像阵列1参数不同的微图像阵列2。在显示过程中使用的微透镜阵列2与拍摄时的微透镜阵列1具有不同的参数, 微图像阵列2通过微透镜阵列2重建出全真的3D图像, 重建的3D图像没有图像缩放和畸变。同时本文还推导了微图像阵列1、2和微透镜阵列1、2各参数应满足的数学关系。实验结果验证了理论推导的正确性。     

基于不同微透镜阵列参数的集成成像微图像阵列生成方法

提出一种基于不同微透镜阵列参数的集成成像微图像阵列生成方法。在该方法的拍摄过程中,首先通过微透镜阵列1拍摄三维场景获得微图像阵列1,再通过一个包括虚拟显示和虚拟拍摄两个步骤的像素映射算法,生成与微图像阵列1参数不同的微图像阵列2。在显示过程中使用的微透镜阵列2与拍摄时的微透镜阵列1具有不同的参数,微图像阵列2通过微透镜阵列2重建出全真的3D图像,重建的3D图像没有图像缩放和畸变。同时本文还推导了微图像阵列1、2和微透镜阵列1、2各参数应满足的数学关系。实验结果验证了理论推导的正确性。     

液晶微透镜阵列在波前传感领域的应用概述

液晶微透镜阵列是利用液晶的电控双折射特性和微电子工艺制作的微光学元件,具有焦距可调、工作电压低甚至阵列数目、透镜孔径以及形状可调的优点,应用于哈特曼波前探测技术时可以有效提升哈特曼波前传感的动态探测能力,显示出良好的竞争力。简要概述了哈特曼波前传感技术和液晶微透镜阵列制作技术的发展、现状,对不同类型的液晶微透镜阵列制作技术的优缺点进行了分析,并着重介绍了基于液晶空间光调制器的微透镜阵列在波前探测领域的应用。     

液晶微透镜阵列研究进展

液晶微透镜阵列是基于微透镜光子技术和液晶技术而发展起来的学科交叉研究领域。就液晶微透镜阵列的工作原理、主要设计方法及其研究进展进行了论述,并对微透镜阵列的发展趋势及尚待解决的问题进行了总结。     

光学胶膜液体可变焦微透镜阵列

微透镜阵列在光束匀化、波前测量、集成成像等领域有广泛应用。设计了一种基于光学胶膜(Optically Clear Adhesive, OCA)的液体可变焦微透镜阵列。采用矩形排列的硅微孔阵列控制单个透镜的孔径和排布,并以OCA光学胶膜和去离子水作为微透镜阵列的塑形材料。通过调整微流体腔内液体注入的体积实现对透镜焦距从1.46~10.44 mm的调整。依据聚焦与成像实验证实了微透镜阵列具有良好的均匀性。最后,将该微透镜阵列应用于激光光束匀化整形,通过一对微透镜阵列实现了光束匀化整形。进一步通过固定一对微透镜阵列的间距实现匀化光斑尺寸在7.2~8.4 mm内可调,为匀化光斑尺寸可调提供了新思路。     

100% Fill-Factor Aspheric Microlens Arrays (AMLA) With Sub-20-nm Precision

Substitution of a single aspheric microlens (array) for a complex multilens system results in not only smaller size, lighter weight, compacter geometry, and even possibly lower cost of an optical system, but also significant improvement of its optical performance such as better imaging quality. However, fabrication of aspheric microlens or microlens array is technically challenging because conventional technologies used for macro-sized aspheres like single-point diamond milling, and those for spherical microlens like thermal reflow, are not capable of defining a complicated lens profile in an area as small as several to tens of micrometers. Here we solve the problem by using femtosecond laser micro-nanofabrication via two photon polymerization. Not only well-defined single lens, but also 100% filling ratio aspheric microlens array were readily produced. The average error of the lens profile is only 17.3 nm deviated from the theoretical model, the smallest error reported so far.      

Liquid crystal microlens arrays with switchable positive and negative focal lengths

A flat microlens array whose focal length can be switched from positive to negative by electric field is demonstrated experimentally and confirmed by computer simulations. To generate the required gradient refractive index, an inhomogeneous electric field is created by a spherical indium-tin-oxide (ITO) electrode which is imbedded in the top flat substrate. The bottom substrate has a planar ITO electrode on its inner surface. A thin polymeric layer is overcoated on top of the spherical ITO to create a flat surface. The disclination lines are eliminated. Because of the employed dual-frequency liquid crystal, the microlens array has fast response times.     

用于自适应红外焦平面探测器的液晶微透镜阵列

主要讨论了面阵电控液晶微透镜在设计、制作和测试等方面的若干关键性问题,主要包括:(一)进行了液晶结构电极间的电场分布仿真;(二)通过标准微电子工艺制作了原理性器件;(三)采用高斯激光束照射液晶结构,在改变驱动电压的情形下获得了所需要的电控光学干涉性能.所制作的阵列液晶微透镜具有制作工艺简单、器件紧凑、灵巧、功耗低、操作方便、易于匹配耦合与集成等特点.分析了将所发展的液晶微透镜技术用于改善和增强红外焦平面探测结构的光电性能等方面的问题.