光场相机的制作方法

本发明涉及一种光学装置，且特别涉及一种光场相机。

背景技术：

光场技术透过镜头与透镜阵列的结合，使光场相机所记录到影像具有位置及角度资讯。举例来说，所记录到影像在经影像处理前或处理后所得各个光场子影像具有视差，这些具备角度资讯的影像经过处理后，可使影像具备事后对焦、选择性对焦、全对焦、多视角、物件分离等效果。光场相机的基本架构可大致分为镜头阵列(cameraarray)、非聚焦型光场(non‐focusedlightfield)与聚焦型光场(focusedlightfield)三种。

在非聚焦型光场相机中，透镜阵列与影像感测器的距离为透镜阵列的焦距，且透镜阵列放置于主镜头的焦距上。在这种光学结构下，透镜阵列中不同子透镜下所对应到相同相对位置的像素即具备了相同或相近的角度资讯。透过影像处理将各个相同或相近的像素资料进行处理后，即可计算出不同角度资讯的光场子影像。与镜头阵列架构雷同，这些光场子影像的像素数相较于影像感测器总像素数量为低，且若要有更多不同角度资讯的光场子影像，则各个光场子影像的像素数则会随角度资讯增多而降低。透过对各个角度资讯的低解析度子影像进行处理后，可对影像产生再对焦、选择性对焦、深度影像、多视角等功效。

聚焦型光场相机则可视为镜头阵列与非聚焦型光场的结合。在光学架构上与非聚焦型光场相机相同，但透镜阵列并非放置于主镜头的焦聚位置上，而是聚焦于透镜阵列前方或后方。此时透镜阵列作用就如同镜头阵列型的光场相机，对主镜头的成像进行再成像。因此在聚焦型光场相机中，所记录到影像与镜头阵列型相近。各个光场子影像具备视差，并透过影像处理后同样可获得与其他两种型态的光场相机相同的影像效果。

在光场相机中，不论是聚焦型或非聚焦型，在现有技术中为了达到良好的子影像涵盖效果，通常会设计系统中光学元件(即主镜头与透镜阵列) 的光圈匹配。举例而言，现有技术的主镜头采用的是变焦镜头。在变焦时通常会改变主镜头的光圈值及位置。为了避免主镜头变焦所衍生的光场子影像尺寸变化，因此现有技术采用恒定光圈的变焦镜头来解决此问题。虽然透过此特殊光圈特性的镜头，可使光场子影像尺寸变化降低，却也限制了光场镜头的选择性。

因此，现有技术为了使光场子影像的尺寸变异维持在一个相对较小的范围内，除了可使用具备恒定光圈特性的主镜头外，亦可透过对主镜头的额外控制使其光圈大小随主镜头变焦状态而变，或是透镜阵列在主镜头变焦时亦同步改变其与影像感测器的距离。但这种方法针对使用具备固定焦距特性的主镜头时，并无法在使用相同透镜阵列的条件下，使光场相机影像具备改变视角大小的效果，并同时控制光场子影像的变化量于一可接受的范围。另外，若搭配具变焦特性的主镜头，通常经处理后的光场影像的视角被主镜头变焦范围所限制，无法产生额外的视角改变效果。

“背景技术”段落只是用来帮助了解本

技术实现要素：
，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中普通技术人员所知道的公知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表所述内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被所属技术领域中普通技术人员所知晓或认知。

发明内容

本发明提供一种光场相机，可降低其光场子影像的变异，也就是维持影像尺寸大小限定于一定的范围内。

本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。

为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种光场相机，其包括透镜模组、光场感测器以及位置调整器。光场感测器包括透镜阵列以及影像感测元件。透镜模组设置在物侧与像侧之间。透镜模组用于产生中间影像。透镜阵列设置在透镜模组与像侧之间。透镜阵列用于依据中间影像来产生光场影像。影像感测元件设置在像侧。影像 感测元件用于感测光场影像。位置调整器用于调整光场感测器的位置。当光场感测器在第一位置时，光场影像包括第一光场子影像。当光场感测器在第二位置时，光场影像包括第二光场子影像。透镜阵列的焦距fmla与透镜模组的出瞳位置距离(pexp)的关系满足

基于上述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的实施例中，光场感测器在不同位置所拍摄的光场子影像，其尺寸比值符合预设的条件标准。因此，光场相机可降低其光场子影像的变异。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是示出本发明一实施例的光场相机的概要示意图。

图2是示出图1实施例的光场感测器感测子影像的概要示意图。

图3及图4分别是示出图1实施例的位置调整器不同视角的概要示意图。

图5及图6分别是示出图1实施例的光场相机，其光场感测器位在第一位置及第二位置的概要示意图。

图7是示出本发明一实施例的第一光场子影像的概要示意图。

图8及图9分别是示出本发明不同实施例的第二光场子影像的概要示意图。

图10及图11分别是示出本发明一实施例的光场相机的光场感测器在第一位置及第二位置所输出的光场子影像的概要示意图。

图12及图13分别是示出本发明一实施例的光场相机的光场感测器在第一位置及第二位置所输出的光场影像的概要示意图。

图14及图15分别是示出本发明另一实施例的光场相机的光场感测器在第一位置及第二位置所输出的光场子影像的概要示意图。

图16及图17分别是示出本发明另一实施例的光场相机的光场感测器在第一位置及第二位置所输出的光场影像的概要示意图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1是示出本发明一实施例的光场相机的概要示意图。图2是示出图1实施例的光场感测器感测子影像的概要示意图。请参考图1及图2，本实施例的光场相机100包括透镜模组110、光场感测器120以及位置调整器130。光场感测器120包括透镜阵列122以及影像感测元件124。在本实施例中，透镜模组110设置在物侧os与像侧is之间。透镜模组110用于产生中间影像m1。透镜模组110具有出瞳直径d。透镜模组110例如是定焦镜头或变焦镜头。在本实施例中，透镜模组110包括主镜头。主镜头例如包括一个或多个非平面光学镜片或平面光学镜片与非平面光学镜光学镜片的组合。非平面光学镜片例如包括双凹透镜、双凸透镜、凹凸透镜、凸凹透镜、平凸透镜以及平凹透镜等非平面镜片的各种组合。本发明对透镜模组110的主镜头的型态及其包括透镜的种类并不加以限制。

在本实施例中，透镜阵列122设置在透镜模组110与像侧is之间。透镜阵列122用于依据中间影像m1来产生光场影像。透镜阵列122例如是选自折射型微透镜阵列以及衍射型微透镜阵列两者其中之一。本发明对透镜阵列122的型态及其种类不加以限制。

在本实施例中，影像感测元件124设置在像侧is。影像感测元件124用于感测光场影像。影像感测元件124例如包括电荷耦合元件影像感测器(chargecoupleddeviceimagesensor，ccdimagesensor)或互补式金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)影像感测器等类似的装置，本发明并不限于此。

请参考图2，在光场相机领域中，透镜阵列122的视角(view)是指一个物体200可以被光场相机以不同的角度进行观察，或者如影像感测元件124的几个感测区域感测到的子影像，如图2所示。物体200透过透镜阵列122成像在影像感测元件124的感测区域内。因此，透镜阵列122的每个子透镜可以在影像感测元件124对应的感测区域内形成子影像sm2。在此例中，子影像sm2共有5个，这表示透镜阵列122有5个视角，且在 不同位置的透镜阵列122可以拍到物体200不同角度的光场子影像。在图2中，为了清楚表示子影像sm2，影像感测元件124是沿着光轴a的方向由物侧os朝向像侧is示出，可参照图1。此外，图1及图2所示出的透镜阵列122的子透镜的数量以及影像感测元件124的感测区域的数量仅用以例示说明，本发明并不限于此。

图3及图4分别是示出图1实施例的位置调整器不同视角的概要示意图。在本实施例中，位置调整器130用于调整光场感测器120的位置，例如从第一位置调整至第二位置。图5及图6分别是示出图1实施例的光场相机，其光场感测器位在第一位置及第二位置的概要示意图。请参考图3至图6，在本实施例中，位置调整器130例如是旋转机构，其上包括两个轨迹s1、s2，分别连接透镜阵列122及影像感测元件124。在本实施例中，位置调整器130例如以旋转的方式将光场感测器120从第一位置切换至第二位置，透镜阵列122及影像感测元件124两者之间在光轴a上的距离也由间距q1调整为间距q2。因此，在本实施例中，透过位置调整器130可切换光场感测器120至两个相异位置，分别为第一位置及第二位置，同时此位置调整器130可调整透镜阵列122及影像感测元件124之间距。亦即，在本实施例中，当光场感测器120在第一位置及第二位置时，透镜阵列122以及影像感测元件124在光轴a上的间距q1、q2不相同，中间影像m11、m12与透镜阵列122在光轴a上的间距p1及p2也不相同。此外，在本实施例中，当光场感测器120在第一位置时，中间影像m11成像在光场感测器120之后。当光场感测器120在第二位置时，中间影像m12成像在透镜模组110与光场感测器120之间。换句话说，光场感测器120在第一位置或第二位置时，满足透镜模组110的成像面与光场感测器120的共轭关系(conjugateplane)。在本实施例中，共轭关系例如是指透镜模组110成像后，中间影像(m11或是m12)会再经由透镜阵列122成像在影像感测元件124上。另外，在本实施例中，位置调整器130的架构仅用以例示说明，本发明对其型态及实施方式并不加以限制。

相较于图1，图5及图6还示出处理器电路140，其用以处理影像感测元件124所输出的光场子影像m21及m22。在本实施例中，处理器电路140用以对光场子影像m21及m22进行光场影像拼接(rendering)处理，也就是取出每个光场子影像m21及m22的部分画面进行拼接，产生完 整的光场影像m31及m32。在本实施例中，光场影像拼接处理的方法可分别由所属技术领域的任一种适合的影像处理演算法来加以实施，本发明并不限于此。其详细步骤及其实施方式可以由所属技术领域的通常知识获致足够的教示、建议与实施说明，于处理影像感测元件124所看到一个个的影像为光场子影像，经由影像拼接处理后则称为光场影像。因此不再赘述。

在本实施例中，处理器电路140例如包括中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)、微处理器(microprocessor)、数字讯号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、可程式化控制器、可程式化逻辑装置(programmablelogicdevice，pld)或其他类似装置或这些装置的组合，本发明并不限于此。此外，在一实施例中，处理器电路140的各操作功能可被实际作为为多个程式码。这些程式码会被储存在一个记忆体中，由处理器电路140来执行这些程式码。或者，在一实施例中，处理器电路140的各操作功能也可被实作为一个或多个电路。本发明并不限制用软件或硬件的方式来实作处理器电路140的各操作功能。

图7是示出本发明一实施例的第一光场子影像的概要示意图。图8及图9分别是示出本发明不同实施例的第二光场子影像的概要示意图。请参考图5至图9，图7至图9分别是示出两相邻的光场子影像作为例示说明，其数量并不用以限定本发明。在图5及图7中，当光场感测器120在第一位置时，光场子影像m21包括第一光场子影像sm21，其尺寸大小为且相邻两光场子影像间距(pitch)大小为p。在图6、图8及图9中，当光场感测器120在第二位置时，依据透镜模组110及透镜阵列122设计的不同，光场影像m22所包括第二光场子影像sm22d或sm22c，其尺寸大小为或

具体而言，在本实施例中，透镜阵列122的焦距值fmla以及透镜模组110的出瞳位置距離(pexp)的比值例如是依据公式(1)来决定：

其中，k为第二光场子影像sm22d或sm22c与第一光场子影像sm21的尺寸比值，亦即或m为透镜阵列122的放大倍率。 以图1为例，中间影像m1与透镜阵列122在光轴a上的距离为p，透镜阵列122与影像感测元件124在光轴a上的距离为q，且透镜阵列122的放大倍率例如为m＝q/p。图5及图6的透镜阵列的放大倍率可以此类推，在此不再赘述。以图7及图8为例，当k＝0.5时，代表第二光场子影像sm22d的尺寸比第一光场子影像sm21的尺寸缩小0.5倍。也就是说，光场感测器120从第一位置(如图5显示)切换到的第二位置(如图6显示)，切换后子影像的尺寸比切换前缩小了0.5倍。因此，光场影像的解析度大幅被牺牲，同时也使得盲区(deadzone)增加，即图中黑色区域，降低像素的使用率。在此实施例中，盲区例如是指经由透镜阵列122上的每个子透镜成像于影像感测元件124的像素时，子影像与子影像之间没有感测到影像的区域。

以图7及图9为例，当k＝1.5时，代表第二光场子影像sm22c的尺寸比第一光场子影像sm21的尺寸放大1.5倍。也就是说，光场感测器120从第一位置切换到的第二位置时，切换后子影像的尺寸比切换前放大了1.5倍，此时第二光场子影像sm22c之间的重叠区(crosstalkzone)增加，影像感测元件124上的像素几乎完全供给感测子影像的区域。在此例中，重叠区例如是指经由透镜阵列122上的每个子透镜成像于影像感测元件124的像素时，子影像与子影像之间影像重叠的区域。

因此，在本发明的范例实施例中，k值的范围例如设定在0.7≦k≦1.3之间，以提供良好的光场影像视角的切换效果。当光场感测器120的位置前后切换时，影像感测元件124输出的影像有视角变化的效果。同时，k值范围的设定可降低切换过程中子影像的尺寸变异，并且降低盲区或重叠区在光场影像中占有的比例，以提升像素的使用率。此外，在本发明的范例实施例中，设定透镜阵列122在第一位置及第二位置时，放大倍率m维持例如为0.2。此放大倍率m的设定数值仅用以例示说明，本发明并不限于此。因此，在本发明的范例实施例中，在已知m值以及k值范围及透镜模组的出瞳位置距离pexp，依据公式(1)，计算出最适合的透镜阵列的焦距值fmla。因此，在本发明的范例实施例中，透过设定k值范围，可维持光场感测器120位置切换前后的光场影像品质以及降低其中的盲区或重叠区的比例。其中透镜阵列的焦距fmla与透镜模组的出瞳位置距离(pexp)的关系满足

在本发明另一实施例的光场相机，透镜阵列的焦距(fmla)与透镜模组的出瞳位置(pexp)的关系亦可满足

图10及图11分别是示出本发明一实施例的光场相机的光场感测器在第一位置及第二位置所输出的光场影像的概要示意图。图12及图13分别是示出本发明一实施例的光场相机的光场感测器在第一位置及第二位置所输出的光场影像的概要示意图。在本实施例中，透镜模组110的主镜头例如是选自定焦镜头。。当k值范围设定在0.7≦k≦1.3时，即第一位置及第二位置的拼接后的光场影像尺寸变异在0.7及1.3之间，依据公式(1)可计算出透镜阵列122的焦距值fmla的范围是0.22毫米≦fmla≦1.198毫米，其中透镜模组的出瞳位置距离pexp为15.276毫米。在本实施例中，透镜阵列122的焦距值fmla例如是0.9毫米，并且影像感测元件124的像素尺寸p例如是0.48毫米。透镜阵列122的放大倍率m例如是0.2。在图10中，光场感测器120在第一位置时，第一光场子影像的尺寸例如是0.48毫米。在图11中，光场感测器120在第二位置时，第二光场子影像的尺寸例如是0.36毫米。因此，k值为0.75，亦即k＝0.36/0.48＝0.75。在图10中，光场子影像的盲区占据光场子影像区域的比例为：

在图11中，光场子影像的盲区占据光场子影像区域的比例为：

因此，在本实施例中，光场感测器120在第一位置的光场影像的盲区比例与光场感测器在第二位置的光场影像分别22％及55％。

请参考图12及图13，图12示出了光场相机的光场感测器在第一位置输出的光场影像，图13是示出光场相机的光场感测器在第二位置输出的光 场影像。由图12及图13可知，光场感测器120在位置切换前后，光场相机具有视角变化的效果。在图12中，包括了9条在水平方向上排列的格线。在图13中，包括了3条在水平方向上排列的格线。

本发明另一实施例，图14及图15分别是示出本发明另一实施例的光场相机的光场感测器在第一位置及第二位置所输出的光场子影像的概要示意图。图16及图17分别是示出本发明另一实施例的光场相机的光场感测器在第一位置及第二位置所输出的光场影像的概要示意图。在本实施例中，透镜模组110的主镜头例如是选自定焦镜头。当k值范围设定在0.9≦k≦1.1时，依据公式(1)可计算出透镜阵列122的焦距值fmla的范围是0.485毫米≦fmla≦0.804毫米，其中透镜模组的出瞳位置距离pexp为15.276毫米。在本实施例中，透镜阵列122的焦距值fmla例如是0.635毫米，并且两相邻光场子影像间距p例如是0.31毫米。透镜阵列122的放大倍率m例如是0.2。在图10中，光场感测器120在第一位置时，第一光场子影像的尺寸例如是0.31毫米。在图11中，光场感测器120在第二位置时，第二光场子影像的尺寸例如是0.3毫米。因此，k值为0.96，亦即k＝0.3/0.31＝0.96。

在图14中，光场子影像的盲区占据光场子影像区域的比例为：

在图15中，光场子影像的盲区占据光场子影像区域的比例为：

因此，在本实施例中，光场感测器120在第一位置的光场影像的盲区比例与光场感测器在第二位置的光场影像分别21.4％及26.4％。在此实施例中，缩减光场传感器在第一位置与第二位置的像素使用率差异，因此在第一位置与第二位置所得到的光场影像分辨率接近。

请参考图16及图17，图16示出了光场相机的光场感测器在第一位置输出拼接后的光场影像，图17示出了光场相机的光场感测器在第二位置输出拼接后的光场影像。由图16及图17可知，光场感测器120在位置切换前后，光场相机具有视角变化的效果。在图16中，包括了9条在水平方 向上排列的格线。在图17中，包括了3条在水平方向上排列的格线。

在一实施例中，透镜模组110的主镜头例如是选自变焦镜头，其焦距范围为2.52毫米≦fmain(广角端)≦3.67毫米。此外，在此实施例中，变焦镜头在广角端的出瞳位置距离pexp为15.276毫米，变焦镜头在望远端的出瞳位置距离为16.102毫米。在此实施例中，当透镜模组110在变焦镜头的广角端状态下，若k值范围设定在0.9≦k≦1.1时，即第一位置及第二位置的拼接(rendering)后的光场影像尺寸变异在0.9至1.1之间，依据公式(1)可计算出透镜阵列122在变焦镜头的广角端的焦距值f1mla的范围是0.38毫米≦f1mla≦0.82毫米。相同的，在此实施例中，。当透镜模组在望远端使用时，若k值范围设定在0.9≦k≦1.1时，即第一位置及第二位置的拼接后的光场影像尺寸变异在0.9及1.1之间，依据公式(1)可计算出透镜阵列122在变焦镜头的望远端的焦距值f2mla的范围是0.51毫米≦f2mla≦0.85毫米，因此可使得在任一焦距下，维持光场传感器120位置切换前后的光场影像品质以及降低其中的盲区或重叠区的比例。

在此实施例中，变焦镜头的透镜组合可分别由所属技术领域的任一种适合的透镜组合来加以实施，本发明并不限于此。其架构及其实施方式可以由所属技术领域的通常知识获致足够的教示、建议与实施说明，因此不再赘述。

在本发明的范例实施例中，各光场相机的光学参数或结构参数都仅用以例示说明，本发明并不限于此。

综上所述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的实施例中，光场感测器在第一位置或第二位置时，符合透镜模组成像面与影像感测元件的共轭关系。当光场感测器位置前后切换时，可使得输出影像有视角变化的效果，且可降低切换过程中子影像的尺寸变异，并降低盲区或重叠区的无效区比例，提升像素的使用率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求及发明内容所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书 或权利要求中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。

【符号说明】

100：光场相机

110：透镜模组

120：光场感测器

122：透镜阵列

124：影像感测元件

130：位置调整器

140：处理器电路

200：物体

os：物侧

is：像侧

m1、m11、m12：中间影像

d：出瞳直径

p：相邻两光场子影像间距(pitch)

pexp:透镜模组出瞳位置距离

a：光轴

p、p1、p2：中间影像与透镜阵列在光轴上的距离

q、q1、q2：透镜阵列与影像感测元件在光轴上的距离

sm2、sm21、sm22d、sm22c：光场子影像

s1、s2：轨迹

x、y、z：坐标轴

m21、m22：光场子影像

m31、m32：光场影像

光场子影像的尺寸