液晶透镜成像装置和液晶透镜成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及透镜成像技术领域，具体而言，涉及一种液晶透镜成像装置和一种液 晶透镜成像方法。
【背景技术】
[0002] -个成像装置的核心部件是镜头和成像传感器，外界物体发出或反射的光线通过 镜头汇聚在成像传感器上成像，这个像再经过传感器光电转换或与传感器上的物质发生化 学反应，最终被记录下来。对于成像装置来说，图像放大率是物体反射的光线在成像传感器 上的像的大小与物体实际大小的比例。改变成像装置的聚焦设置，比如推动镜头对物体进 行对焦，往往带来图像放大率的变化，这个变化使得很多图像处理和机器视觉领域的应用 效果降低甚至不能使用。下面给出三个例子介绍放大率变化带来的影响。
[0003] -，在数码相机的自动对焦过程中，一个常用做法是选取图像中某一感兴趣物体 的像并选取图像中能容纳该物体像的一个窗口，不断改变聚焦设置并计算窗口内图像聚焦 值，并最终选取聚焦值最大的聚焦设置作为自动对焦。然而随着聚焦设置不断改变，图像的 放大率不断发生变化，因此窗口内的图像内容也就发生变化，感兴趣物体会偏离甚至完全 偏出窗口，使得我们在比较该物体聚焦值的时候发生误差，影响自动对焦结果。
[0004] 二，采用若干张同一场景在不同聚焦设置下的图像计算其聚焦值，并根据聚 焦值峰值的分布计算物体深度，即depth-from-focus算法（Ens J, Lawrence P. An investigation of methods for determining depth from focus[J]. Pattern Analysis and Machine Intelligence, IEEE Transactions on, 1993, 15(2):97-108.),或使用同 一场景在两个不同聚焦设置下的图像计算场景每一物体的散焦度，并计算其深度，即 depth-from-defocus 算法（Pentland A P. A new sense for depth of field [J]. Pattern Analysis and Machine Intelligence, IEEE Transactions on, 1987 (4) : 523-531.) 〇 这些 算法均需要对比同一个物体在不同聚焦设置下的聚焦或散焦程度来推测深度，因此当图像 放大率不同时，物体在图像上的坐标也就不同，因此对比的结果就会产生较大误差。
[0005] 三，在使用数码相机拍摄微距场景时，只有处于对焦平面前后很小范围内的物体 清晰，其他物体模糊，因此常常需要拍摄若干张不同对焦平面的相片并将每张相片内的清 晰部分的物体集合到一张图像上，该过程被称为图像叠加 （image stacking)。该方法需要 将因放大率变化后而发生不同比例缩放的像放到一个固定缩放比例的图像上，因而需要将 其他每一张图像中的清晰物体部分的像进行缩放，这种图像变形算法（image warping)的 方法不仅消除了原有图像的一些高频部分，而且增加了计算量。
[0006] 因此，如何获得在改变聚焦设置的同时保持图像放大率不发生变化，成为当前亟 待解决的技术问题。
【发明内容】
[0007] 本发明正是基于上述技术问题，提出了一种新的液晶透镜成像装置和液晶透镜成 像方法。
[0008] 有鉴于此，本发明提出了一种液晶透镜成像装置，其特征在于，包括：液晶透镜，其 具有一个第一孔径光阑，所述液晶透镜成像装置的实际孔径光阑为所述液晶透镜的第一孔 径光阑；光学透镜组，其包括至少一个光学透镜；以及图像采集单元，所述液晶透镜以及所 述光学透镜组设置在所述图像采集单元的同一侧，所述图像采集单元用于采集经过所述液 晶透镜、光学透镜组的光线而生成图像。
[0009] 在上述实施方式中，所述液晶透镜成像装置的实际孔径光阑为所述液晶透镜的第 一孔径光阑。场景物体可以看成为无数个点光源的集合，对于一个点光源物体，其在成像传 感器上的像为一个光斑。在场景物体发射或反射的光线中，经过整个成像装置实际孔径光 阑中心的光线决定了该物体的放大率，由于本成像装置保证了液晶透镜的孔径光阑为整个 成像装置的孔径光阑，因此当我们使用液晶透镜改变焦距时，经过液晶透镜的第一孔径光 阑中心的光线均不发生折射，因此，这些光线与所述光学透镜组的入射或出射角度也不发 生变化，所以光斑中心不发生移动。仅仅光斑大小发生变化而中心坐标不变，因此，图像的 放大率不变。其他不经过孔径光阑中心的光线发生折射且折射程度随液晶透镜的焦距变化 而变化，结果是物体图像的模糊程度发生变化。
[0010] 在上述任一技术方案中，优选的，当所述光学透镜组包括一个光学透镜，所述液晶 透镜设置在所述光学透镜的靠近或者远离所述图像采集单元的一侧。
[0011] 当所述光学透镜组包括多个光学透镜时，所述液晶透镜设置在所述光学透镜的靠 近或者远离所述图像采集单元的一侧，或者设置在所述多个光学透镜之间。
[0012] 在上述任一技术方案中，优选的，当所述光学透镜组包括一个光学透镜，所述光学 透镜组具有一个第二孔径光阑，且所述第二孔径光阑大于所述第一孔径光阑。
[0013] 在上述任一技术方案中，优选的，所述光学透镜组的第二孔径光阑a2表示为如下 公式：
[0015] 其中，表示所述液晶透镜的第一孔径光阑，d表示所述液晶透镜与所述光学透镜组 之间的距离，α为所述液晶透镜成像装置的视野角。
[0016] 在上述任一技术方案中，优选的，光经过所述液晶透镜的第一孔径光阑的中心的 光线不发生折射，直接入射至所述光学透镜组，且入射到所述光学透镜组的光线的角度及 入射位置不随液晶透镜焦距的变化而变化，即光线在所述图像传感器所成的像的中心坐标 不变。
[0017] 在上述任一技术方案中，优选的，所述液晶透镜的第一孔径光阑的中心为所述液 晶透镜的光学中心。
[0018] 在上述任一技术方案中，优选的，所述液晶透镜成像装置无渐晕光阑。
[0019] 根据本发明的另一方面，还提供了另一种液晶透镜成像装置，其包括：光学透镜 组，其包括至少一个光学透镜，所述光学透镜组具有第一主点；液晶透镜，其具有第二主点， 所述液晶透镜的第二主点与所述光学透镜组的第一主点重合；以及图像采集单元，其用于 采集经过所述液晶透镜、光学透镜组的光线而生成图像。
[0020] 在上述任一技术方案中，优选的，所述光学透镜组包括多个光学透镜时，所述多个 光学透镜的等效前主点与等效后主点重合，作为所述光学透镜组的第一主点。
[0021] 在上述任一技术方案中，优选的，场景物体发射或者反射的光经过所述液晶透镜 的第二主点的光线不发生折射，直接在所述图像传感器成像，且改变所述液晶透镜的焦距， 所述像的坐标不变。
[0022] 在上述实施方式中，场景物体发射或者反射的光经过所述液晶透镜的第二主点的 光线不发生折射，直接在所述图像传感器上成像。并且，当改变所述液晶透镜的焦距时，由 于所述液晶透镜与所述光学透镜组的等效主点不变，因此，所述场景物体在所述图像传感 器所成的像的坐标不发生变化，即图像的放大率不变。
【附图说明】
[0023] 图1为点光源成像的示意图；
[0024] 图2为当液晶透镜处于非透镜状态时的成像示意图；
[0025] 图3为当液晶透镜处于透镜状态时的成像示意图；
[0026] 图4为本发明第一实施例提供的液晶透镜成像装置的结构示意图；
[0027] 图5为图4中的液晶透镜成像装置的光路示意图；
[0028] 图6为本发明第二实施例提供的液晶透镜成像装置的结构示意图。
[0029] 图7为本发明第三实施例提供的液晶透镜成像装置的结构示意图。
【具体实施方式】