光场成像技术（2）

4.基于光场的数字重聚焦技术

4.1.计算成像原理

光场相机的光学成像系统由3部分构成: 主透镜系统、微透镜阵列和光电探测器件。主透镜系统相当于传统相机的物镜，在像面处放置微透镜阵列，探测器放置在微透镜的焦距处。

成像原理为，物体上一点经过主透镜系统后聚焦于微透镜阵列平面，而后经单个微透镜分散出强度和方向分量，到达探测器的不同面元，此即该物点的光场信息。如果把微透镜看作成像器件，主透镜的主面与探测器阵列满足物象共轭关系。所以，主透镜系统的光瞳经过单个微透镜所成的像正好覆盖光电探测器的若干像素点。达到最大的角分辨率，需保证主透镜系统的像方F 数与微透镜阵列的F 数一致，否则会造成光场方向信息和成像目标空间分布的混叠．

如图1，将相机的光学系统抽象成四维光场，其中u -v 面是光学系统的主面，x-y 面是探测器所在平面． L_F( x，y ，u，v ) 代表给定光线的光辐射量，下标F 代表两平面之间的距离，像面上接受到的辐射量可表示为：

  (1)

其中，θ 为光线LF( x，y，u，v) 与u-v 面法线的夹角，A( u，v ) 为光瞳函数．

假定x-y 和u-v 面无穷大，光瞳之外的光线LF( x，y ，u，v) = 0，引入近轴近似，将公式简化为：

  （2）

通过数值积分近似求解，便可得到一幅数字图像。

4.2.数字重聚焦原理

 

图2. 数字重聚焦原理图

如图2，x-y 面为重聚焦目标物所在的空间像平面，其接收到的光辐射量可表示为

  （3）

其中，α = F'/F为变焦倍率。

代入( 2) 式，定义切片算子β［f］( x) = f(βx) ，重聚焦后的图像表达式为

 （4）