光场相机如何实现四维采样

随着AI技术的发展，让计算成像这个名词也逐渐进入到人们的视野之中，而光场相机在计算成像中扮演着不可忽视的角色。

我们知道，光是一种电磁场，具有振幅、相位、波长等多种属性。传统的光学成像是通过成像芯片来记录到达探测器的强度信息，而目标的其他信息缺失。这就在后续三维重建，模式识别等多个应用领域造成了极大地不便。

而光场相机由于其独特的构造，如上图所示，传统成像方式不同，将微透镜阵列放置于主镜头像面处 ，将探测器放置于微透镜之后 记录来自不同方向的光。其中单个微透镜接收来自主镜头的所有方向的光，在探测器上其所覆盖的区域称为一个宏像素。如下图所示：

每个宏像素下包含多个像元，将主孔径分为相同数量的子孔径，宏像素下每个像元都表示主孔径下的一个子孔径，每个子孔径代表光线传输的一个方向，一个宏像素下的所有像元相当于记录了所有子孔径的光，对应记录了不同的方向信息。

而对于单个子孔径而言，当一束光穿过一个子孔径后，会在各个微透镜下的宏像素的相同位置处，具体如下图所示：

子孔径相当于减小主镜头光圈，可以获得更大的景深，但此时信噪比也会降低。结构设计中每一个宏像素与一个微透镜的大小近似相等，由上图可知，一个宏像素下的像元个数决定主透镜所分的子孔径块数，而子孔径块数决定可以分辨光场的方向数。因此一个宏像素下的像元个数决定方向分辨率，而微透镜的个数决定空间分辨率。这样，通过微透镜下的宏像素，一方面记录了光线的二维方向信息，另一方面也记录了光线的二维空间分布，完成了四维信息获取，与传统相机仅记录空间分布信息相比，增加了光线的信息维度。