[发明专利]基于两个透镜阵列的快速计算式照相机

说明书

技术领域

本发明涉及照相机，并且更具体地涉及数字照相机和光场照相机。

背景技术

图1示出了示例性的传统数字照相机，其采用单个物镜104和光传感器108。如果照相机镜头104收集大量的光使得快门速度可以很快，则该镜头被认为是“快速的”。镜头的F/number(光圈值)是对该镜头可以收集多少光的量度，其中：

光圈值(F/number)＝焦距/光圈孔径

希望有品质的快速物镜，因为它们可以在低照明条件下进行摄像，并且也可以进行动作摄像。快速通用镜头是光圈值为F/1.8或者更低的镜头。例如用在运动和野生动物摄像中的远距照相镜头被视为是快速的，即使其光圈值为F/2.8，因为它们很难构造更低的光圈值。即使是傻瓜照相机也需要相对快速的镜头，如果它们要在不适合闪光的地方的低照明条件下使用的话。然而，有品质的快速镜头很难设计和构造，因此往往非常昂贵。针对构造快速镜头存在光学解决方案。然而，这些解决方案在低光圈值时变得非常昂贵，这归因于在低光圈值时远离光轴的大折射角度，这意味着对像差的校正变得困难。需要多个高精度镜头元件。同样，这些镜头元件体积庞大，使得高品质快速镜头巨大而笨重。高品质物镜实际上通常是串联的两个或更多单个镜头系列，以便提供对各个镜头中像差的校正，这一事实加重了物镜的体积和费用两方面。

另一方式是增大光传感器(例如，电荷耦合器件(CCD))的光子效率。然而，业内已经以可接受的价格达到了接近最佳的效率。而且，以目前50％或更高的效率，实现显著的提高很困难。即使在理论上，光传感器的效率也不能提高比两倍更多的了，因为很显然不能达到超过100％的效率。

光场照相机

如图1中所示的传统照相机不能捕获大量的光学信息。特别地，传统照相机不能捕获有关不同光线进入照相机的光圈上的位置的信息。在操作期间，传统数字照相机捕获二维(2D)图像，其代表射到照相机内的光传感器108上每个点的光的总量。然而，此2D图像不包含有关射到光传感器108上的光的方向分布的信息。像素处的方向信息对应于光圈上的位置信息。

相比之下，光场照相机对四维(4D)光学相位空间或光场进行采样，在这么做的同时，捕获有关光线的方向分布的信息。由光场照相机捕获的此信息可以称为光场、全光功能或辐射。辐射描述了空间信息和角度信息二者，并且其定义为每单位面积每单位立体角(单位为弧度)的能量密度。光场照相机捕获辐射；因此可以对原始拍摄时失焦的图像重新对焦，可以减少噪点，可以改变视点，并且可以获得其他光场效果。光场照相机已经基于对传统数字照相机的改造而进行了设计。

图2示出了示例性现有技术的光场照相机或照相机阵列，其采用两个或更多物镜110的阵列。每个物镜聚焦在光传感器108的特定区域上，或者备选地聚焦在单独的光传感器108上。此光场照相机可以视为两个或更多传统照相机的组合，其中每一个传统照相机同时在光传感器108的特定区域上或备选地在特定光传感器108上记录对象102的图像。所捕获的图像继而可以组合以形成一幅图像。

图3示出了示例性现有技术的全光照相机，其为另一种类型的光场照相机，采用单个物镜和微透镜或小透镜阵列106，其中阵列106放置在离光传感器108(例如，电荷耦合器件(CCD))很小距离(～0.5mm)处，例如包括大约100,000个小透镜。利用全光照相机100捕获的原始图像由小图像阵列构成，其通常围绕主照相机镜头108。这些小图像可以称为微图像。小透镜阵列106使得全光照相机100能够捕获光场，也即，不仅记录图像强度，而且记录每个点处不同方向上的强度分布。每个小透镜将从主透镜104进入自身的光束分裂成来自主透镜108的光圈上不同“针孔”位置的光线。将这些光线中的每一条记录为光传感器108上的一个像素，并且每个小透镜下的这些像素共同构成n像素图像。每个小透镜下的此n像素区域可以称为宏像素，照相机100在每个宏像素处生成微图像。具有例如100,000个小透镜的照相机100所捕获的全光照片将包含100,000个宏像素，从而生成对象102的100,000个微图像。通过适当地从每个宏像素中选择像素，可以基于在宏像素处捕获的对象102的微图像来创建对象102的传统图片。此外，通过适当地混合这种图像，可以对在原始拍摄时失焦的图像重新对焦，可以减少噪点，并且可以实现其他光场效果。

发明内容