[发明专利]用于移动设备的全光相机

说明书

一种用于移动设备的全光相机，包括主透镜(102)、微透镜阵列(104)、图像传感器(108)以及被配置为在由全光相机捕获的光线(601a)到达图像传感器(108)之前反射由全光相机捕获的光线(601a)以便在由相机捕获的光撞击图像传感器(108)之前折叠由相机捕获的光的光路的第一反射元件(510)。附加的反射元件(512)也可以被用于进一步折叠相机内部的光路。反射元件(510、512)能够是具有形成主透镜(102)的透镜元件的两个折射表面(804a，804c)的三侧光学元件(802)的棱镜、反射镜或反射表面(804b；814b)。通过为移动设备配备这种全光相机，能够在当前约束下大大增加焦距，同时维持移动设备的厚度。

技术领域

本发明包括在微透镜阵列、结合微透镜阵列的光学系统、光场图像、光场相机和全光相机领域中。

背景技术

全光相机是不仅能够捕获场景的空间信息而且能够捕获场景的角度信息的成像设备。这种捕获的信息被称为光场，其可以被表示为四维元组LF(px，py，lx，ly)，其中px和py选择射线到达传感器的方向，而lx、ly是这些射线的空间位置。全光相机通常由放置在传感器前面的微透镜阵列形成。

这个系统相当于从多个视点捕获场景(所谓的全视角)；因此，可以将全光相机视为多视图系统。可以捕获光场的另一个系统可以由多个相机组成。因而，关于场景的不同物体的深度(即，物体自身与相机之间的距离)的信息被隐式地捕获在光场中。全景相机的这种能力需要涉及深度图生成和3D成像的大量应用。

在2012年，Lytro推出了第一款在国际市场上可购买到的单组装式全光相机，并且在三年后，推出了Lytro Illum相机。从那时起，没有其它光场相机投放到消费电子市场。Lytro的第一款全光相机沿着光轴的机械尺寸为12cm，并且Lytro Illum相机的物镜(如DSLR相机)超过12cm并且总尺寸大约为20cm。Lytro Illum相机的光学器件得到了改进，具有五组透镜的专用的物镜变焦透镜，使Illum相机在性能上击败了第一款Lytro相机。在这两次入侵消费类相机之后，Lytro进入了一个截然不同的市场：电影市场，生产超大型相机，其中光学系统的长度可以达到几十厘米，并带有755兆像素的传感器和极其重的解决方案。这些相机不是手持式相机，而是由三脚架或重型机械结构固定的专业电影摄制机。

除了Lytro之外，Raytrix也向市场推出了几款针对工业应用的基于光场技术的产品。这些相机是具有大物镜的大型相机，其确保良好的深度估计性能。

总之，在3D成像和深度感测方面，光场相机已表现出良好的性能。但是，由于实际上难以小型化的事实，因此从未将全光相机引入移动设备市场。专利US 9,647,150-B2公开了一种制造小型全光传感器的方法。但是，正如已经解释的，向消费电子市场推出的最小的全光相机是12cm的Lytro相机。

全光相机的性能取决于关键的光学设计因素，诸如焦距和f数，其中大焦距或小f数可以极大地改善相机的性能。虽然在智能电话透镜中容易找到小f数，但是由于在相机的MTTL(机械总光道长度)上施加了困难约束的模块的非常小的厚度，难以设计和制造大焦距来满足智能电话市场设计规则。

此外，当前的智能电话市场趋于每代越来越多地减小微型相机的尺寸，从而增加了设计大焦距的难度。因此，需要在焦距上有重要增加的同时将光场技术引入智能电话市场，同时满足智能电话尺寸方面的机械约束。

定义：

-全光相机：不仅能够捕获空间位置而且还能够捕获入射光线的到达方向的设备。

-多视图系统：能够从多个视点捕获场景的系统。可以将全光相机视为多视图系统。立体和多立体相机也被认为多视图系统。

-光场：四维结构LFLF(px，py，lx，ly)，其包含来自由全光相机中的微透镜(lx，ly)下方的像素(px，py)捕获的光的信息。