專利名稱：圖像拾取設備和圖像拾取光學系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有透鏡陣列的圖像拾取設備和圖像拾取光學系統。
背景技術：
近年來，已提出了使用通過圖像拾取元件獲得的數據執行計算并且根據所述數據執行數字圖像處理以輸出各種類型的圖像的圖像拾取設備。在文獻Todor Georgiev等人的“Full Resolution Light Field Rendering，，, Adobe Technical Report January 2008和 Todor Georgiev 等人的“Superresolution with Plenoptic 2. OCamera”，2009 OpticalSociety of America 中，公開了使用“光場攝影(Light Field Photography) ”來同時獲得對象平面上的ニ維光強度分布和視差(parallax)信息(統稱為光場)的“全光2. O照相機(Plenoptic 2. OCamera) ”。根據這樣的圖像拾取設備，可通過獲得光場并然后在拍攝圖像之后執行圖像處理來改變圖像的焦點位置或場深(cbpth of field)等。 但是，圖像拾取設備需要使用除了存儲ニ維光強度分布以外還存儲視差信息的圖像拾取元件的像素。因此，與僅存儲ニ維光強度分布的圖像拾取設備相比，空間分辨率劣化。在文獻Todor Georgiev等人的“Superresolution with Plenoptic 2. O Camera”，2009Optical Society of America中，公開了這樣的配置在該配置中，通過透鏡陣列的各透鏡(有時被稱為“微透鏡”)在不同的像素位置處將由主透鏡部件(unit)形成的像面上的某點成像。以這種方式獲得的多個小圖像被重構以獲得高分辨率的重構圖像。獲得高分辨率圖像的該方法被稱為“像素偏移效栗”。但是，在文獻Todor Georgiev 等人的“ Superresolution with Plenoptic2. 0Camera”，20090ptical Society of America中，沒有公開為了獲得高分辨率而需要的具體的配置。

發明內容
本發明提供能夠以簡單的配置獲得高分辨率光場的圖像拾取設備和圖像拾取光學系統。作為本發明的ー個方面的圖像拾取設備包括圖像拾取元件；透鏡部件，被配置為在像側共軛面上收集來自對象的光線；以及透鏡陣列，包含多個透鏡単元(cell)，并且被設置為使得所述像側共軛面和所述圖像拾取元件相互共軛，并且，所述透鏡陣列被設置為滿足預定的條件式。作為本發明的另一方面的圖像拾取光學系統是ー種在圖像拾取元件上收集來自對象的光線的圖像拾取光學系統，該圖像拾取光學系統包括透鏡部件，被配置為在像側共軛面上收集來自對象的光線；以及透鏡陣列，所述透鏡陣列包含多個透鏡単元，并且被設置為使得所述像側共軛面和所述圖像拾取元件相互共軛，并且，所述透鏡陣列被設置為滿足預定的條件式。參照附圖閱讀實施例的以下描述，本發明的其它特征和方面將變得清晰。


圖I是實施例1、3和4中的圖像拾取光學系統的示意性配置圖。圖2是實施例2中的圖像拾取光學系統的示意性配置圖。圖3是本發明的實施例中的每ー個中的圖像拾取設備的框圖。圖4A 4C是描述本發明的實施例中的每ー個中的像素偏移效果的示圖。圖5是描述本發明的實施例中的每ー個中的圖像拾取光學系統的布置(,arrangement)的ホ圖。圖6A和圖6B是描述本實施例中的圖像拾取元件上的圖像的示圖。 圖7是表示關于距離σ i的像素偏移量的示圖。圖8是表示關于距離σ I的像素偏移的比的示圖。圖9是描述本發明的實施例中的每ー個中的小透鏡的重疊(overlap)數量的示圖。圖10是描述本發明的實施例中的每ー個中的包含像素偏移效果的空間分辨率的示圖。圖11是表示距離σ i和空間分辨率比之間的關系的示圖。圖12是實施例I中的圖像拾取光學系統的截面圖。圖13是實施例2中的圖像拾取光學系統的截面圖。圖14是實施例3和4中的圖像拾取光學系統的截面圖。圖15是實施例4中的圖像處理系統的配置圖。
具體實施例方式以下將參照附圖描述本發明的實施例。在各圖中，相同的要素將由相同的附圖標記表示，并且，對于它們的重復描述將被省略。在必要時，或者，在單個實施例中的來自各單獨的實施例的要素或特征的組合有益時，可単獨地或者作為多個實施例或其特征的組合實現以下描述的本發明的實施例中的每ー個。本實施例的圖像拾取設備被配置為使用透鏡陣列獲得光場，并且，透鏡陣列被設置在適當的位置以實現有效的高分辨率。首先，將參照圖I和圖2來描述該圖像拾取設備(和通過從該圖像拾取設備排除圖像拾取元件而配置的圖像拾取光學系統)的示意性配置。圖I是以下描述的實施例1、3和4中的圖像拾取光學系統的示意性配置圖，圖2是以下描述的實施例2中的圖像拾取光學系統的示意性配置圖。如圖I和圖2所示，圖像拾取光學系統具有主透鏡部件101 (光學系統)，所述主透鏡部件101 (光學系統)具備孔徑光闌(未示出)。在圖2中，透鏡陣列102和圖像拾取元件103被設置在成像面(即，圖像透鏡部件101關于對象面201的像側共軛面202)的后側(在像側)。透鏡陣列102被設置為使得主透鏡部件101的像側共軛面202和圖像拾取元件103與透鏡陣列102的一對共軛面相對應。來自對象面201的光線經由主透鏡部件101和透鏡陣列102進入圖像拾取元件103。在這種情況下，通過主透鏡部件101所形成(即，通過集光功能所形成)的實像通過透鏡陣列102被重新形成(reform)，并且，它根據對象面201上的光線的位置和角度而進入圖像拾取元件103的多個不同的像素。作為結果，圖像拾取元件103獲得由具有不同的成像視點和成像范圍的多個小圖像所配置的圖像。另ー方面，在圖I中，透鏡陣列102被設置在相對于主透鏡部件101的成像面的前側，即，被設置在主透鏡部件101關于對象面201的像側共軛面202的物側，以獲得光場。但是，在任何情況下，通過要在圖像拾取元件103上形成的透鏡陣列102，作為對象觀察到主透鏡部件101關于對象面201的圖像，因此，它們本質上相同。下面，將參照圖3描述本實施例中的圖像拾取設備的配置。圖3是本實施例中的圖像拾取設備的框圖。圖像拾取元件103是諸如CCD(電荷耦合器件)或CMOS(互補金屬氧化物半導體)的ニ維圖像拾取元 件。經由主透鏡部件101和透鏡陣列102進入圖像拾取元件103的光線的能量變為電信號(模擬信號)以通過A/D轉換器104被轉換成數字信號。通過圖像處理器105對于該數字信號執行預定的處理，并且，以預定的格式在諸如半導體存儲器的圖像記錄介質110中存儲該數字信號。在這種情況下，同時存儲從狀態檢測器108獲得的圖像拾取設備的圖像拾取條件信息。圖像拾取條件信息例如是物距、光闌或變焦透鏡中的焦距。狀態檢測器108可從系統控制器111直接獲得圖像拾取條件信息，或者，可替代地，它也可從光學系統控制器107獲得與圖像拾取光學系統有關的信息。當在顯示器106上顯示存儲于圖像記錄介質110中的圖像時，基于圖像拾取條件信息通過圖像處理器105執行重構處理。作為結果，在顯示器106上顯示被重構為希望的視點、焦點位置或場深的圖像。為了加速處理，希望的圖像設定(例如視點、焦點或場深)也可被事先存儲于存儲部件109中，以在不牽涉(involove)圖像記錄介質110的情況下直接顯示重構的圖像。此外，記錄于圖像記錄介質110中的圖像也可以是重構的圖像。通過系統控制器111執行上面描述的一系列控制，并且，根據系統控制器111的指令通過光學系統控制器107執行圖像拾取光學系統的機械驅動。隨后，將描述透鏡陣列102的適當位置。首先，描述伴隨獲得光場的分辨率的劣化，然后，獲得用于通過像素偏移效果獲得高分辨率的最優條件。還描述對于像素偏移效果抑制透鏡陣列102的布置的靈敏度的條件。為了便于理解，對于ー維布置執行以下的計算。這對于ニ維布置也同樣成立。首先，將參照圖4A 4C描述獲得光場的圖像拾取光學系統的分辨率的劣化。圖4A 4C是通過提取圖2的一部分而圖示的用于描述本實施例中的像素偏移效果的示圖。圖4A 4C中的虛線表示關于透鏡陣列102的每個小透鏡(即，透鏡單元)的場角。在僅獲得ニ維光強度分布的常規的圖像拾取光學系統中，圖像拾取元件被設置在主透鏡部件關于對象面的像側共軛面上以拍攝圖像。在這種情況下，圖像的分辨率等于圖像拾取元件的像素的數量。另ー方面，在獲得光場的本實施例的圖像拾取設備中，與圖像拾取元件的像素的數量相比，分辨率劣化。圖4B是在僅獲得圖4A中的像素的ニ維光強度分布的條件下、圖像拾取面(即，主透鏡部件101關于對象面201的像側共軛面202)上的投影的示圖。在圖2的圖像拾取光學系統中，提供通過以借助于投影而被放大的像素節距拍攝圖像所獲得的分辨率。在這種情況下的空間分辨率是通過參照原始圖像拾取元件103的透鏡陣列102的倍數I σ 2/ σ i I (在ニ維分布中，為其平方的量級(magnitude))而獲得的值。在實施例中，符號o ^表示從透鏡陣列102的物側主面到主透鏡部件101關于對象面201的像側共軛面202的距離，符號O2表示從透鏡陣列102的像側主面到圖像拾取元件103的距離。為了確保與通過相同的圖像拾取元件103將ニ維光強度分布成像的常規的圖像拾取光學系統等同的成像場角，透鏡陣列102需要是縮小系統。當對于放大系統中的透鏡陣列使用與圖像拾取元件103等同的圖像拾取元件時，與常規的圖像拾取光學系統相比，光線的位置和場角兩者的信息増加。因此，像素的數量不足，并且，與常規的圖像拾取光學系統相比，成像區域減小。在本實施例中，由于透鏡陣列102是縮小系統，因此，滿足I。ノ。」> 1，并且，與圖像拾取元件的像素的數量相比，圖像的分辨率劣化。下面將描述通過像素偏移效果導致的空間分辨率的提高。如圖4A所示，在主透鏡部件101關于對象面的像側共軛面202上重疊從透鏡陣列102的各小透鏡觀察的場角。場角被重疊的小透鏡的數量被稱為小透鏡的重疊數量。在圖4A中，三個小透鏡投影 像側共軛面202的區域的一部分，并且，小透鏡的重疊數量為三個。圖4B是通過在主透鏡部件101的像側共軛面202上投影與各小透鏡對應的圖像拾取元件103的像素組而獲得的示圖。如圖4B所示，當投影像素中的每ー個偏移時，它們可被合成以減小表觀(apparent)像素尺寸并獲得高分辨率的重構圖像。換句話說，透鏡陣列102只需要被布置為使得在像側共軛面202上投影的像素通過鄰接的透鏡單元相互偏移與投影的像素的節距的整數倍不同的長度。由此，可以獲得高分辨率圖像。換句話說，通過鄰接的透鏡單元被投影的像素組被稱為第一投影像素組和第ニ投影像素組。在這種情況下，透鏡陣列102只需要被布置為使得構成第一投影像素組和第二投影像素組的像素的投影位置不相互一致。換句話說，透鏡陣列102只需要被布置為使得沒有在被鄰接的透鏡陣列102投影的像素的相同位置上被投影的像素。相反，當投影像素如圖4C所示的那樣相互一致吋，不能獲得像素偏移效果，并因此不能提高分辨率。當像素偏移的比與小透鏡的重疊數量對應時，可通過像素偏移效果獲得最高的分辨率。具體而言，在圖4A 4C中，重疊數量為3，因此，當像素偏移的比為1/3或2/3時，可獲得最高的分辨率。將在后面描述像素偏移的比與小透鏡的重疊數量之間的關系的細節。隨后，獲得距離σ :和像素偏移的比之間的關系。鄰接的小透鏡的相對像素偏移量用比I AlaO2AA O1) I表示，所述比I AuO2バΛ O1) I是通過將透鏡陣列102的節距Au除以在主透鏡部件101的像側共軛面202上投影的像素的節距而獲得的。在實施例中，符號Λ表示圖像拾取元件103的像素節距。為了識別關于透鏡陣列的布置的像素偏移量的特性(behavior)，將參照圖5描述σ i和σ 2需要滿足的條件。圖5示出圖I的詳細配置，并且，關于圖2的配置滿足類似的關系。圖5中的符號F表示主透鏡部件101的F數，符號Pex表示主透鏡部件101的出射光瞳(近軸出射光瞳)和主透鏡部件101的像側共軛面202之間的距離。符號N是表示主透鏡部件101的光瞳面的分割數的正整數。符號Pン(NF)表示通過圖像拾取元件103獲得的角度信息的采樣節距。從圖5中可以看出，Au和O1之間的關系滿足下式(I)。Ala =ユ... (I)
LA NF在實施例中，當透鏡陣列102的物側主面被設置在像側共軛面202的前側即物側時，符號σ i表示正值，另一方面，當物側主面被設置在像側共軛面202的后側即像側時，它表示負值。圖5中的點劃線表示連接透鏡陣列102的小透鏡的中心和與小透鏡對應的像素組的邊緣的直線，并且，該直線的光瞳面上的交點與光瞳中心之間的距離由下式(2)表示。
權利要求
1.一種圖像拾取設備，包括 圖像拾取元件； 被配置為在像側共軛面上收集來自對象的光線的透鏡部件；和 包含多個透鏡單元的透鏡陣列， 其中，所述透鏡陣列被設置為使得所述像側共軛面和所述圖像拾取元件相互共軛，并且， 其中，下式被滿足 0.05 << O. 95 Pex 這里，σ i是從所述透鏡陣列的物側主面到所述像側共軛面的距離，Pex是從所述透鏡部件的出射光瞳到所述像側共軛面的距離。
2.根據權利要求I的圖像拾取設備， 其中，所述透鏡陣列被設置為使得，當所述圖像拾取元件的像素經由所述透鏡単元被投影到所述像側共軛面上時，通過鄰接的透鏡單元投影到所述像側共軛面上的像素相互偏移與投影的像素的節距的整數倍不同的長度。
3.根據權利要求I或2的圖像拾取設備， 其中，下式被滿足 MAt71Oo ) 0.9 < — mod LA 2 ,1 < 1.1 m い O1 J 這里，02是從所述透鏡陣列的像側主面到所述圖像拾取元件的距離，Δ是所述圖像拾取元件的像素節距，Au是所述透鏡陣列的節距，M是滿足下式的整數 M O . 2 < -1-γ < 2 . O 1 + Pi / σ2| 并且，m是比M小的整數，并且m和M的最大公因數為I。
4.根據權利要求I或2的圖像拾取設備， 其中，所述透鏡単元的像側表面具有凸形形狀。
5.根據權利要求I或2的圖像拾取設備， 其中，所述透鏡単元的物側表面具有平面或凸形形狀。
6.根據權利要求I或2的圖像拾取設備， 其中，所述透鏡陣列被設置在所述透鏡部件的相對于所述像側共軛面的物側。
7.一種圖像拾取光學系統，所述圖像拾取光學系統在圖像拾取元件上收集來自對象的光線，包括 被配置為在像側共軛面上收集來自對象的光線的透鏡部件；和 包含多個透鏡單元的透鏡陣列， 其中，所述透鏡陣列被設置為使得所述像側共軛面和所述圖像拾取元件相互共軛，并且， 其中，下式被滿足
全文摘要
本發明涉及圖像拾取設備和圖像拾取光學系統。所述圖像拾取設備(301)包括圖像拾取元件(103)、被配置為在像側共軛面(202)上收集來自對象(201)的光線的透鏡部件(101)、以及包含多個透鏡單元并被設置為使得所述像側共軛面(202)和所述圖像拾取元件(103)相互共軛的透鏡陣列(102)，并且，所述透鏡陣列(102)被設置為滿足預定的條件式。
文檔編號H04N5/225GK102685378SQ20121006025
公開日2012年9月19日 申請日期2012年3月9日 優先權日2011年3月10日
發明者日淺法人, 畠山弘至 申請人:佳能株式會社