專利名稱：光電照相機(jī)和用于在光電照相機(jī)中格式化圖像的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電照相機(jī)，其包括光學(xué)物鏡系統(tǒng)，用于對照相機(jī)記錄的場景成像，作為基本上在物鏡系統(tǒng)的圖像平面內(nèi)的光學(xué)圖像，光電檢測器裝置，其基本上被提供在所述圖像平面內(nèi)，用于檢測光學(xué)圖像并根據(jù)所述檢測輸出輸出信號，和檢測器裝置相連的處理器裝置，用于轉(zhuǎn)換和處理檢測器裝置的輸出信號，以便以數(shù)字形式再現(xiàn)檢測的圖像，并可以在被選擇地提供在照相機(jī)中的和處理器裝置相連的顯示裝置上實時地顯示所述圖像，以及和處理器裝置相連的存儲裝置，用于存儲數(shù)字圖像，以便也可以在和存儲裝置相連的選擇的顯示裝置上顯示，或者用于在適應(yīng)于這些用途的并暫時地或永久地和所述照相機(jī)相連的外部裝置上進(jìn)行存儲、顯示或可能的附加處理。
本發(fā)明還涉及一種光電照相機(jī)，尤其涉及一種用于記錄彩色圖像的特別是用于以RGB系統(tǒng)記錄彩色圖像的光電照相機(jī)，其包括光學(xué)物鏡系統(tǒng)，用于對照相機(jī)記錄的場景成像，作為基本上在物鏡系統(tǒng)的圖像平面內(nèi)的光學(xué)圖像，光電檢測器裝置，其基本上被提供在所述圖像平面內(nèi)，用于檢測光學(xué)圖像并根據(jù)所述檢測輸出輸出信號，和檢測器裝置相連的處理器裝置，用于轉(zhuǎn)換和處理檢測器裝置的輸出信號，以便以數(shù)字形式再現(xiàn)檢測的圖像，并可以在被選擇地提供在照相機(jī)中的和處理器裝置相連的顯示裝置上實時地顯示所述圖像，以及和處理器裝置相連的存儲裝置，用于存儲數(shù)字圖像，以便在也可以和存儲裝置相連的選擇的顯示裝置上顯示，或者用于在適應(yīng)于這些用途的并暫時地或永久地和所述照相機(jī)相連的外部裝置上進(jìn)行存儲、顯示或可能的附加處理。最后，本發(fā)明涉及一種用于對在按照權(quán)利要求1-32中的任何一個或者按照權(quán)利要求33-37中的任何一個的光電照相機(jī)中記錄的全格式光學(xué)圖像進(jìn)行數(shù)字電子格式化的方法，在所述照相機(jī)中，被記錄的光學(xué)圖像作為數(shù)字圖像被存儲在照相機(jī)中的處理器裝置的存儲器中，并且可以在和處理器裝置相連的顯示裝置上顯示。
本發(fā)明在總體上涉及適用于記錄靜止圖像以及電影圖像，包括視頻圖像，的光電照相機(jī)。按照本發(fā)明的光電照相機(jī)可以被這樣實現(xiàn)，使得可以制成具有極扁的形狀系數(shù)的廉價的小型照相機(jī)。
在電荷耦合器件(CCD)投放市場之后，電子照相術(shù)幾乎被應(yīng)用于成像技術(shù)的所有領(lǐng)域，從最苛刻的科學(xué)應(yīng)用例如在極弱的光強(qiáng)下記錄靜止圖像的天文照相術(shù)到大量的普通應(yīng)用，例如家用圖像和區(qū)域監(jiān)視。直到最近，光電照相機(jī)毫無例外地基于電荷耦合器件(CCD)的使用，雖然在特定的一些應(yīng)用中，大部分是在科學(xué)研究的應(yīng)用中，其它的一些類型的器件例如電荷注入器件(CID)的應(yīng)用有所增加。使用CCD進(jìn)行檢測并實現(xiàn)光電照相機(jī)的根據(jù)在許多科技文獻(xiàn)中被廣泛地討論了，因而在下面的說明中被認(rèn)為是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的。
雖然已經(jīng)取得了很大的成功，但是在光電照相機(jī)中的CCD技術(shù)具有許多缺點，這些缺點對于CCD可能具有的用途、以及制造小型化的廉價的電池驅(qū)動的光電照相機(jī)具有不利影響。這種基于硅的CCD芯片的制造成本相當(dāng)高，其要求幾個不同的驅(qū)動電壓，并消耗相當(dāng)多的電流。在近幾年中，一種被稱為有源像素檢測器(APS)的新的元件已經(jīng)出現(xiàn)，其對于CCD技術(shù)具有很強(qiáng)的競爭力，尤其是在不需要絕對最好的圖像質(zhì)量的應(yīng)用中。基于APS的光電檢測器可以借助于CMOS技術(shù)以低的成本制造，并且能夠集成許多功能，例如光檢測、信號調(diào)節(jié)、在同一芯片上的電源和接口。除去可以具有非常低的成本、低的功率消耗和小的體積之外，APS檢測器還可以被這樣實現(xiàn)，使得在檢測器芯片上直接獲得圖像信息的處理，例如包括閾值和輪廓的確定等。對于某些類型的應(yīng)用，APS檢測器和要求一次串行地讀出整行像素的基于CCD的檢測器相比，可以對選擇的像素或像素組提供快速的存取。
基于APS的微型器件的民用性應(yīng)用已經(jīng)出現(xiàn)在若干領(lǐng)域中，結(jié)果使得或者代替其它技術(shù)，或者產(chǎn)生全新的產(chǎn)品。第一個例子是用于監(jiān)視攝像機(jī)中，第二個例子是用于玩具中。由于APS檢測器的特定性能，近來的發(fā)展被引導(dǎo)朝向具有非常小的體積的光電照相機(jī)。這種所謂的“片上”照相機(jī)可以從若干個公司買到，例如瑞典的VLSIVision，Scotland，firms公司和美國的Photobit公司。最近瑞士的CSEM宣稱可以提供鋼筆形式的照相機(jī)。
對于所有類型的光電照相機(jī)，它們的共同點在于都是一種在感光的檢測表面產(chǎn)生可接受的光學(xué)圖像的光學(xué)系統(tǒng)。當(dāng)不管所使用的光電檢測器的類型(CCD，CID，APS，二極管陣列等)而需要使電子照相機(jī)小型化時，這便出現(xiàn)問題。如果照相機(jī)的可利用的軸線長度(沿著光軸從照相機(jī)透鏡的前方到達(dá)檢測器芯片的背面的距離)被限制時，即當(dāng)需要制造一種扁的照相機(jī)時，因為成像系統(tǒng)對這個距離的貢獻(xiàn)是透鏡厚度和背面聚焦長度(BFL)之和，這表示可以使用具有非常短的軸線尺寸的和非常短的聚焦長度的小透鏡或微透鏡提供扁的照相機(jī)。然而，實際上，至今尚未實現(xiàn)基于這個原理的扁的微型化的光電照相機(jī)。
正如下面要討論的，導(dǎo)致這個結(jié)果的主要原因基本尚未在所使用的用于產(chǎn)生光學(xué)圖像的光學(xué)系統(tǒng)中找到。即使最后的解決方案受到衍射的限制，還具有另一個限制因素，其在很大程度上和本文中的表述相同，即可以在圖像平面內(nèi)獲得的被限制的空間分辨率，尤其是利用光電檢測器陣列。為了更好地說明在作出本發(fā)明的研制過程中的邏輯步驟，下面給出現(xiàn)有技術(shù)的缺點的基本分析。
光學(xué)圖像的質(zhì)量取決于透鏡的結(jié)構(gòu)，并且如上所述，在最后的時刻，受到衍射的限制。為了簡化分析，假定光是波長為555nm的單色的綠光，并且假定透鏡非常薄，而且是衍射被限制的。則在圖像平面內(nèi)的空間分辨率由下式給出w=0.61λ/NA(1)其中λ是光的波長，數(shù)字光圈NA定義為NA=n sinα(2)其中n是在圖像空間內(nèi)的折射率，α是在圖像空間內(nèi)的邊緣光線的半角。
在原理上，分辨率和透鏡的物理尺寸無關(guān)。不過，由于數(shù)字光圈NA的實際值，分辨率一般和光的波長相匹配。這意味著，含有M個分辨的元素的圖像(M=nx·ny，其中nx和ny分別是沿著x，y軸的分辨的元素數(shù))必須覆蓋圖像平面內(nèi)的一個面積，該面積不小于A=Mw2=nx·ny·w2(3)其中w是上面的公式(1)定義的分辨率。
透鏡的視野和圖像的線性尺寸nx·w、ny·w確定了透鏡的聚焦長度，因而確定了透鏡的物理尺寸。視野由打擊到光學(xué)圖像的最邊緣的陣列的半角確定，在此位置的到光軸的直線距離由下式給出d/2=(nx2+ny2)1/2·w/2(4)用s’表示圖像的距離，得到
s’=d/(2tgθ)=(nx2+ny2)1/2·w/(2tgθ)(5)對于一般的成像情況，透鏡的焦距長度僅僅略小于圖像距離s’，即f≌s’(6)如果例如插入數(shù)值w=0.5μm，nx=ny=103，即M=106，θ=19.3°，則得到f≌s’=1.01mm。
具有這個焦距長度的微透鏡一般具有可匹配的直線尺寸，因而能夠?qū)崿F(xiàn)在一定范圍內(nèi)的能夠提供1百萬個像素的分辨率的真正小型化的扁的照相機(jī)。
不幸的是，例如上面確定的對于在圖像平面內(nèi)的記錄介質(zhì)的分辨率為0.5μm的要求非常難于實現(xiàn)，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了利用像素相關(guān)的光電圖像檢測器可以實現(xiàn)的范圍。按照現(xiàn)有技術(shù)的CCD和APS檢測器至少具有10倍于上述的分辨率w的像素間距，這意味著，透鏡的焦距長度和直線尺寸應(yīng)當(dāng)在10mm以上的范圍內(nèi)。顯然，照相機(jī)的直線尺寸取決于所需的圖像質(zhì)量，即取決于圖像的清晰度，和要求單色圖像或者全色圖像。因而，可以實現(xiàn)其尺寸為沿著光軸在1cm范圍內(nèi)的光電照相機(jī)。然而，這不能被認(rèn)為是特別扁的。較小的尺寸是可能的，但是必然影響圖像質(zhì)量。例如“片上照相機(jī)”的概念，其中使用CMOS處理器制造低成本的與/或特殊用途的光電照相機(jī)器件，可以參考例如來自下述的文獻(xiàn)Photobit，U.S.A；IVP，Sweden；VLSIVision，Great Britain；CSEM，Switzerland；and IMEC，Belgium。為了回顧一下利用CMOS技術(shù)進(jìn)行成像的技術(shù)，例如可以參考J.Zarnowski & M.Pace，“Imaging options expand with CMOStechnolgy”，Laser Focus World，pp.125-130(June 1997)。
本發(fā)明的主要目的在于提供一種光電照相機(jī)，其可以用于以高的圖像質(zhì)量和高的空間分辨率記錄靜止圖像、電影圖像或視頻圖像，同時，所述照相機(jī)具有非常扁的整體輪廓，并且避免和上述現(xiàn)有技術(shù)有關(guān)的缺點，特別是圖像的清晰度和其物理尺寸有關(guān)，尤其是和光學(xué)成像系統(tǒng)的軸線長度有關(guān)這些缺點。
本發(fā)明的目的還在于提供一種光電照相機(jī)，其可以被制成一種相當(dāng)薄的層，其一般被形成在在扁的或彎曲的表面上，厚度范圍為1-3mm。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種具有若干個空間成像特性和光譜成像特性的光電照相機(jī)，包括在圖像的一個或幾個區(qū)域內(nèi)或者沿著圖像平面中的一個或幾個軸線的光學(xué)圖像的被控制的清晰度，極大的視野，包括直到球面視野(4π球面角度)，在空間上分辨的色度或光譜分析，全色圖像或者從紫外到紅外在一個或幾個波長帶寬內(nèi)成像，以及可以利用空間檢測和分析而進(jìn)行基于視差的成像。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種光電照相機(jī)，其成像方法使用光檢測元件和利用光電技術(shù)在大的表面上實現(xiàn)的電路。這種技術(shù)將允許按照本發(fā)明的光電照相機(jī)以特別低的成本被制造。最終實現(xiàn)本發(fā)明的一個特定目的，即光電照相機(jī)將利用基于無定形的或者多晶的無機(jī)半導(dǎo)體或者基于聚合物或低聚物的有機(jī)半導(dǎo)體的薄的器件來實現(xiàn)。這種材料的應(yīng)用的一個例子是可彎曲的塑料板形式的元件，它們可被制成可被固定在扁的或彎曲的表面上的薄的卡片。
本發(fā)明的另外一個特定目的是通過使用準(zhǔn)單色微透鏡作為照相機(jī)中的光學(xué)有源結(jié)構(gòu)，從而使得能夠?qū)崿F(xiàn)超小型的光電照相機(jī)。
按照本發(fā)明的上述目的是利用一種光電照相機(jī)來實現(xiàn)的，其特征在于，照相機(jī)的物鏡系統(tǒng)由兩個或幾個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)(L)形成，每個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)適用于在唯一分配給各個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)的物鏡系統(tǒng)的圖像平面區(qū)域上產(chǎn)生被記錄的場景的光學(xué)圖像，對每個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)在其各自的指定區(qū)域或圖像平面內(nèi)提供至少一個光電檢測器，所有的檢測器被包括在照相機(jī)的檢測器裝置中，每個檢測器包括唯一地確定光學(xué)圖像的一個像素的至少一個傳感器元件，像素的面積基本上由單獨限定的傳感器元件的面積確定，并且每個檢測器適用于限定光學(xué)圖像的一個采樣，每個采樣中的像素數(shù)量由在限定的檢測器中的傳感器元件的數(shù)量確定，由所有的采樣最佳地形成數(shù)字圖像，并且空間清晰度由被傳感器元件限定的光學(xué)圖像中不同位置中的像素數(shù)量確定。
有利的是在這種結(jié)構(gòu)中光學(xué)有源結(jié)構(gòu)是衍射結(jié)構(gòu)或反射結(jié)構(gòu)或者是這些結(jié)構(gòu)的組合。
特別有利的是所述折射結(jié)構(gòu)或衍射結(jié)構(gòu)被作為具有最大3mm的直徑的透鏡來實現(xiàn)。
有利的是當(dāng)在光學(xué)圖像中被清楚地限定的像素的總數(shù)等于檢測器裝置中的傳感器元件時，則使得在這種情況下在給定的像素和其限定傳感器元件之間存在1對1的關(guān)系，從而通過光學(xué)圖像的全部采樣可以產(chǎn)生數(shù)字圖像，或者當(dāng)在光學(xué)圖像中的被清楚地限定的像素的總數(shù)小于檢測器裝置中的傳感器元件的總數(shù)時，則使得在這種情況下在給定的像素和其限定傳感器元件之間存在1個對多個的關(guān)系，借以通過重復(fù)采樣光學(xué)圖像產(chǎn)生數(shù)字圖像。有利的是光電照相機(jī)包括一個或幾個空間濾光器，它們被提供在物鏡系統(tǒng)的前方與/或物鏡系統(tǒng)和檢測器裝置之間，所述空間濾光器最好是空間光調(diào)制器特別是在那種結(jié)構(gòu)中是一種可控的電子光學(xué)光調(diào)制器。
有利的是當(dāng)按照本發(fā)明的光電照相機(jī)包括被提供在物鏡系統(tǒng)前方與/或被提供在物鏡系統(tǒng)和檢測器裝置之間的一個或幾個濾光裝置時。此時最好濾光器裝置可以包括單獨的光譜選擇濾光器，其分別被分配給或者每個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)，或者光學(xué)有源結(jié)構(gòu)組，或者被分配給每個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)的檢測器裝置的一個或幾個檢測器。最好是借助于透射單獨的波長帶的每個光譜選擇的濾光器，濾光器裝置適用于透射兩個或多個單獨的波長帶，透射每個單獨的波長帶的濾光器的數(shù)量基本上是相等的。此時單獨的波長帶最好這樣選擇，使得濾光器裝置形成原色濾光器裝置或者RGB濾光器裝置，或者使得濾光器裝置形成互補(bǔ)的彩色濾光器裝置。
在一些實施例中，光譜選擇濾光器可以有利地作為帶狀濾光器來實現(xiàn)，通過透射給定波長帶的每個帶，其適用于透射兩個或幾個單獨的波長帶，此時最好在帶狀濾光器中的每個帶可被分配給一個或幾個檢測器中的傳感器元件的各個行或列，并且每個帶狀濾光器還可以作為原色濾光器或RGB濾光器來實現(xiàn)。
按照本發(fā)明，光譜選擇濾光器是嵌套式濾光器是有利的，通過使嵌套式濾光器中的每個濾光器部分透射一個給定的波長帶，其適用于透射兩個或幾個單獨的波長帶，透射每個波長帶的濾光器部分的數(shù)量基本上是相等的，并且最好在嵌套式濾光器中的每個濾光器部分被分配給一個或幾個檢測器中的各個傳感器元件。特別是，每個嵌套式濾光器最好是互補(bǔ)的彩色濾光器。
按照本發(fā)明，檢測器裝置包括用下列技術(shù)之一實現(xiàn)的檢測器是有利的，即，CCD(電荷耦合器件)技術(shù)，CID(電荷注入器件)技術(shù)，APS(有源像素傳感器)技術(shù)或PMSA(無源基體中的傳感器陣列)技術(shù)。當(dāng)檢測器利用PMSA技術(shù)實現(xiàn)時，按照本發(fā)明，檢測器被制成薄膜元件或混合元件，并適用于從用于唯一地尋址每個單獨的傳感器元件的無源電極陣列上方的傳感器元件并行地讀出輸出信號是有利的，在這種情況下，檢測器最好被整體地或部分地利用有機(jī)半導(dǎo)體材料或電絕緣材料制造，其中包括塑料材料和半導(dǎo)體低聚物或聚合物。
按照本發(fā)明，使光學(xué)有源結(jié)構(gòu)具有確定的色差或色散是有利的，使得用于兩個或多個單獨波長帶的每個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)以選擇光譜的方式產(chǎn)生在每個波長帶中的光學(xué)圖像，其基本上在相應(yīng)的基本上相配的沿光線方向重疊地錯開的圖像平面上，并且對于在這些圖像平面的每個中的每個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)提供一個用于光學(xué)圖像的光譜選擇檢測的檢測器，使得在每個圖像平面上的每個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)確定在空間域中的一個采樣和在頻率域中的一個采樣，在頻域中的分辨率基本上由具有各自的指定檢測器的單獨的波長帶的數(shù)量確定，借以使由檢測器裝置檢測的光學(xué)圖像可以作為多光譜數(shù)字彩色圖像利用選擇的合適的彩色系統(tǒng)而被產(chǎn)生。在這種情況下，對于每個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)最好分別在指定給三色系統(tǒng)的3個單獨的波長帶的圖像平面中提供3個單獨的疊加檢測器。
按照本發(fā)明的上述目的還可以利用一種光電照相機(jī)來實現(xiàn)，其特征在于，照相機(jī)的物鏡系統(tǒng)由兩個或幾個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)的陣列形成，每個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)具有確定的色差或色散，使得其焦點的位置取決于光的波長，每個光學(xué)結(jié)構(gòu)適用于在物鏡系統(tǒng)的3個單獨的疊加的圖像平面的區(qū)域上產(chǎn)生記錄場景的光譜選擇的光學(xué)圖像，所述區(qū)域被唯一地分配給各個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)，第一圖像平面形成在光譜的藍(lán)部分中的一個波長帶中的第一光學(xué)圖像，第二圖像平面形成在光譜的綠部分中的一個波長帶中的第二光學(xué)圖像，第三圖像平面形成在光譜的紅部分中的一個波長帶中的第三光學(xué)圖像，對于每個光譜有源結(jié)構(gòu)，在各個指定的圖像平面內(nèi)提供光電檢測器，用于檢測由光學(xué)有源結(jié)構(gòu)在每個波長帶藍(lán)綠紅中產(chǎn)生的光學(xué)圖像，每個檢測器包括至少一個傳感器元件，使得至少一個傳感器元件唯一地確定光學(xué)圖像的一個像素，像素的面積基本上由單獨限定的傳感器元件的面積確定，在一個圖像平面中的每個檢測器適用于限定在相應(yīng)于該圖像平面的波長帶中的光學(xué)圖像的一個采樣，并且在每個采樣中的像素的數(shù)量由在所述限定的檢測器中的傳感器元件的數(shù)量確定，數(shù)字圖像被作為RGB彩色圖像被最佳地產(chǎn)生，借助于在光學(xué)圖像中的檢測器元件限定部分，其具有清楚的由像素的數(shù)量確定的空間清晰度。
最好是，在這種情況下，按照本發(fā)明，光學(xué)有源結(jié)構(gòu)是具有確定的色差的折射結(jié)構(gòu)或衍射結(jié)構(gòu)，或者是這些結(jié)構(gòu)的組合，特別是最好所述折射或衍射結(jié)構(gòu)作為小透鏡被實現(xiàn)，所述小透鏡的直徑最大為3mm。
按照本發(fā)明，在這種情況下，最好在一個波長帶的光學(xué)圖像中的被清楚地限定的像素的總數(shù)等于在檢測器裝置中為這一波長帶提供的檢測器中的傳感器元件的總數(shù)，使得在這種情況下，在給定的像素和其限定的傳感器元件之間存在一對一的關(guān)系，借以利用在每個波長帶中的光學(xué)圖像的全部采樣產(chǎn)生數(shù)字的RGB彩色圖像，并且整個光學(xué)圖像按照顏色被過采樣3次。
最后，按照本發(fā)明，一種用于對記錄的整幅圖像進(jìn)行電子格式化的方法，其特征在于，通過基本上連續(xù)地或分級地沿徑向或軸向使圖像分別向著圖像中的會聚點或會聚軸收縮產(chǎn)生整幅的數(shù)字圖像的一部分或一個視野，所述圖像的收縮在被提供在處理器裝置中的數(shù)據(jù)處理器中并按照一個或幾個確定的像素減法協(xié)議以數(shù)字方式進(jìn)行，并利用在照相機(jī)內(nèi)或者照相機(jī)外部提供的操作裝置來實現(xiàn)，所述操作裝置由照相機(jī)的操作者手動地操縱，并按照預(yù)定的準(zhǔn)則被自動地操縱，并利用這種方式再次把格式化的視野分級地或連續(xù)地沿徑向或軸向分別從會聚點或會聚軸向著整幅圖像擴(kuò)展。
最好是，按照本發(fā)明，所述格式化過程可以在顯示裝置上觀察，在任何時刻由格式化形成的部分或視野在顯示裝置上作為合成的整幅圖像被顯示，但是通過格式化的相應(yīng)的像素減去值，具有實際的空間清晰度。
此外，按照本發(fā)明，通過徑向縮小或擴(kuò)大，可以有利地在照相機(jī)中實現(xiàn)數(shù)字電子變焦功能，場的格式分別被確定為遠(yuǎn)距離拍攝、廣角或宏格式，根據(jù)場景和照相機(jī)中的圖像平面之間的距離確定，并通過沿軸向縮小或擴(kuò)大在照相機(jī)中實現(xiàn)數(shù)字電子掃視功能。
本發(fā)明的其它特點和優(yōu)點在所附的其余的從屬權(quán)利要求中披露了。
下面借助于示例的實施例并且參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明，附圖中的各個圖由本說明書的各個連續(xù)的部分進(jìn)行更詳細(xì)的解釋。


圖1a，b示意地表示按照本發(fā)明的電子照相機(jī)的第一實施例，圖1a是側(cè)視圖，圖1b是正視圖；圖2a-c是通過按照本發(fā)明的照相機(jī)的不同部分的截面圖；圖3a，b分別以側(cè)視圖和正視圖示意地表示按照本發(fā)明的照相機(jī)的第二實施例；圖4a，b分別以側(cè)視圖和正視圖示意地表示按照本發(fā)明的照相機(jī)的第二實施例，其中提供有濾光器；圖5a，b分別以側(cè)視圖和正視圖示意地表示和圖4所示的照相機(jī)的相應(yīng)的實施例，不過其中以不同方式提供有濾光器；圖6是用于按照本發(fā)明的照相機(jī)中的RGB系統(tǒng)中的帶狀濾光器的按照本發(fā)明的照相機(jī)的基本構(gòu)思如圖1所示，圖1a是側(cè)視圖，圖1b是正視圖，用于示意地表示第一實施例。所述照相機(jī)使用若干個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)，例如呈微透鏡或小透鏡L的形式，照相機(jī)的物鏡系統(tǒng)被表示為4個這種透鏡L1-L4的陣列。每個透鏡L產(chǎn)生一個要被成像的場景的圖像，具有最終圖像中所需的總的清晰度。對每個透鏡分配一個檢測器裝置，具有被提供在背平面P上的各個檢測器D1-D4，例如包括處理器、存儲器等，并且在背平面的背面可以提供顯示裝置V，用于顯示被記錄的圖像，所述顯示裝置還作為取景器。提供有檢測器D1-D4的公共圖像平面I和透鏡陣列的公共無窮大共軛聚焦平面分開，當(dāng)然，聚焦平面F和圖像平面I對于位于無窮遠(yuǎn)處的成像物體是共同延伸的。代替在一個透鏡下利用高密度的感光檢測器元件陣列試圖記錄圖像平面的光強(qiáng)分布的所有的細(xì)節(jié)，當(dāng)透鏡小時，這將導(dǎo)致不能實現(xiàn)的檢測器元件密度，本發(fā)明使用在每個透鏡L1-L4下形成的圖像的空間采樣。實際上，每個檢測器D1-D4通過在每個檢測器中的多個檢測器元件E采樣一場光學(xué)圖像。在圖1中，在檢測器D1中，示出了一個檢測器元件E。檢測器D1-D4例如具有36個不重疊的檢測器元件E，它們把光學(xué)圖像分為36個像素。從而，檢測器元件E也覆蓋光學(xué)圖像的整個區(qū)域，使得所述區(qū)域被檢測器D1-D4檢測，從而來自每個檢測器D1-D4的空間采樣共同構(gòu)成一個完整的圖像采樣。
對于如圖1b所示的每個檢測器D1-D4，檢測器元件E在4個透鏡L1-L4的圖像平面內(nèi)形成一個子陣列。因而檢測器元件E確定透鏡L1-L4的每個圖像平面I的表面的采樣區(qū)域，其中這些區(qū)域相對于圖像的位置被這樣設(shè)置，使得它們在一幅合成的嵌套圖畫中互相補(bǔ)充。應(yīng)當(dāng)注意，在圖像平面I內(nèi)的采樣區(qū)域的密度不需要特別高，因為在k個透鏡的陣列中的每個透鏡只采樣最終圖像或合成圖像中的清晰度要素的總量的1/k。這便使得能夠使用具有中低填充系數(shù)的電子陣列照相機(jī)，其中填充系數(shù)是用總的像素面積除以像素面積的光檢測部分所獲得的值。低的填充系數(shù)除去降低對制造光檢測器芯片的要求外，還能簡化芯片中的圖像處理。
光學(xué)有源結(jié)構(gòu)L不必是透鏡，即折射結(jié)構(gòu)，而也可以是衍射結(jié)構(gòu)或反射結(jié)構(gòu)或這些結(jié)構(gòu)的組合。如果折射結(jié)構(gòu)或衍射結(jié)構(gòu)作為小透鏡來實現(xiàn)，它們至多具有3mm的直徑，因而可以被提供在基本剛性的或柔性的表面上。所示表面可以是平面、曲面或雙曲面。例如光學(xué)有源結(jié)構(gòu)或透鏡L可以按照圖2a-2c所示的方式被提供，其中圖2a表示被提供在彎曲的透明基片S上的透鏡L，并表示檢測器Dn被這樣提供在基片的背面，使得它們和透鏡L對齊。在檢測器Dn(未示出)下方的后平面P中，可以設(shè)置電子元件，或者如圖所示，提供顯示裝置V。圖2b相應(yīng)地表示光學(xué)有源結(jié)構(gòu)或透鏡L可以如何被提供在基片S的有小平面的表面上，同時還表示檢測器Dn，以及在后平面上可以設(shè)置顯示裝置V與/或沒有示出的電子元件。
圖2c表示一個可能的最佳實施例，其具有被提供在平面基片S上的小透鏡L和被提供在基片背面上的檢測器Dn。在后平面P內(nèi)或在后平面P上也可以提供顯示裝置V與/或未示出的電子元件。
在圖像平面I內(nèi)的特定區(qū)域的采樣可以用不同方法實現(xiàn)-在圖像平面I上提供具有透光區(qū)域或“窗口”的不透明的掩模。通過每個窗口入射的光也落到專用的被提供在窗口下方的感光元件上。感光元件一般大于由窗口采樣的面積，并且根據(jù)在陣列中使用的透鏡數(shù)可以比所述面積大得多。這在實際中通過使用空間濾光器SF來實現(xiàn)，例如圖3a和圖3b所示?？臻g濾光器SF被提供在檢測器裝置D的一部分Dn和透鏡L之間，如圖3a的截面圖和圖3b的正視圖所示?？臻g濾光器SF具有窗口或開口A，其在光學(xué)幾何關(guān)系上或者和檢測器元件E對齊，或者和檢測器裝置D中的感光部分對齊。為了簡明，圖3b只示出了具有指定的空間濾光器SF的一個透鏡L，實際上，檢測器裝置D被制成芯片，其具有大量的檢測器元件E或感光點，并被分配給透鏡L的陣列。
-感光元件本身被形成并位于圖像平面上，使得它們具有采樣功能。在每個元件之間的區(qū)域是不感光的，因為這些區(qū)域本來就對光不敏感，或者因為它們被直接提供在芯片表面上的不透明層擋住。
由上述可見，透鏡的數(shù)量k必須和在芯片表面上的感光區(qū)域的密度相匹配。這在實現(xiàn)具有扁的形狀的小型電子照相之間是一個重要的瓶頸。所需的透鏡的最小數(shù)量取決于在照相機(jī)中需要使用的檢測器技術(shù)以及照相機(jī)關(guān)于形狀系數(shù)和圖像質(zhì)量的規(guī)范。
例如，如果假定記錄黑白圖像并且使用在圖像平面中分辨率為w(散焦的圓圈直徑)的透鏡。當(dāng)檢測器中的每個感光檢測器元件的有效尺寸和透鏡的分辨率元素w匹配時可以實現(xiàn)最緊湊的結(jié)構(gòu)。對于小型透鏡，一般具有w≥0.5μm。在這一區(qū)域內(nèi)的檢測器元件的最小尺寸容易適應(yīng)于目前的電子陣列照相機(jī)技術(shù)。在電子照相機(jī)中像素之間的距離一般在5μm及5μm以上的范圍。這可以和所需的圖像尺寸相匹配，即沿x方向為Nx.w，沿y方向為Ny.w，這對于具有一百萬個像素的圖像，Nx=Ny=1000，即500μm·500μm或更大。假定檢測器元件的感光區(qū)域的相互距離例如為10μm，每個透鏡可以容納50·50=2500個像素，所需的最少的透鏡的數(shù)量為400。在正方形透鏡陣列中，這意味著20·20個透鏡。
如果按照本發(fā)明的照相機(jī)用于記錄彩色圖像，則涉及到簡化照相機(jī)的制造，從而避免使用以高的精度劃分像素的彩色濾光器。
圖4a是表示在按照本發(fā)明的實施例中的具有在透鏡陣列和檢測器裝置之間的濾光器的裝置的側(cè)視圖。為了達(dá)到透鏡L1，L2，…，在這種情況下，提供有各自的濾光器FIR，F(xiàn)IB，F(xiàn)IG，這些濾光器中的每一個如圖4b的正視圖所示被分配給透鏡陣列中的三組每組3個透鏡L1，L2，L3；L4，L5，L6；L7，L8，L9所述三組的3個透鏡的濾光器用于不同的光譜帶R，G，B，使得這些濾光器共同構(gòu)成在RGB系統(tǒng)中記錄彩色圖像的系統(tǒng)。因為每個透鏡L被分配給只具有一種顏色的濾光器，在這個透鏡的圖像平面中的檢測器Dn內(nèi)的所有檢測器元件將只采樣這一顏色。用于產(chǎn)生給定像素的全部顏色的其它的顏色分量以相應(yīng)的方式在其它的透鏡下被采樣。如果在按照本發(fā)明的照相機(jī)中使用RGB顏色系統(tǒng)，因而3個透鏡或者具有R濾光器，或者具有G濾光器，或者具有B濾光器，在圖中分別表示為FIR，F(xiàn)IB，F(xiàn)IG，其中的每一個采樣同一個圖像部分中的有關(guān)的光譜帶。如圖4b所示，這一部分可以排列成3個分開的但是相互靠近的像素區(qū)域，例如由檢測器區(qū)域D1，D4，D7所覆蓋，使得實現(xiàn)完整的重疊。這種實施例的優(yōu)點在于，每個光學(xué)有源元件或透鏡只需處理一個有限的波長范圍，因而可以被優(yōu)化而不必考慮色差。在本發(fā)明的另一個實施例中，使用具有窄帶通的多個過濾器，即需要多于最少數(shù)量3個或4個的過濾器，以便提供全色表示，同時透鏡可被優(yōu)化而不考慮色差。當(dāng)使用衍射光學(xué)系統(tǒng)時，這是尤其重要的，和折射光學(xué)系統(tǒng)相比，其可以提供結(jié)構(gòu)和成本方面的優(yōu)點，但是其通常也具有很大的色散。
圖5a和5b示意地表示按照本發(fā)明的照相機(jī)的實施例，其中具有圖4a，4b所示的相應(yīng)的濾光裝置，但是具有提供在檢測器裝置D中單獨的檢測器Dn的正前方的單獨的濾光器。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解，如圖5a，5b所示的單獨的檢測器Dn可以被集成在檢測器芯片上而作為芯片的一部分，雖然各自的濾光器FI中的每一個可以單獨地實現(xiàn)彩色濾光器，例如在RGB彩色系統(tǒng)中。如圖5b所示，此時每種顏色可以由指定的檢測器或檢測器部分的兩個濾光器處理。例如具有指定的檢測器D1和D2的濾光器FI1和FI2可以處理紅光的光譜帶，此時，濾光器FI1，F(xiàn)I2當(dāng)然實現(xiàn)R濾光器。
圖6和圖7表示可以用于按照本發(fā)明的光電彩色圖像照相機(jī)中的不同類型的濾光器。圖6表示在RGB系統(tǒng)中帶濾光器的一個例子。這種濾光器交替地向各個指定的檢測器組透射紅綠藍(lán)光譜帶。和圖5所示的實施例結(jié)合使用，在帶濾光器中的顏色帶RGB可被分配給單獨的檢測器中的檢測器元件的行。帶濾光器提供良好的彩色表示，但是在一些情況下沿著確定的方向使圖像清晰度降低，并可能降低測光的響應(yīng)。圖7表示在互補(bǔ)的彩色系統(tǒng)中的嵌套的濾光器的實施例，其中濾光器由嵌套的彩色濾光器構(gòu)成，它們向檢測器中的檢測器元件或者向檢測器陣列中的單獨指定的檢測器交替地透射一種互補(bǔ)的顏色藍(lán)Cy，黃Ye，綠Gr或紅Mg。通過使來自4個相鄰檢測器元件或者可能的檢測器的信號相加而獲得全色圖像。即，例如來自相鄰一對線性檢測器的信號可被用于產(chǎn)生全色圖像。通常圖像清晰度和測光響應(yīng)比使用帶濾光器時較好，但是不能使用嵌套濾光器獲得RGB輸出信號。和帶濾光器相應(yīng)，在嵌套濾光器中的單獨的場可被分別指定給單獨的檢測器，但是也可以指定給一個檢測器中的檢測器元件。
圖8表示按照本發(fā)明的照相機(jī)的一個實施例，其中透鏡L的有源光學(xué)結(jié)構(gòu)具有色差或色散，使得不同波長λ1，λ2的光被折射或散射到各個圖像平面I1，I2中的不同的圖像點s1’，s2’上。在圖像平面I1，I2中，提供各個檢測器D1，D2，使得在波長λ1，λ2附近的兩個單獨的波長帶內(nèi)獲得光學(xué)圖像的檢測。此時第一檢測器D1必須包括這樣的檢測器，它們被提供用于在檢測器D1中在其間形成開口或窗口，或者在檢測器之間的區(qū)域中的檢測器D1對于中心在波長λ2附近因而到達(dá)檢測器D2的光必須是透明的，所述的光被聚焦在圖像平面I2上，并被檢測器D2中的傳感器記錄。因而，每個檢測器D1、D2將利用0.5的采樣系數(shù)記錄欠采樣的圖像，使得被D1，D2記錄的場包括由L記錄的場景的全采樣圖像。
如果需要彩色圖像，按照本發(fā)明的照相機(jī)可以包括透鏡和如圖9a提供的透鏡檢測器，圖9a表示一個透鏡L。所述透鏡L具有色差或色散，使得3個不同波長λ1，λ2，λ3的光聚焦在3個不同的圖像平面I1，I2，I3中的圖像點s1’，s2’，s3’上。在每個圖像平面內(nèi)，提供有各自的檢測器D1，D2，D3，最好具有傳感器元件，其光譜選擇靈敏度分別適用于波長λ1，λ2，λ3。這3個重疊提供的檢測器D1，D2，D3此時可以組合而產(chǎn)生RGB系統(tǒng)中的彩色圖像。檢測器D1，D2必須被這樣實現(xiàn)，使得它們對于在這些檢測器中應(yīng)當(dāng)被檢測到的光譜帶外面的光是透明的。
圖9b示意地表示每個檢測器D1，D2，D3橫向分解的正視圖。每個檢測器具有27個傳感器元件，檢測器D1，D2，D3共具有81個檢測器元件，因而由透鏡L成像的光學(xué)圖像的總像素數(shù)以及由檢測器D1，D2，D3檢測的總像素數(shù)是81個。因而，對于每個波長λ1，λ2，λ3，利用透鏡L和3個檢測器D1，D2，D3以1/3的采樣系數(shù)獲得光學(xué)圖像的采樣。因而完整采樣RGB圖像將需要具有圖9a所示的檢測器的3個透鏡。有利的是，在未被圖9b所示的傳感器元件覆蓋的區(qū)域中的檢測器D1可以用對波長為λ2，λ3的光透明的材料制成。因而波長為λ2的光將被通過并在提供有檢測器D2的圖像平面I2上聚焦。檢測器D2最好相應(yīng)地由對波長為λ3的光是透明材料制成，使得這一波長的光可以通過未被傳感器元件覆蓋的檢測器D2，并在提供有D3的圖像平面I3上聚焦。
下面詳細(xì)說明按照本發(fā)明的照相機(jī)的不同的光學(xué)特性和可以實現(xiàn)的技術(shù)特征。
在希望照相機(jī)簡單、價廉的應(yīng)用場合，使用固定焦距的系統(tǒng)即沒有運(yùn)動的機(jī)械部件的系統(tǒng)是方便的。對于在物體空間和圖像空間分別具有焦距f和f’的透鏡，對于薄的透鏡可以寫成x·x’=f·f’(7)其中x，x’是沿著光軸從無窮遠(yuǎn)的共軛聚焦點分別到s處的物體點和s’處的圖像點的距離x=s-f(8)x’=s’-f’(9)由式(7) -(9)可見，沿軸向物體的位移s導(dǎo)致相對于圖像平面的軸向圖像位移δs’，如果s＞＞f，則δs’=-f·f·δs/s2(10)由式(10)可見，當(dāng)s增加時，圖像位置和物體距離s的相關(guān)性變小。這個關(guān)系對于攝影業(yè)余愛好者是熟知的。還可以看出，對于給定的物體距離s，當(dāng)焦距f和f’變短時，圖像位置和物體距離的相關(guān)性更小。
在本結(jié)構(gòu)中后一種關(guān)系是尤其有興趣的，其中透鏡的焦距比傳統(tǒng)的攝影系統(tǒng)小2到3個數(shù)量級。在另一方面，對于遵守上式(1)的衍射限制的光學(xué)系統(tǒng)的圖像平面的散焦允差Δs’將受到光學(xué)系統(tǒng)的物理尺寸的限制，并且在這種情況下，Δs’可以和利用一般的攝影系統(tǒng)獲得的相比。
這對場Δs的深度具有極大的影響。為了簡化，假定f≌f’，式(10)可以寫成Δs≌-(s/f)2·Δs’(11)換句話說，對于給定的Δs’的場的深度和焦距f的倒數(shù)的平方成比例。作為一個例子，可以考慮一種具有無窮大的固定焦距的照相機(jī)，即具有s’=f’=f的圖像平面。如果在圖像平面中的散焦允差是Δs’，則最接近的物體距離smin由標(biāo)準(zhǔn)的透鏡方程確定1/s+1/s’=1/f’(12)在物距s=smin時，有1/smin+1/(f+Δs’)=1/f’(13)因而，對于f＞＞Δs’smin＝f2/Δs’(14)例如，假定f=1mm，Δs’=1μm，因而獲得smin=103mm，因而具有固定焦距的照相機(jī)在從無限遠(yuǎn)到1m的聚焦平面內(nèi)產(chǎn)生瑞界定的圖像。通過對有限的距離選擇標(biāo)稱的最佳焦距，可以進(jìn)一步減少smin。
如果按照本發(fā)明的光電照相機(jī)利用數(shù)字或軟件控制的圖像處理來實現(xiàn)，則可以獲得許多優(yōu)點。具體地說，必須注意，電子成像和傳統(tǒng)的基于膠片的成像相比的優(yōu)點在于，在最終的圖像被產(chǎn)生之前，可以借助于合適的軟件簡單而直接地控制圖像信息。在一些情況下，這種處理可以直接地“在片上”進(jìn)行，即在物理上接近檢測器并利用和檢測器集成在一起的電子元件和電路，例如基于CMOS的結(jié)構(gòu)。在商業(yè)上，“片上照相機(jī)”元件和系統(tǒng)可以利用片上的不同類型的處理來實現(xiàn)，包括門限處理和像素之間的校正分析，例如輪廓確定。下面討論尤其和本發(fā)明相關(guān)的一些類型的圖像處理。
按照本發(fā)明的光電照相機(jī)的基本實現(xiàn)使得可以使用在相當(dāng)大的面積上延伸的并包括大量像素的光敏檢測器陣列，這意味著可以這樣選擇像素的兩個子組，使得它們代表較大的圖像的部分，因而可以提供變焦功能，拍全景功能或運(yùn)動補(bǔ)償功能。
圖10a表示一整幅圖像是如何朝向圖像中的一點會聚的。借助于在照相機(jī)中提供的處理器并使用預(yù)定的像素減法協(xié)議，通過利用軟件控制，會聚可以分級地或者連續(xù)地沿徑向進(jìn)行。圖10a中的部分1和部分2代表變焦的圖像，不過相對于整幅圖像中的總的像素數(shù)具有減少的像素數(shù)。如果部分1和部分2被在顯示器上再現(xiàn)，它們將被擴(kuò)大到占滿顯示器的一個整幅的圖像，并且此時可以使用軟件由合成的整幅圖像產(chǎn)生變焦圖像，不過通過在放大的部分中插入像素可以具有和整幅圖像相同的清晰度，使得由部分1或2表示的變焦圖像以好象是以和實際的整幅圖像相同的清晰度出現(xiàn)。
圖10b表示如何借助于使整幅圖像沿軸向向會聚軸縮小從而實現(xiàn)拍全景功能的。例如形成不同的全景圖像部分1和2。在這種情況下，會聚軸是整幅圖像的水平平分線。
在按照本發(fā)明的光電照相機(jī)中，一個重要的特征是可以利用相互沿橫向設(shè)置的兩個或多個光學(xué)系統(tǒng)記錄信息。對于比無窮遠(yuǎn)近的物體，這意味著可能存在視差問題。在簡單的成像情況下，對于在無窮遠(yuǎn)處的物體，視差引起圖像平面中的圖像相對于圖像位置的橫向位移。這種位移以統(tǒng)一的方式按照陣列中的透鏡而不同，并且物體距照相機(jī)越近位移越大。通過選擇感光元件，即傳感器元件，所述位移可以簡單地進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)圖像以電子方式合成時，所述元件也相應(yīng)地位移。這可以用不同的方式來實現(xiàn)。一種方法是對所有要被合成的圖像取一個特定的視差角度，在這種情況下，對于最相關(guān)的成像任務(wù)選擇最佳的物體距離。另一種方法是在照相機(jī)的存儲器中校正不同的圖像，并為了實現(xiàn)最好的最終圖像對感光區(qū)域的選擇進(jìn)行優(yōu)化。
還可以實現(xiàn)自動聚焦功能，其中利用機(jī)械固定聚焦的光學(xué)系統(tǒng)的場的固有深度不足。通過選擇一個要被合成的圖像的最佳物距，這可以以和如同結(jié)合視差補(bǔ)償所述的方式類似的方式發(fā)生。在這種結(jié)構(gòu)中，使用透鏡陣列而引起的固有視差誤差，即物體在圖像平面中的位移，可用于測量距離。
最后，說明按照本發(fā)明的光電照相機(jī)的實施例的特定例子。
例1-可彎曲的微透鏡照相機(jī)參看圖2a-2c之一，所示的照相機(jī)作為一種夾層結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，其中具有大量的位于薄的可彎曲的板上的微透鏡2。所述可彎曲的板被連附在另一個可彎曲的板上，其中以一個被控的圖形提供檢測器Dn。所述的透鏡板可以用整片的塑料材料制成，其中通過塑性變形、刻蝕、或者通過在平的基片上淀積一種材料形成小透鏡。此外，一種小透鏡板可以包括大量的被固定在可彎曲的平面基體中的單獨的小透鏡。
作為陣列被提供在可彎曲的基片中的塑料檢測器最近通過使用相配的聚合物被實現(xiàn)了。其響應(yīng)性和光譜響應(yīng)非常好，并且可用于形成高質(zhì)量的圖像。
用于實現(xiàn)這種照相機(jī)的夾層結(jié)構(gòu)可被連附于平的表面與/或彎曲的表面上，例如被用于監(jiān)視的區(qū)域內(nèi)。例如通過把夾層結(jié)構(gòu)彎曲而成為圓柱形，可以獲得360度的圖像視野，這可以使機(jī)械的掃視功能成為多余的。
例2-具有衍射微透鏡的照相機(jī)參看圖2c，正如所應(yīng)當(dāng)理解的那樣，每個小透鏡L是一個衍射透鏡，因而在這種情況下利用具有一個帶通范圍的指定的濾光器，其允許通過衍射透鏡成像而沒有嚴(yán)重的色差。為了獲得在一個足夠?qū)挼牟ㄩL范圍上的光譜覆蓋，可以使用具有互補(bǔ)帶通濾光器的一系列小透鏡。帶通濾光器的數(shù)量可以非常大，使得利用具有非常窄的帶寬的各個濾光器獲得寬范圍的光譜覆蓋。在這種情況下，例如圖2c所示的實施例實際上可以如圖5a，5b所示的方式被實現(xiàn)，其中使各個濾光器被提供在每個透鏡L的后面，但是在指定的檢測器Dn的前方。
除去實現(xiàn)非常扁的表面輪廓之外，使用衍射透鏡的照相機(jī)在控制各個透鏡的成像性能方面具有大的靈活性。這使得能夠進(jìn)一步改善上述照相機(jī)的結(jié)構(gòu)。例如在陣列中的一些透鏡可被優(yōu)化，以便對選擇的圖像的外周區(qū)域，即以大的角度進(jìn)入照相機(jī)的光軸的光線成像。通過使用標(biāo)準(zhǔn)的方法進(jìn)行大量生產(chǎn)，可以制造成本低而可靠性高的衍射小透鏡陣列，其中包括具有特定性能的大量的單個小透鏡。
例3-超小型照相機(jī)再次假定照相機(jī)利用圖2c所示的基本結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。在這種情況下，通過使用如Norwegian的專利申請973390披露的無源尋址結(jié)構(gòu)，陣列配置中的檢測器可被使用，該專利在此列為參考。這種結(jié)構(gòu)尤其適用于混合硅元件中的光敏聚合物，或者其中的電子電路和機(jī)械支撐元件全部或部分地由有機(jī)材料制成的元件中的光敏聚合物。
這使得能夠在圖像平面內(nèi)形成感光區(qū)域，其面積密度超過利用現(xiàn)有技術(shù)(例如APS和CCD)的電子光傳感器陣列可達(dá)到的密度的1至2個數(shù)量級。這再次說明，為了提供高質(zhì)量的圖像所需的小透鏡的數(shù)量可被相應(yīng)地減少。如果一個透鏡只處理一個原色，這意味著至少需要3個小透鏡。
如上所述，這些透鏡的復(fù)雜性和物理尺寸和具有相應(yīng)的調(diào)制傳遞函數(shù)性能的(MTF性能)非彩色透鏡相比將大大減少，從而導(dǎo)致一般具有1mm3的尺寸的透鏡。因而在幾mm3的總形狀系數(shù)內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的光電全色照相機(jī)。
權(quán)利要求
1．一種光電照相機(jī)，其包括光學(xué)物鏡系統(tǒng)，用于對照相機(jī)記錄的場景成像，作為基本上在物鏡系統(tǒng)的圖像平面(I)內(nèi)的光學(xué)圖像，光電檢測器裝置(D)，其基本上被提供在所述圖像平面(I)內(nèi)，用于檢測光學(xué)圖像并根據(jù)所述檢測輸出輸出信號，和檢測器裝置相連的處理器裝置，用于轉(zhuǎn)換和處理檢測器裝置的輸出信號，以便以數(shù)字形式再現(xiàn)檢測的圖像，并可以在被選擇地提供在照相機(jī)中的和處理器裝置相連的顯示裝置(V)上實時地顯示所述圖像，以及和處理器裝置相連的存儲裝置，用于存儲數(shù)字圖像，以便也可以在和存儲裝置相連的選擇的顯示裝置上顯示，或者用于在適應(yīng)于這些用途的并暫時地或永久地和所述照相機(jī)相連的外部裝置上進(jìn)行存儲、顯示或可能的附加處理，其特征在于，照相機(jī)的物鏡系統(tǒng)由兩個或幾個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)(L)形成，每個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)(L)適用于在唯一分配給各個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)的物鏡系統(tǒng)的圖像平面區(qū)域上產(chǎn)生被記錄的場景的光學(xué)圖像，對每個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)在其各自的指定區(qū)域或圖像平面內(nèi)提供至少一個光電檢測器(Dn)，所有的檢測器(Dn)被包括在照相機(jī)的檢測器裝置(D)中，每個檢測器(Dn)包括唯一地確定光學(xué)圖像的一個像素的至少一個傳感器元件(E)，像素的面積基本上由單獨限定的傳感器元件的面積確定，并且每個檢測器(Dn)適用于限定光學(xué)圖像的一個采樣，每個采樣中的像素數(shù)量由在限定的檢測器(Dn)中的傳感器元件(E)的數(shù)量確定，由所有的采樣最佳地形成數(shù)字圖像，并且空間清晰度由被傳感器元件(E)限定的光學(xué)圖像中不同位置中的像素數(shù)量確定。
2．如權(quán)利要求1所述的光電照相機(jī)，其特征在于，所述光學(xué)有源結(jié)構(gòu)(L)是衍射結(jié)構(gòu)或反射結(jié)構(gòu)或者是這些結(jié)構(gòu)的組合。
3．如權(quán)利要求2所述的光電照相機(jī)，其特征在于，所述折射結(jié)構(gòu)或衍射結(jié)構(gòu)(L)被制成最大直徑為3mm的小透鏡。
4．如權(quán)利要求1所述的光電照相機(jī)，其特征在于，具有光學(xué)有源結(jié)構(gòu)(L)的物鏡系統(tǒng)形成基本上為剛性的或可彎曲的表面。
5．如權(quán)利要求4所述的光電照相機(jī)，其特征在于，基本上為剛性或可彎曲的表面可以是平面、曲面或雙曲面。
6．如權(quán)利要求1所述的光電照相機(jī)，其特征在于，每個檢測器(Dn)包括兩個或多個傳感器元件(E)的陣列，使得陣列中的每個檢測器元件限定光學(xué)圖像中的一個在空間上清楚的像素。
7．如權(quán)利要求1所述的光電照相機(jī)，其特征在于，檢測器裝置(E)都具有相同的形狀系數(shù)，因而由光學(xué)圖像的幾何面積和一個傳感器元件的幾何面積之間的比給出用像素表示的光學(xué)圖像的面積。
8．如權(quán)利要求1所述的光電照相機(jī)，其特征在于，在光學(xué)圖像中被清楚地限定的像素的總數(shù)等于檢測器裝置(D)中的傳感器元件(E)的總數(shù)，使得在這種情況下在給定的像素和其限定傳感器元件(E)之間存在1對1的關(guān)系，從而通過光學(xué)圖像的全部采樣可以產(chǎn)生數(shù)字圖像。
9．如權(quán)利要求1所述的光電照相機(jī)，其特征在于，在光學(xué)圖像中的被清楚地限定的像素的總數(shù)小于檢測器裝置(D)中的傳感器元件的總數(shù)，使得在這種情況下在給定的像素和其限定傳感器元件之間存在1個對多個的關(guān)系，借以通過重復(fù)采樣光學(xué)圖像產(chǎn)生數(shù)字圖像。
10．如權(quán)利要求1所述的光電照相機(jī)，其特征在于，兩個或多個檢測器(Dn)限定光學(xué)圖像的同一個空間采樣。
11．如權(quán)利要求1所述的光電照相機(jī)，其特征在于，其中包括一個或幾個空間濾光器(SE)，它們被提供在物鏡系統(tǒng)的前方與/或物鏡系統(tǒng)和檢測器裝置之間。
12．如權(quán)利要求11所述的光電照相機(jī)，其特征在于，所述空間濾光器(SF)是空間光調(diào)制器。
13．如權(quán)利要求12所述的光電照相機(jī)，其特征在于，所述空間光調(diào)制器(SF)是可控的電子光學(xué)光調(diào)制器。
14．如權(quán)利要求1所述的光電照相機(jī)，其特征在于，其中包括一個或幾個濾光器裝置(FI)，它們被提供在物鏡系統(tǒng)的前方與/或物鏡系統(tǒng)和檢測器裝置(D)之間。
15．如權(quán)利要求14所述的光電照相機(jī)，其特征在于，濾光器裝置(FI)可以包括單獨的光譜選擇濾光器(FIN)，其分別被分配給或者每個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)(L)，或者光學(xué)有源結(jié)構(gòu)(L)組，或者被分配給每個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)的檢測器裝置的一個或幾個檢測器(Dn)。
16．如權(quán)利要求15所述的光電照相機(jī)，其特征在于，借助于透射單獨的波長帶的每個光譜選擇的濾光器(FIN)，濾光器裝置(FI)適用于透射兩個或多個單獨的波長帶，透射每個單獨的波長帶的濾光器的數(shù)量基本上是相等的。
17．如權(quán)利要求16所述的光電照相機(jī)，其特征在于，單獨的波長帶呈相鄰的或非相鄰的帶寬關(guān)系，其組合至少覆蓋光譜的可見部分。
18．如權(quán)利要求16所述的光電照相機(jī)，其特征在于，單獨的波長帶被這樣選擇，使得濾光器裝置(FIN)形成原色濾光器裝置或者RGB濾光器裝置。
19．如權(quán)利要求16所述的光電照相機(jī)，其特征在于，單獨的波長帶被這樣選擇，使得濾光器(FIN)裝置形成互補(bǔ)的彩色濾光器裝置。
20．如權(quán)利要求17所述的光電照相機(jī)，其中濾光器裝置(FI)的光譜選擇濾光器(FIN)分別被分配給或者被疊加到為每個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)提供的一個或幾個檢測器(Dn)，其特征在于，所述光譜選擇濾光器(FIN)是帶狀濾光器，借助于透射給定波長帶的每個帶，其適用于透射兩個或幾個單獨的波長帶，透射每個波長帶的帶狀濾光器的數(shù)量基本上是相等的。
21．如權(quán)利要求10所述的光電照相機(jī)，其特征在于，在帶狀濾光器(FIN)中的每個帶可被分配給一個或幾個檢測器(Dn)中的傳感器元件(E)的各個行或列。
22．如權(quán)利要求20所述的光電照相機(jī)，其特征在于，每個帶狀濾光器還可以是原色濾光器或RGB濾光器。
23．如權(quán)利要求15所述的光電照相機(jī)，其中濾光器裝置的光譜選擇濾光器(FIN)分別被分配給或者被疊加到為每個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)提供的一個或幾個檢測器(Dn)，其特征在于，光譜選擇濾光器是嵌套式濾光器，借助于使嵌套式濾光器中的每個濾光器部分透射一個給定的波長帶，其適用于透射兩個或幾個單獨的波長帶，透射每個波長帶的濾光器部分的數(shù)量基本上是相等的。
24．如權(quán)利要求15所述的光電照相機(jī)，其特征在于，嵌套式濾光器中的每個濾光器部分被分配給一個或幾個檢測器(Dn)中的各個傳感器元件(E)。
25．如權(quán)利要求13所述的光電照相機(jī)，其特征在于，每個嵌套式濾光器(FIN)是互補(bǔ)的彩色濾光器。
26．如權(quán)利要求1所述的光電照相機(jī)，其特征在于，檢測器裝置(D)包括用下列技術(shù)之一實現(xiàn)的檢測器(Dn)，即，CCD(電荷耦合器件)技術(shù)，CID(電荷注入器件)技術(shù)，APS(有源像素傳感器)技術(shù)或PMSA(無源基體中的傳感器陣列)技術(shù)。
27．如權(quán)利要求26所述的光電照相機(jī)，其中檢測器利用PMSA技術(shù)實現(xiàn)，其特征在于，檢測器(Dn)被制成薄膜元件或混合元件，并且所述檢測器適用于從用于唯一地尋址每個單獨的傳感器元件的無源電極陣列上方的傳感器元件(E)并行地讀出輸出信號。
28．如權(quán)利要求27所述的光電照相機(jī)，其特征在于，檢測器(Dn)被整體地或部分地利用有機(jī)半導(dǎo)體材料或電絕緣材料制造，其中包括塑料材料和半導(dǎo)體低聚物或聚合物。
29．如權(quán)利要求28所述的光電照相機(jī)，其特征在于，所述有機(jī)材料整體地或部分地透射光譜的至少一個可見光部分，在檢測器的傳感器元件(E)之間的區(qū)域內(nèi)的檢測器(Dn)在這個光譜范圍內(nèi)是透明的或半透明的。
30．如權(quán)利要求28所述的光電照相機(jī)，其特征在于，所述檢測器(Dn)的電極陣列至少在光譜的可見光范圍內(nèi)是透明的或半透明的。
31．如權(quán)利要求1所述的光電照相機(jī)，其特征在于，光學(xué)有源結(jié)構(gòu)(L)利用確定的色差或色散來實現(xiàn)，使得用于兩個或多個單獨波長帶的每個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)以選擇光譜的方式產(chǎn)生在每個波長帶中的光學(xué)圖像，其基本上在相應(yīng)的基本上相配的沿光線方向重疊地錯開的圖像平面(IN)上，并且對于在這些圖像平面的每個中的每個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)(L)提供一個用于光學(xué)圖像的光譜選擇檢測的檢測器(Dn)，使得在每個圖像平面(IN)上的每個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)(L)確定在空間域中的一個采樣和在頻率域中的一個采樣，在頻域中的分辨率基本上由具有各自的指定檢測器的單獨的波長帶的數(shù)量確定，借以使由檢測器裝置(Dn)檢測的光學(xué)圖像可以作為多光譜數(shù)字彩色圖像利用選擇的合適的彩色系統(tǒng)而被產(chǎn)生。
32．如權(quán)利要求31所述的光電照相機(jī)，其特征在于，對于每個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)(L)分別在指定給三色系統(tǒng)的3個單獨的波長帶的圖像平面(I1，I2，I3)中提供3個單獨的疊加檢測器(D1，D2，D3)。
33．一種光電照相機(jī)，尤其一種用于記錄彩色圖像的特別是用于以RGB系統(tǒng)記錄彩色圖像的光電照相機(jī)，其包括光學(xué)物鏡系統(tǒng)，用于對照相機(jī)記錄的場景成像，作為基本上在物鏡系統(tǒng)的圖像平面(I)內(nèi)的光學(xué)圖像，光電檢測器裝置(D)，其基本上被提供在所述圖像平面(I)內(nèi)，用于檢測光學(xué)圖像并根據(jù)所述檢測輸出輸出信號，和檢測器裝置相連的處理器裝置，用于轉(zhuǎn)換和處理檢測器裝置的輸出信號，以便以數(shù)字形式再現(xiàn)檢測的圖像，并可以在被選擇地提供在照相機(jī)中的和處理器裝置相連的顯示裝置(V)上實時地顯示所述圖像，以及和處理器裝置相連的存儲裝置，用于存儲數(shù)字圖像，以便在也可以和存儲裝置相連的選擇的顯示裝置上顯示，或者用于在適應(yīng)于這些用途的并暫時地或永久地和所述照相機(jī)相連的外部裝置上進(jìn)行存儲、顯示或可能的附加處理，其特征在于，照相機(jī)的物鏡系統(tǒng)由兩個或幾個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)的陣列(L)形成，每個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)(L)具有確定的色差或色散，使得其焦點的位置取決于光的波長，每個光學(xué)結(jié)構(gòu)適用于在物鏡系統(tǒng)的3個單獨的疊加的圖像平面(I1，I2，I3)的區(qū)域上產(chǎn)生記錄場景的光譜選擇的光學(xué)圖像，所述區(qū)域被唯一地分配給各個光學(xué)有源結(jié)構(gòu)，第一圖像平面(I1)形成在光譜的藍(lán)部分中的一個波長帶中的第一光學(xué)圖像，第二圖像平面(I2)形成在光譜的綠部分中的一個波長帶中的第二光學(xué)圖像，第三圖像平面(I3)形成在光譜的紅部分中的一個波長帶中的第三光學(xué)圖像，對于每個光譜有源結(jié)構(gòu)(L)，在各個指定的圖像平面(I1，I2，I3)的每個平面內(nèi)提供光電檢測器(Dn)，用于檢測由光學(xué)有源結(jié)構(gòu)在每個波長帶藍(lán)綠紅中產(chǎn)生的光學(xué)圖像，每個檢測器包括至少一個傳感器元件(E)，使得至少一個傳感器元件唯一地確定光學(xué)圖像的一個像素，像素的面積基本上由單獨限定的傳感器元件的面積確定，在一個圖像平面中的每個檢測器適用于限定在相應(yīng)于該圖像平面的波長帶中的光學(xué)圖像的一個采樣，并且在每個采樣中的像素的數(shù)量由在所述限定的檢測器中的傳感器元件的數(shù)量確定，數(shù)字圖像被作為RGB彩色圖像被最佳地產(chǎn)生，借助于在光學(xué)圖像中的檢測器元件限定部分，其具有清楚的由像素的數(shù)量確定的空間清晰度。
34．如權(quán)利要求33所述的光電照相機(jī)，其特征在于，光學(xué)有源結(jié)構(gòu)(L)是具有確定的色差的折射結(jié)構(gòu)或具有確定的色散的衍射結(jié)構(gòu)，或者是這些結(jié)構(gòu)的組合。
35．如權(quán)利要求34所述的光電照相機(jī)，其特征在于，所述折射或衍射結(jié)構(gòu)作為具有3mm的最大直徑的小透鏡被實現(xiàn)。
36．如權(quán)利要求33所述的光電照相機(jī)，其特征在于，在一個波長帶內(nèi)的光學(xué)圖像中的被清楚地限定的像素的總數(shù)等于在檢測器裝置中為這一波長帶提供的檢測器(Dn)中的傳感器元件(E)的總數(shù)，使得在這種情況下，在給定的像素和其限定的傳感器元件之間存在一對一的關(guān)系，借以可以利用在每個波長帶中的光學(xué)圖像的全部采樣產(chǎn)生數(shù)字的RGB彩色圖像，并且整個光學(xué)圖像按照顏色被過采樣3次。
37．如權(quán)利要求33所述的光電照相機(jī)，其特征在于，在一個波長帶內(nèi)的光學(xué)圖像中的被清楚地限定的像素的總數(shù)小于在檢測器裝置中為這一波長帶提供的檢測器(Dn)中的傳感器元件(E)的總數(shù)，使得在這種情況下，在給定的像素和其限定的傳感器元件之間存在一個對多個的關(guān)系，借以可以利用在每個波長帶中的過采樣并且使光學(xué)圖像的總的過采樣等于在每個波長帶內(nèi)的過采樣系數(shù)的和產(chǎn)生數(shù)字的RGB彩色圖像。
38．一種用于對在按照權(quán)利要求1-32中的任何一個或者按照權(quán)利要求33-37中的任何一個所述的光電照相機(jī)中記錄的整幅光學(xué)圖像進(jìn)行數(shù)字電子格式化的方法，其中被記錄的光學(xué)圖像作為數(shù)字圖像被存儲在照相機(jī)中的處理器裝置的存儲器中，并且可以在和處理器裝置相連的顯示裝置上顯示，其特征在于，通過基本上連續(xù)地或分級地沿徑向或軸向使圖像分別向著圖像中的會聚點或會聚軸收縮產(chǎn)生整幅的數(shù)字圖像的一部分或一個視野，所述圖像的收縮在被提供在處理器裝置中的數(shù)據(jù)處理器中并按照一個或幾個確定的像素減法協(xié)議以數(shù)字方式進(jìn)行，并利用在照相機(jī)內(nèi)或者照相機(jī)外部提供的操作裝置來實現(xiàn)，所述操作裝置由照相機(jī)的操作者手動地操縱，并按照預(yù)定的準(zhǔn)則被自動地操縱，并利用這種方式再次把格式化的視野分級地或連續(xù)地沿徑向或軸向分別從會聚點或會聚軸向著整幅圖像擴(kuò)展。
39．如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，所述格式化過程可以在顯示裝置上觀察，在任何時刻由格式化形成的部分或視野在顯示裝置上作為合成的整幅圖像被顯示，但是通過格式化的相應(yīng)的像素減去值，具有實際的空間清晰度。
40．如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，通過徑向縮小或擴(kuò)大，可以在照相機(jī)中實現(xiàn)數(shù)字電子變焦功能，場的格式分別被確定為遠(yuǎn)距離拍攝、廣角或宏格式，根據(jù)場景和照相機(jī)中的圖像平面之間的距離而定，并通過沿軸向縮小或擴(kuò)大從而在照相機(jī)中實現(xiàn)數(shù)字電子掃視功能。
41．如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，會聚點和會聚軸被確省地自動地選擇，其被分別作為在光軸和圖像平面之間的交點，或圖像平面的水平偏置線，并且會聚點和會聚軸通過操作裝置分別作為圖像的任意一點或任意的軸線被手動地選擇。
全文摘要
一種光電照相機(jī),其包括由許多光學(xué)有源結(jié)構(gòu)(L),特別是呈被提供在陣列中的微透鏡或小透鏡形式的折射結(jié)構(gòu)構(gòu)成的物鏡系統(tǒng),檢測器裝置(D)被分配給透鏡陣列,并包括由傳感器元件(E)形成的檢測器(D
文檔編號G03B33/14GK1285997SQ98813102
公開日2001年2月28日 申請日期1998年11月13日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月14日
發(fā)明者安妮·坦珍·梅爾維爾, 比約恩·梅爾維爾, 帕－埃里克·諾代爾, 漢斯·古德·古德森, 蓋爾·I·萊斯塔德 申請人:萊達(dá)·E·坦根, 帕－埃里克·諾代爾, 漢斯·古德·古德森, 蓋爾·I·萊斯塔德