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CN100596168C - 多透镜成像系统和方法 - Google Patents

多透镜成像系统和方法 Download PDF

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CN100596168C CN200580042753A CN200580042753A CN100596168C CN 100596168 C CN100596168 C CN 100596168C CN 200580042753 A CN200580042753 A CN 200580042753A CN 200580042753 A CN200580042753 A CN 200580042753A CN 100596168 C CN100596168 C CN 100596168C
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Abstract

本发明提供多种成像系统和方法。一种示范性系统(300)并入有多个透镜，所述多个透镜经个别地配置以从待成像的物体接收可见光，且将此光引导到相应的传感器阵列上。接着从所述传感器阵列中的一个或一个以上传感器阵列中产生的信号得到亮度信息。当需要色度信息时，在透镜与相应的传感器阵列之间插入光学过滤器。所述光学过滤器中含有的马赛克图案经定制以提供有利的色度信息。可使用具有不同马赛克图案的一个或一个以上所述过滤器。从所述传感器阵列获得的亮度和色度信息经组合以产生所述物体的图像。

Description

多透镜成像系统和方法
技术领域
无
背景技术
在例如数码相机的图像俘获装置中，附接到个人计算机的桌式相机和建置在移动电话中的相机通常具有单个透镜，通过所述透镜所接收的来自待照相物体的光被引导到电荷耦合器件(CCD)传感器阵列上，或作为替代，引导到互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器阵列上。因为这些相机中的大多数相机是彩色相机，所以在透镜与传感器阵列之间插入像素化滤色器。滤色器一般含有红、绿和蓝过滤器元件的阵列，所述阵列常被配置成马赛克图案，所述图案在业界被称作拜耳图案(Bayer pattern)。滤色器的每一元件(不管传输通过元件的色彩为如何)与位于传感器阵列中的传感器元件对准。这种对准使得可在传感器阵列中俘获色彩像素信息。接着处理此色彩像素信息以产生物体的彩色图像。
单透镜相机遭受若干不足。这些不足的某些实例为：有限的图像分辨率、较差的彩色成像以及不当的亮度成像。通常，图像分辨率受限是使用含有有限数目的传感器元件的单个传感器阵列的结果。通过增加传感器元件的数目可改进图像分辨率，且在已增加传感器阵列中含有的传感器元件的密度的若干相机中已使用了这种解决方案。虽然将来还需要做很多事情来改进传感器元件密度，但还需要找到改进成像分辨率的替代性解决方案。
较差的彩色成像一般是传感器阵列中的传感器元件中的有限光谱带宽的结果。一种用于克服光谱带宽限制的技术涉及将从传感器阵列中的一个元件获得的彩色图像信息与从相邻传感器元件获得的额外的色彩信息进行组合。遗憾的是，这种技术常导致已知为“色彩假象”的色彩缺陷，当传感器元件之间的物理间隔(被称作“像素间距”)与图像内容的空间间距处于同样的级别时，会产生所述色彩缺陷。这种现象(有时还被称作“混叠”)导致不合需要的图像失真和较差的彩色成像。
转向不当的亮度成像的方面，常规的相机之所以有一定程度的不足是因为，进入相机透镜的光在照射到传感器阵列之前必须穿过滤色器。因此，传感器元件中的每一者仅接收到某种色彩的光，而不是接收会提供更准确的图像亮度信息的宽光谱光。举例来说，第一传感器元件仅接收到绿色的光，而第二传感器仅接收到红色的光，且第三传感器仅接收到蓝色的光。从这三个元件获得的三种色彩像素接着经处理以获得图像亮度信息。所述处理不能准确地重现成像物体的亮度信息。
因此可了解，需要具有克服上文所识别的缺点中的一者或一者以上的成像系统和方法。
发明内容
根据本发明，成像系统一般并入多个透镜，所述多个透镜经个别地配置以从待成像的物体接收可见光，且将此光引导到相应的传感器阵列上。接着从所述传感器阵列中的一个或一个以上传感器阵列中产生的信号得到亮度信息。当需要色度信息时，在透镜与相应的传感器阵列之间插入光学过滤器。所述光学过滤器中含有的马赛克过滤器图案经定制以提供有利的色度信息。可使用具有不同马赛克过滤器图案的一个或一个以上所述过滤器。
显然，本发明的某些实施例可展示除了上文提到的优点之外的或作为其替代的优点。另外，在检查了以下图式和具体实施方式之后，所属领域的技术人员将明白本发明的其它系统、方法、特征和/或优点。期望所有这些额外的系统、方法、特征和/或优点都包含在本文描述内容中，处于本发明的范畴内，且受随附权利要求书保护。
附图说明
通过参考以下图式，可更好地理解本发明的许多方面。图式中的组件并没有必要按比例，而是着重于清楚地说明本发明的原理。另外，在图式中，若干图中的相同的参考符号始终表示相应的部件。
图1展示使用第一透镜系统来获得亮度信息并使用第二透镜系统来获得待成像物体的色度信息的示范性两透镜成像系统。
图2展示将图1的两透镜成像系统与第三透镜系统组合以获得额外的亮度信息的示范性三透镜成像系统。
图3展示将图1的两透镜成像系统与第三透镜系统组合以获得额外的色度信息的示范性三透镜成像系统。
图4展示使用三个光学过滤器的示范性三透镜成像系统，其中每一光学过滤器经配置以具有独特的过滤器元件阵列。
图5展示使用三个光学过滤器的示范性三透镜成像系统，其中每一光学过滤器经配置为具有独特的过滤器元件阵列的象限分区过滤器。
图6展示包括示范性三透镜成像系统组合件的少数个别组件。
图7展示用于从两透镜系统产生图像的方法的流程图。
图8展示用于从三透镜系统产生图像的方法的流程图，其中所述三个透镜系统中的每一者产生色度信息。
图9展示用于从三透镜系统产生图像的方法的流程图，其中所述透镜系统中的一者产生亮度信息，且其它两个透镜系统中的每一者产生色度信息。
具体实施方式
各种实施例描述用于成像的系统和方法。所述成像系统一般并入多个透镜，所述多个透镜经个别地配置以从待成像的物体接收可见光，且将此光引导到相应的传感器阵列上。接着从所述传感器阵列中的一个或一个以上传感器阵列中产生的信号得到亮度信息。当需要色度信息时，在透镜与相应的传感器阵列之间插入光学过滤器。所述光学过滤器中含有的马赛克过滤器图案经定制以提供有利的色度信息。可使用具有不同马赛克过滤器图案的一个或一个以上所述过滤器。
在成像系统的一个实施例中，从多个传感器得到的色度信息经处理以产生物体的图像，而在第二实施例中，从多个传感器得到的亮度和色度信息经组合以产生物体的图像。下文描述少数这些实施例。应了解，下文示范性实施例中提到的例如绿、蓝和红的色彩是出于阐释目的，而并不期望将本发明限于这些特定色彩。因此，在其它实施例中，将使用其它色彩。
图1展示使用第一透镜系统100A来获得待成像物体101的亮度信息并使用第二透镜系统100B来获得物体101的色度信息的示范性两透镜成像系统100。透镜110从物体101接收可见光的全光谱，并将此光引导到亮度传感器阵列115上。亮度传感器阵列115是像素化阵列，其通过产生呈多个像素形式的亮度信号来响应于入射光。透镜系统100A甚至在物体101经受较低的亮度条件时也提供良好的光通量灵敏度。因为与色度相比人眼对亮度上的空间变化更敏感，所以亮度传感器阵列115可经配置以获得最大的亮度精度，而不受色度参数任何限制。
透镜120还从物体101接收可见光的全光谱，且将此光引导向色度传感器阵列130。插在透镜120与色度传感器阵列130之间的是光学过滤器125，其选择性地传播可见光的全光谱中的一个或一个以上子光谱。举例来说，在图1所说明的实施例中，光学过滤器125是具有拜耳马赛克图案的拜耳过滤器。这个马赛克图案含有使用红色符号126说明的若干红色过滤器元件、使用绿色符号127说明的若干绿色过滤器元件和使用蓝色符号128说明的若干蓝色过滤器元件。因此光学过滤器125传播光的三个子光谱。第一子光谱含有对应于红色光的波长，第二子光谱含有对应于绿色光的波长，且第三子光谱含有对应于蓝色光的波长。
光学过滤器125的过滤器元件中的每一者光学对准到色度传感器阵列130中的相应传感器元件，进而提供来自每一传感器元件的一个像素的色度信息。所述传感器元件的一个实例是传感器元件131，在此实例中，其提供一个像素的绿光信息。
从色度传感器阵列130获得的像素化色度信息与从亮度传感器阵列115获得的像素化亮度信息进行组合，以产生物体的图像。图像的分辨率与所述两个传感器阵列中含有的像素的数目成比例，且因此高于通常使用单个传感器阵列从单透镜系统获得的分辨率。
应了解，标记“亮度传感器阵列”和“色度传感器阵列”用于便利地描述这些传感器阵列的功能性，而并不期望限制个别的传感器阵列的物理特征。举例来说，在一个实施例中，“亮度”传感器阵列可在物理上等同于“色度”传感器阵列。因此，通过将未经过滤的可见光引导到传感器阵列上，两种传感器中的任一者可用于获得亮度信息。类似地，通过仅将某些色彩的光引导到传感器阵列上，同样的这两种阵列中的任一者可用于获得色度信息。
在另一方面，在替代性实施例中，两个阵列在物理上彼此不同。举例来说，“色度”传感器阵列中的传感器元件经选择以提供对入射到阵列上的某一色彩的光而非对全光谱可见光的最大响应，而“亮度”传感器的传感器元件经选择以最大地响应于全光谱可见光，而非特定色彩的光。
图2展示使用第一透镜系统200A来获得一个或一个以上待成像物体(未图示)的亮度信息并使用第二透镜系统200B来获得所述物体的色度信息的示范性三透镜成像系统200。透镜系统200A和200B分别类似于图1的透镜系统100A和100B。第三透镜系统200C用于获得物体的额外的亮度信息。在此示范性实施例中，透镜系统200C包含亮具有与透镜系统200A的亮度传感器阵列215相同数目的传感器元件的亮度传感器阵列240。然而，以亮度传感器阵列215中含有的传感器元件作为参考，亮度传感器阵列240中含有的传感器元件在空间上偏移。因此，从这两个传感器获得的像素化亮度信息彼此互补以提供增加的分辨率，这不仅是因为与单个传感器阵列中含有的传感器元件相比传感器元件加倍，还因为由于空间偏移的原因而在不同的像素位置处获得增加的亮度信息。在其它实施例中，三个传感器中每一者中的传感器元件的数目可以不同。
图3展示使用第一透镜系统300C来获得待成像物体(未图示)的亮度信息并使用第二透镜系统300B来获得所述物体的色度信息的另一示范性三透镜成像系统300。透镜系统300C和300B分别类似于图1的透镜系统100A和100B。第三透镜系统300A用于获得所述物体的额外的色度信息。在此示范性实施例中，光学过滤器305是红绿过滤器，其具有与光学过滤器325(红绿蓝拜耳过滤器)的马赛克图案不同的马赛克图案。另外，以光学过滤器325的马赛克图案为参考，光学过滤器305的马赛克图案可在空间上偏移。举例来说，以绿过滤器元件307为参考，绿过滤器元件306偏移。因此，从光学耦合到光学过滤器305的传感器阵列315获得的某一色度信息与从传感器阵列330获得的色度信息互补。举例来说，以接收绿光的传感器阵列330的传感器元件为参考，接收绿光的传感器阵列315的传感器元件在空间上偏移。因此，与从单透镜系统的单个传感器阵列获得的分辨率相比，通过组合来自两个传感器阵列的信息而获得的绿像素信息提供更高的分辨率。
图4展示使用三个透镜系统400A、400B和400C来获得待成像物体(未图示)的三组色度信息的三透镜成像系统400。下文揭示三透镜成像系统400的若干示范性实施例。
在第一实施例中，三个光学过滤器405、425和445具有彼此不同的马赛克图案。光学过滤器405为红绿过滤器，其具有不同于作为红绿蓝拜耳过滤器的光学过滤器425的马赛克图案的马赛克图案。光学过滤器445也为另一变体，其具有不同于光学过滤器405和425中含有的马赛克图案的蓝绿马赛克图案。从传感器415、430和440获得的三组信息经组合以产生物体的图像。
在图4的第二实施例中，三个光学过滤器405、425和445彼此类似。举例来说，所有三个光学过滤器为相同的拜耳滤色器，所述每一拜耳滤色器具有与现有技术单透镜系统的光学过滤器中含有的像素元件一样多的像素元件。然而，由于超分辨率，三透镜成像系统400的景深显著优于现有技术单透镜系统的景深。举例来说，三透镜成像系统400的景深范围可从0.11mm到无限远，相比之下，现有技术单透镜系统的景深范围从0.30mm到无限远。超分辨率是一种图像处理方法，其中“n”个个别的图像叠加在彼此之上以使分辨率改进(n)1/2倍。举例来说，当利用超分辨率时，与从现有技术单透镜系统获得的分辨率相比，从三透镜成像系统400获得的分辨率改进了(3)1/2倍，(n)1/2是指n的平方根，因此(3)1/2应是3的平方根。
在上文第二实施例的变体中，三个光学过滤器405、425和445中的每一者以及每一相应的传感器415、430和440的尺寸经增加，使得三透镜成像系统400的景深与现有技术单透镜系统的景深一样。因为尽管光学过滤器/传感器阵列的总尺寸增加了，但每一光学过滤器中含有的每一个别过滤器元件的尺寸以及每一传感器阵列中含有的每一个别的传感器元件的尺寸维持不变，所以应了解，总的像素数显著增加。因此，三透镜成像系统400的分辨率显著高于现有技术单透镜系统的分辨率。
在图4的第三实施例中，三透镜系统400A、400B和400B结合轴上成像并入离轴成像。透镜410、420和435中的一者或一者以上经配置以在传感器415、430和440中相应的一者上的离轴位置处提供最佳的调制传递函数(MTF)。可从题为“Imaging systemsand methods”的共同待决的专利申请案(Russ Gruhlke等人)中获得所述系统的更多细节，其全文以引用的方式并入本文中。
图5展示使用三个透镜系统500A、500B和500C来获得待成像物体(未图示)的三组色度信息的示范性三透镜成像系统500。在第一实施例中，三个光学过滤器505、525和545中的每一者并入一个或一个以上四象限过滤器，其中所述象限中的每一者经配置以传播入射光的子光谱。举例来说，四象限过滤器505A的第一象限可经配置以传播红光，第二象限经配置以传播绿光，第三象限经配置以同样传播绿光，第四象限经配置以传播蓝光。在滤色器图案表501的框506中描绘所述图案，所述图案表说明在三个四象限过滤器505A、525A和545A中实现的所述组合的少数实例。框507描绘四象限组合，其经配置以通过四象限中的每一者传播可见光的全光谱。在另一实施例中，四象限中的仅一者经配置以传播可见光的全光谱。
注意一下滤色器图案表501的虚线框541，可看到，四象限过滤器505A具有红红蓝蓝(2R2B)象限配置，而四象限过滤器525A具有绿绿绿绿(4G)象限配置，且四象限过滤器545A具有红红蓝蓝(2R2B)象限配置。类似地，虚线框542提供另一实例，其中四象限过滤器505A具有红红红蓝(3R1B)配置，四象限过滤器525A具有绿绿绿绿(4G)象限配置，且四象限过滤器545A具有红蓝蓝蓝(1R3B)象限配置。
图6展示构成示范性三透镜成像系统组合件600的少数个别组件。透镜组合件610含有三个透镜。覆盖外壳605安置在封围外壳615上，将透镜组合件610封围在其中。接着将经组装的三个元件进一步安置在电路小片620上，接着将所述电路小片进一步安置在衬底630上。
电路小片620含有与如上文所述的各种示范性实施例中的三个透镜系统相关联的三个滤色器。三个过滤器光学对准到透镜组合件610中的三个透镜。电路小片620可进一步容纳三个传感器元件，每一传感器元件还光学对准到透镜组合件610的三个透镜。电路小片620可进一步容纳一个或一个以上计算电路以处理来自三个传感器元件的三个信号，并产生复合图像。出于简明起见，已在图6中省略了系统600的其它方面，例如外部连接、电路、机械紧固件和安装硬件。
图7展示用于从两透镜系统(例如，图1的系统100)产生图像的方法的流程图。在方框705中，提供第一透镜、第一光学过滤器和第一传感器。这三个组件经排列成光学序列，其中光学过滤器位于透镜与传感器之间。来自待成像物体的进入第一透镜的可见光被引导到与第一透镜排列成光学对准的第一光学过滤器上。根据过滤器的马赛克图案由第一光学过滤器过滤可见光。举例来说，如果第一光学过滤器是拜耳过滤器，那么马赛克图案提供拜耳图案中的红绿蓝过滤。经过滤的光传播到第一传感器上。
在方框710中，从第一传感器中获得与入射在第一传感器上的光图案相关的像素化色度信息。在方框715中，提供第二透镜和第二传感器，且其排列成光学序列。来自待成像物体的进入第二透镜的可见光不经过滤地被直接引导到第二传感器上。在方框720中，从第二传感器获得可见光的未经过滤的光谱的像素化亮度信息。这样一种排列使得甚至在物体经受暗光曝光时也在成像系统中提供最佳的光通量灵敏度。
在方框725处，从第一传感器获得的像素化色度信息与从第二传感器获得的像素化亮度信息经组合以产生物体图像。
图8展示用于从三透镜系统(例如，图4的系统400)中产生图像的方法的流程图。在方框805中，提供第一透镜、第一光学过滤器和第一传感器。这三个组件排列成光学序列，其中光学过滤器位于透镜与传感器之间。从待成像物体进入第一透镜的可见光被引导到与第一透镜排列成光学对准的第一光学过滤器上。可见光由第一光学过滤器根据过滤器的马赛克图案进行过滤。举例来说，如果第一光学过滤器是红绿过滤器，那么马赛克图案提供红绿过滤。经过滤的光传播到第一传感器上。在方框810中，从第一传感器获得与入射的第一光图案相关的色度信息。
在方框815中，提供第二透镜、第二光学过滤器和第二传感器。这三个组件排列成光学序列，其中光学过滤器位于透镜与传感器之间。从待成像物体进入第二透镜的可见光被引导到与第二透镜排列成光学对准的第二光学过滤器上。可见光由第二光学过滤器根据过滤器的马赛克图案进行过滤。举例来说，如果第二光学过滤器是拜耳过滤器，那么马赛克图案提供红绿蓝拜耳马赛克过滤。经过滤的光传播到第二传感器上。在方框820中，从第二传感器获得与入射的第二光图案相关的色度信息。
在方框825中，提供第三透镜、第三光学过滤器和第三传感器。这三个组件排列成光学序列，其中光学过滤器位于透镜与传感器之间。从待成像物体进入第三透镜的可见光被引导到与第三透镜排列成光学对准的第三光学过滤器上。可见光由第三光学过滤器根据过滤器的马赛克图案进行过滤。举例来说，如果第三光学过滤器是蓝绿过滤器，那么马赛克图案提供蓝绿马赛克过滤。经过滤的光传播到第三传感器上。在方框830中，从第三传感器获得与入射的第三光图案相关的色度信息。在方框835中，第一、第二和第三色度信息经组合以产生物体的图像。
图9展示用于从三透镜系统(例如，图3的系统300)产生图像的方法的流程图。所属领域的普通技术人员根据上文揭示内容将理解图9的各个方框。因此，出于简明起见，本文不再重复上文提到的阐释。
陈述上文所述的实施例仅用于清楚地理解本揭示案的原理。在实质上不脱离本揭示案的情况下，可作出许多变化和修改。本文所有所述修改和变化均包含在本揭示案的范畴内。

Claims (8)

1.一种成像系统(300)，其包括：
第一亮度传感器阵列(340)，其经操作以从可见光的全光谱中产生第一像素化亮度信息；
第一色度传感器阵列(330)，其经操作以从可见光的第一组颜色产生第一像素化色度信息；
第二色度传感器阵列(315)，其经操作以从可见光的第二组颜色产生第二像素化色度信息；
光学耦合到所述第一色度传感器阵列(330)的第一过滤器(325)，其具有使用所述第一组颜色的第一马赛克图案；以及
光学耦合到所述第二色度传感器阵列(315)的第二过滤器(305)，其具有使用所述第二组颜色的第二马赛克图案，其中所述第一与第二像素化色度信息经组合以产生物体的复合图像，且
相对于与所述第二色度传感器阵列相关的所述第二过滤器的所述第二马赛克图案，在空间上偏移与所述第一色度传感器阵列相关的所述第一过滤器的所述第一马赛克图案，以使所述产生的复合图像具有比所述第一色度传感器阵列或所述第二色度传感器阵列可单独再现的所述图像的分辨率更高的分辨率。
2.根据权利要求1所述的成像系统，其进一步包括：
第一透镜(335)，其经配置以从所述待成像的物体接收可见光的所述全光谱，且经操作以将可见光的所述全光谱引导到所述第一亮度传感器阵列上；以及
第二透镜(320)，其经配置以从所述待成像的物体接收可见光的所述全光谱，其中所述第一过滤器(325)在光学上与所述第二透镜串联排列，以接收由所述第二透镜引导到所述第一过滤器上的可见光的所述全光谱，且经操作以将可见光的所述第一组颜色传播到所述第一色度传感器阵列上。
3.根据权利要求2所述的成像系统，其中所述第一过滤器(325)是拜耳滤色器，其经操作以传播对应于红光、绿光和蓝光的至少三个子光谱；且其中所述第一色度传感器阵列(330)经操作以产生对应于至少一个红像素、一个绿像素和一个蓝像素的色度信息。
4.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述第二过滤器是拜耳滤色器，其经操作以传播可见光的至少三个子光谱，所述三个子光谱包含入射在所述第二色度传感器阵列(315)上的可见光的第二子光谱。
5.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述第一和第二过滤器中的至少一者的大小经配置以提供所述成像系统的所需景深。
6.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述第一和第二色度传感器阵列中的至少一者的大小经配置以提供所述成像系统的所需景深。
7.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述第一和第二组颜色中的至少一个颜色是公共颜色，相对于与所述第二色度传感器阵列相关的所述第二马赛克图案，在空间上偏移与所述第一色度传感器阵列相关的所述第一马赛克图案中的所述公共颜色，以使至少来自所述第一与第二色度传感器阵列的所述公共颜色的信息经组合以产生所述复合图像。
8.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述第一组或第二组中一者的颜色中的至少一个颜色不同于所述第一组或第二组中的另一组中的颜色并且所述第一和第二组颜色中的至少一个颜色是公共颜色，以使至少来自所述第一与第二色度传感器阵列的所述公共颜色的信息经组合以产生所述复合图像。
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