專利名稱：計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)碼相機(jī)，特別設(shè)計(jì)一種計(jì)算攝像型(computational photography)數(shù)碼相機(jī)。
背景技術(shù)：
目前，數(shù)碼相機(jī)多采用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鏡頭變焦及/或?qū)挂垣@得高清晰的圖像。然而， 一方面，馬達(dá)大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜(如常見的音圈馬達(dá)包括有音圈、永磁元件及包履殼等元件)， 不利于組裝，且體積較大，不利于數(shù)碼相機(jī)的小型化。另一方面，近景拍攝時(shí)，鏡頭的景深較 小，往往僅能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)對(duì)焦，圖像整體清晰度不理想。為此，業(yè)界提出一種計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)，其在成像光路加入特殊的光學(xué)元件，如 編碼孑 L 徑(coded aperture)、光罩(mask),波前片(wavefront optical element),以捕獲 像側(cè)的四維光場(chǎng)(4-dimension light field)信息，并對(duì)捕獲到的四維光場(chǎng)信息進(jìn)行后端 數(shù)碼對(duì)焦處理(digital refocusing)。如此，可獲得全對(duì)焦(all in focus)的圖像。然而，特殊光學(xué)元件的制作工藝要求非常高，制作成本高。另外，在光路中加入編 碼孔徑或光罩會(huì)引起光丟失(light loss)，導(dǎo)致圖像亮度不足。而在數(shù)碼相機(jī)的光路中加 入波前片，后端的數(shù)碼對(duì)焦處理計(jì)算量非常大。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，有必要提供一種可實(shí)現(xiàn)全對(duì)焦且制作成本低的計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)。一種計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)，其包括一鏡頭、一影像感測(cè)器、一液晶元件及一數(shù)碼對(duì) 焦處理器。該液晶元件設(shè)置于該影像感測(cè)器前，其上形成有一周期性圖案電極。該周期性圖 案電極具有一周期性圖案電極函數(shù)。該影像感測(cè)器用于獲取經(jīng)該鏡頭及該液晶元件的光場(chǎng) 信息以獲得一圖像函數(shù)。該數(shù)碼對(duì)焦處理器包括一傅立葉變換器、一去卷積器、一反傅立葉 變換器及一重對(duì)焦器。該傅立葉變換器用于對(duì)該周期性圖案電極函數(shù)及該圖像函數(shù)進(jìn)行傅 立葉變換以分別得到一周期性圖案電極頻域函數(shù)及一圖像頻域函數(shù)。該去卷積器用于對(duì)該 圖像頻域函數(shù)進(jìn)行去除該周期性圖案電極頻域函數(shù)的去卷積運(yùn)算，以得到一本征圖像頻域 函數(shù)。該反傅立葉變換器用于對(duì)該本征圖像頻域函數(shù)進(jìn)行反傅立葉變換，以得到一本征圖 像函數(shù)。該重對(duì)焦器用于依據(jù)該本征圖像函數(shù)確定該影像感測(cè)器上各點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)焦的焦距， 以實(shí)現(xiàn)該影像感測(cè)器的全對(duì)焦。該計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)采用該液晶元件作為特殊光學(xué)元件并利用該數(shù)碼對(duì)焦處 理器進(jìn)行數(shù)碼重對(duì)焦，可實(shí)現(xiàn)全對(duì)焦。由于液晶元件技術(shù)及行業(yè)成熟，該液晶元件易于制 作，制作成本低。


圖1為本發(fā)明第一實(shí)施方式的計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)的示意圖。圖2為圖1的計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)的液晶元件的示意圖。
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圖3為本發(fā)明第二實(shí)施方式的液晶元件的示意圖。圖4為本發(fā)明第三實(shí)施方式的液晶元件的示意圖。圖5為本發(fā)明第四實(shí)施方式的液晶元件的示意圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明第一實(shí)施方式的計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)100包括一鏡頭10、一影 像感測(cè)器20、一液晶元件30及一數(shù)碼對(duì)焦處理器40。鏡頭10可以為簡(jiǎn)單的定焦鏡頭，可僅包括鏡筒12及收容于鏡筒12內(nèi)的鏡片14。 優(yōu)選地，鏡片14為非球面玻璃鏡片，以更好的傳遞物側(cè)的光場(chǎng)信息至像側(cè)。本實(shí)施方式中， 鏡頭10為變焦鏡頭，可實(shí)現(xiàn)近距拍攝及遠(yuǎn)距拍攝。一般地，遠(yuǎn)景拍攝時(shí)，物距較大，對(duì)應(yīng)地，景深非常大。一般認(rèn)為此時(shí)拍攝物(圖 未示)經(jīng)鏡頭10可在影像感測(cè)器20上形成清晰的圖像，無須啟動(dòng)液晶元件30及數(shù)碼對(duì) 焦處理器40。而近景拍攝時(shí)，物距較小，對(duì)應(yīng)地，景深較小，一般無法實(shí)現(xiàn)拍攝物的全對(duì)焦 (all infocus)。此時(shí)，有必要啟動(dòng)液晶元件30及數(shù)碼對(duì)焦處理器40，以進(jìn)行數(shù)碼重對(duì)焦 (digitalrefocusing,詳參下文)。影像感測(cè)器20可以為電荷耦合器(charge-coupled device, CCD)或互補(bǔ)金屬氧 化物半導(dǎo)體(complementary metal-oxide semiconductor, CMOS)感測(cè)器。景i像感測(cè)器 20 設(shè)置于鏡頭10的像側(cè)。優(yōu)選地，影像感測(cè)器20設(shè)置于鏡頭10的像平面處。請(qǐng)同時(shí)參閱圖2，液晶元件30為一液晶面板，其上形成有一周期性圖案電極32。液 晶元件30靠近影像感測(cè)器20設(shè)置于鏡頭10與影像感測(cè)器20之間。另外，鏡頭10的光軸 0穿過周期性圖案電極32的中心與影像感測(cè)器20的中心。若以周期性圖案電極32的中心 為原點(diǎn)，影像感測(cè)器20的寬度方向χ軸，影像感測(cè)器20的高度方向?yàn)閥軸，建立空間坐標(biāo) 系oxy ；周期性圖案電極32在χ軸的空間頻率為sx，周期性圖案電極32在y軸的空間頻率 為sy，則周期性圖像電極32的空間函數(shù)H(x，y)可表示為(l)H(x，y) = cos2 π (Sxx+Syy)?？梢岳斫?，在近景拍攝時(shí)，若對(duì)周期性圖案電極32施加一電壓，周期性圖案電極 32處的光學(xué)特性將發(fā)生變化。如，周期性圖案電極32處的折射率η將變化為η = η0+Δη, 其中，η0為液晶元件30的本征折射率，Δη為施加電壓后周期性圖案電極32處的折射 率變化量。如此，穿過周期性圖案電極32處的光線的光程發(fā)生變化。對(duì)應(yīng)地，影響感測(cè) 器20獲得的不再是平面(2-dimension)的光場(chǎng)信息，而可以獲得四維光場(chǎng)信息。如此， 便可通過對(duì)四維光場(chǎng)信息的處理，獲得全對(duì)焦圖像(詳參下文關(guān)于數(shù)碼對(duì)焦處理器40 得描述)。一般地，在空間坐標(biāo)系oxy上，液晶元件30的折射率可表示為(2)n(x，y)= η0+ Δ η X cos2 η (fxx+fyy)。本實(shí)施方式的周期性圖案電極32為一連串同心圓環(huán)322，圓環(huán)322之間的間隔相 同，內(nèi)外徑差相等。當(dāng)然，周期性圖案電極32并不限于本實(shí)施方式，可采用其他的周期性圖 案電極，如圖3所示的矩形螺旋線324、圖4所示的圓斑陣列326及圖5所示的斜方斑陣列 328。數(shù)碼對(duì)焦處理器40包括一傅立葉變換(Fourier transform)器42、一去卷積 (deconvolution)器 44、一反傅立葉變換(inverse Fourier transform)器 46 及一重對(duì)焦 器(refocusing unit)48。
傅立葉變換器42用于在近景拍攝時(shí)對(duì)影像感測(cè)器20輸出的空間域上的圖像函數(shù) Uf (X，y)(振幅函數(shù))進(jìn)行傅立葉變換得到圖像函數(shù)Uf (X，y)的頻域函數(shù)Uf (fx，fy)，其中， fx, fy分別為頻域上χ軸及y軸上的變量。具體地，依據(jù)傅立葉光學(xué)(Fourier optics)可
得到Ui(U)=W:: “其中j為虛數(shù)單位，λ為工作波長(zhǎng)，f為近
(3)^ -，
景拍攝時(shí)對(duì)應(yīng)影像感測(cè)器20上各點(diǎn)(X，y)實(shí)現(xiàn)對(duì)焦的對(duì)應(yīng)的焦距(即可記為f(x，y))。另外，傅立葉變換器42還用于對(duì)周期性圖像電極32的空間函數(shù)H(x，y)進(jìn)行傅立 葉變換得到周期性圖像電極32的頻域函數(shù)Hf (fx，fy)。一般地，H(x, y)為已知函數(shù)，因此， 可得到確定的關(guān)于fx，fy的Hf (fx，fy)。去卷積器44用于對(duì)Uf (fx，fy)進(jìn)行去卷積運(yùn)算。根據(jù)圖像處理原理可知Uf (X，y) 應(yīng)為空間域上的本征圖像函數(shù)隊(duì)⑴y)與周期性圖像電極32的空間函數(shù)H(x，y)的卷積， 即(4)Uf(x，y) =Us(χ, y) · H(x，y)。因此，根據(jù)數(shù)學(xué)理論可得(5)Uf(fx，fy) = F(Us(x, y)) · Hf (fx, fy)，其中F(Us(χ, y))表示對(duì)Us(x，y)進(jìn)行傅立葉變換。如此，可推得對(duì)Uf (fx， fy)進(jìn)行去除禮(仁，仁)的去卷積運(yùn)算為⑶—辦力”⑵-餌…人妙 仏/；^依據(jù)圖像處理 理論，對(duì)叫(仁，仁)進(jìn)行去除禮(仁，仁)的去卷積運(yùn)算相當(dāng)于在頻域上將影像感測(cè)器20獲得 的信號(hào)中關(guān)于周期性圖案電極32的信號(hào)濾除掉。反傅立葉變換器46用于對(duì)F(Us(x，y))進(jìn)行反傅立葉變化以得到Us(x，y)。由上 各式，特別是(1)，(3)，(6)可得Us(x，y)為帶有變量x，y，f的函數(shù)。重對(duì)焦器48用于確定影像感測(cè)器20上各點(diǎn)(X，y)的f以使對(duì)應(yīng)點(diǎn)(x，y)實(shí)現(xiàn) 對(duì)焦。具體地，將各點(diǎn)(X，y)的坐標(biāo)值代入U(xiǎn)s(X，y)便可得到f。如此，通過計(jì)算各點(diǎn)(X， y)的f，便可得到全對(duì)焦的圖像。另外，通過計(jì)算點(diǎn)(χ，y)的f的最大差異，還可得到全對(duì) 焦情況下，圖像的景深A(yù)L。計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)100采用液晶元件30作為特殊光學(xué)元件并利用數(shù)碼對(duì)焦處 理器40進(jìn)行數(shù)碼重對(duì)焦，可實(shí)現(xiàn)全對(duì)焦。由于液晶元件技術(shù)及行業(yè)成熟，液晶元件30易于 制作，制作成本低。另外，液晶元件30對(duì)光場(chǎng)的調(diào)制(code)是通過改變特定光線(穿過周 期性圖案電極32的光線)的光程實(shí)現(xiàn)的，而非像編碼孔徑或光罩通過對(duì)特定光線的攔截實(shí) 現(xiàn)，可避免光丟失，也不存在波前面調(diào)制(wavefront coding)引起的計(jì)算量過大的問題?？梢岳斫猓壕г?0的設(shè)置并不限于本實(shí)施方式，其可以設(shè)置于影像感測(cè)器20 前的任意位置，如嵌設(shè)于鏡頭10內(nèi)或設(shè)置于鏡頭10前。本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，以上的實(shí)施方式僅是用來說明本發(fā)明， 而并非用作為對(duì)本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神范圍之內(nèi)，對(duì)以上實(shí)施例所作的 適當(dāng)改變和變化都落在本發(fā)明要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)，其包括一鏡頭及一影像感測(cè)器；其特征在于該計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)還包括一液晶元件及一數(shù)碼對(duì)焦處理器；該液晶元件設(shè)置于該影像感測(cè)器前，其上形成有一周期性圖案電極；該周期性圖案電極具有一周期性圖案電極函數(shù)；該影像感測(cè)器用于獲取經(jīng)該鏡頭及該液晶元件的光場(chǎng)信息以獲得一圖像函數(shù)；該數(shù)碼對(duì)焦處理器用于包括一傅立葉變換器、一去卷積器、一反傅立葉變換器及一重對(duì)焦器；該傅立葉變換器用于對(duì)該周期性圖案電極函數(shù)及該圖像函數(shù)進(jìn)行傅立葉變換以分別得到一周期性圖案電極頻域函數(shù)及一圖像頻域函數(shù)；該去卷積器用于對(duì)該圖像頻域函數(shù)進(jìn)行去除該周期性圖案電極頻域函數(shù)的去卷積運(yùn)算，以得到一本征圖像頻域函數(shù)；該反傅立葉變換器用于對(duì)該本征圖像頻域函數(shù)進(jìn)行反傅立葉變換，以得到一本征圖像函數(shù)；該重對(duì)焦器用于依據(jù)該本征圖像函數(shù)確定該影像感測(cè)器上各點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)焦對(duì)應(yīng)的焦距，以實(shí)現(xiàn)該影像感測(cè)器的全對(duì)焦。
2.如權(quán)利要求1所述的計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)，其特征在于fe頭。
3.如權(quán)利要求1所述的計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)，其特征在于 于該鏡筒內(nèi)至少一鏡片。
4.如權(quán)利要求3所述的計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)，其特征在于 非球面玻璃鏡片。
5.如權(quán)利要求1所述的計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)，其特征在于 器或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體感測(cè)器。
6.如權(quán)利要求1所述的計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)，其特征在于 頭的像平面處。
7.如權(quán)利要求1所述的計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)，其特征在于該液晶元件為一液晶面板。
8.如權(quán)利要求1所述的計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)，其特征在于該液晶元件設(shè)置于該鏡頭 與該影像感測(cè)器之間、該鏡頭內(nèi)或該鏡頭前。
9.如權(quán)利要求1所述的計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)，其特征在于該周期性圖案電極為多個(gè) 同心圓環(huán)、矩形螺旋線、圓斑陣列或斜方斑陣列。
10.如權(quán)利要求1所述的計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)，其特征在于該鏡頭的光軸穿過該周期 性圖案電極的中心及該影像感測(cè)器的中心。該鏡頭為定焦鏡頭或變焦 該鏡頭包括一鏡筒及設(shè)置 該至少一鏡片包括至少一 該影像感測(cè)器為電荷耦合 該影像感測(cè)器設(shè)置于該鏡
全文摘要
本發(fā)明提供一種計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)，其在其光路加入一液晶元件，并在其后端增加一數(shù)碼對(duì)焦處理器。該液晶元件形成有一周期性圖案電極。該數(shù)碼對(duì)焦處理器用于對(duì)該周期性圖案電極的空間函數(shù)及該計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)獲得的圖像函數(shù)進(jìn)行傅立葉變換、在頻域上對(duì)該圖像函數(shù)進(jìn)行去除該周期性圖案電極的空間函數(shù)的去卷積運(yùn)算以得到一本征圖像頻域函數(shù)、對(duì)該本征圖像頻域函數(shù)進(jìn)行反傅立葉變換以得到一本征圖像函數(shù)，并依據(jù)該本征圖像函數(shù)確定該圖像函數(shù)上各點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)焦對(duì)應(yīng)的焦距以實(shí)現(xiàn)全對(duì)焦。該計(jì)算攝像型數(shù)碼相機(jī)利用該液晶元件及該數(shù)碼對(duì)焦處理器實(shí)現(xiàn)全對(duì)焦。由于液晶元件技術(shù)及行業(yè)成熟，該液晶元件易于制作，制作成本低。
文檔編號(hào)H04N5/232GK101964866SQ20091030476
公開日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2009年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月24日
發(fā)明者丘祺緯 申請(qǐng)人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司;鴻海精密工業(yè)股份有限公司