设计具有有意畸变的小型透镜的方法技术

一种设计小型广角和超广角透镜的方法，这通过使用有意畸变以具有比给定图像传感器大小和期望图像投影通常的焦距更短的焦距来进行。这导致光学系统具有小于0.8的小型化比率，该小型化比率被定义为总轨道长度和图像覆盖区直径之间的比率。来自这些系统的具有有意畸变的结果得到的图像然后可以用处理器处理，以消除有意畸变并输出具有目标畸变分布的图像。消除有意畸变并输出具有目标畸变分布的图像。消除有意畸变并输出具有目标畸变分布的图像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】设计具有有意畸变的小型透镜的方法
[0001]相关申请的交叉引用本申请要求目前未决的标题为“Method to Design Miniature Lenses with On
‑
Purpose Distortion”的于2019年7月9日提交的美国临时专利申请号62/871,978的权益，其全部内容通过引用并入本文中。


[0002]本专利技术的实施例涉及光学透镜及其设计的领域，并且更具体地涉及结合图像处理使用的具有大约60
°
或更大的广角视场的全景小型透镜。

技术介绍

[0003]用于在现代智能手机或其他具有有限空间的应用中使用的成像透镜的设计都面临着这样的挑战，即需要大的图像覆盖区直径，同时保持可能的最小透镜总厚度，在光学设计领域中也称为总轨道长度（TTL）。尤其是在现代智能手机或消费电子产品中，透镜的厚度通常被限制到在10mm以下的总轨道长度的值，以避免透镜从薄设备中伸出来。至于图像覆盖区直径，随着图像传感器具有越来越多的百万像素的趋势，其大小的趋势也在上升。照此，要求具有带有尽可能小的小型化比率的透镜，小型化比率定义为总轨道长度和图像覆盖区直径之间的比率。
[0004]对于现有的总视场在60
°
和100
°
之间的广角透镜和总视场在100
°
和170
°
之间的超广角透镜，小型化比率一般为0.8或更高。对于固定的图像传感器大小，要求具有高度H的固定图像覆盖区半直径，这种小型化比率通常受到透镜的所需焦距f的限制，以便遵循直线投影H=f*tan(θ)，如在移动电话中经常需要的，因为它经常被认为是最令人愉快的视觉。
[0005]需要一种设计小型广角透镜和超广角透镜的新方法来实现小于0.8的小型化比率，尤其是当透镜与图像处理结合使用以在图像不足以令人愉快地观看时增强图像的显示投影时。

技术实现思路

[0006]为了克服先前提到的所有问题，本专利技术的实施例提出了一种设计小型化比率小于0.8的广角或超广角光学系统的方法。根据本专利技术，广角光学系统被认为是具有近似60
°
和100
°
之间的全视场的光学系统，并且超广角光学系统被认为是具有近似100
°
和170
°
之间的全视场的光学系统。然而，这两个类别的60
°
下限和170
°
上限两者都是通常范围的示例，而不是限制本专利技术的思想的绝对值。广角和超广角光学系统也被称为全景光学系统，因为它们的宽视场允许用单次捕获来捕获大部分场景。小型化比率被定义为这些光学系统的总轨道长度（TTL）和图像覆盖区直径之间的比率。光学系统可以是任何类型的，包括仅使用折射将光从物体引导到图像的纯透镜、使用折射和折射的组合的光学系统、使用衍射光学元件的光学系统、具有超材料或超表面的光学系统等。在优选实施例中，光学系统是仅由透镜元件组成的光学透镜。
[0007]为了减小小型化比率，所设计的广角或超广角透镜可以通过减小总轨道长度或增加图像覆盖区直径来这样做。然而，对于给定的透镜设计，图像传感器经常由应用来指定，因为像素的数量和像素的大小限定了该光学系统能够实现什么。减小小型化比率的唯一剩余方法是降低系统的总轨道长度。为了这样做，当前专利技术的方法有意减小系统的焦距，以便获得较小的总轨道长度，并实现0.8以下的小型化比率。在小型广角和超广角透镜中，与为给定图像传感器创建目标投影的系统的焦距相比，焦距减小了至少10%，导致中心的分辨率比目标分辨率曲线的分辨率低至少10%。
[0008]在一些实施例中，根据本专利技术的方法用于设计极小型广角或极小型超广角透镜，其中焦距可以进一步减小到比给定图像传感器上的目标投影所需要的系统焦距低至少15%，或者甚至比创建目标投影的系统焦距低至少20%。在极小型广角或极小型超广角透镜的一些其他实施例中，不一定与以上具有减小的焦距的设计相关，小型化比率低于0.7。在一些其他实施例中，本专利技术的方法被甚至进一步推进，并且小型化比率至少低于0.6或者甚至低于0.5。
[0009]除了具有较小的焦距，导致视场中心的较低分辨率之外，对于固定的总视场，为了使图像在图像平面上覆盖相同的图像覆盖区直径，在中心创建压缩区域的焦距减小与有意畸变相结合，以在视场的其余部分中创建至少一个扩展区域，其中设计的透镜的分辨率大于应用的目标分辨率。
[0010]一旦根据本专利技术的小型广角或小型超广角透镜被设计和制造，它就可以用于相机系统中以在图像传感器上创建具有有意畸变的图像，以在中心创建压缩区域，并且在视场的其余部分中创建至少一个扩展区域。该图像传感器用于创建具有有意畸变的来自透镜的光学图像的数字图像文件。然后，该原始数字图像文件可以与图像处理和畸形矫正（dewarp）算法结合使用，以创建经处理和畸形矫正的图像，其中分辨率分布已经从原始分辨率分布变换为目标分辨率分布。该算法还可以用于执行其他图像处理操作，以便进一步提高输出图像的图像质量。最后，来自算法单元的输出图像可以显示给人类观察者，或者在计算单元内自动使用而无需人类观看图像。
[0011]在本专利技术的一些其他实施例中，代替使用图像传感器来创建具有有意畸变的数字图像文件，在其上应用图像处理和畸形矫正算法，畸形矫正可以由图像传感器直接进行。传感器可以直接进行畸形矫正的一种方式是通过直接变换在逐行扫描、逐圈扫描或自适应像素扫描期间读取的像素，使得来自传感器的输出信号已经被畸形矫正。传感器可以直接进行畸形矫正的另一种方式是通过智能合并，其中图像传感器可以例如在中心应用与在边缘不同的合并。在中心它可以是1x1像素（无合并），并且朝向边缘增加到1.5x1.5像素或2x2像素。智能合并也可以使用非对称的合并，比如1x2或2x1像素合并。通过在模拟传感器级别进行这种智能合并而不是通过软件图像处理，提高了结果得到的信噪比。最后，通过使用像素大小朝向边缘增加的图像传感器，传感器可以进行畸形矫正。例如，中心的像素可以是1
×
1μm的正方形，但是朝向边缘，大小可以大于1μm，或者形状可以不同于正方形像素。
附图说明
[0012]当结合附图阅读时，将更好地理解上述
技术实现思路
以及本专利技术的优选实施例的以下详细描述。出于说明的目的，在附图中示出了目前优选的实施例。然而，应当理解，本专利技术不
限于所示出的精确布置和手段。
[0013]在附图中：图1示出了小型化比率为0.9的现有80
°
广角透镜的光学布局；图2示出了小型化比率> 0.8的现有80
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广角透镜的典型分辨率曲线；图3示出了小型化比率为0.9的现有120
°
超广角透镜的光学布局；图4示出了小型化比率> 0.8的现有120
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超广角透镜的典型分辨率曲线；图5示出了小型化比率为0.6的小型80
°
广角透镜的示例光学布局；图6示出了与图像处理后的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于使用包括成像器和处理单元的成像设备创建具有目标分辨率的经处理的图像的方法，成像器包括小型光学系统和图像传感器，所述方法包括：a. 使用所述小型光学系统在图像平面中创建场景的光学图像，所述光学图像具有原始分辨率曲线；b. 由所述图像传感器将所述光学图像转换成具有所述原始分辨率曲线的原始数字图像文件；c. 由所述处理单元接收所述原始数字图像文件、关于所述原始分辨率曲线的信息和关于目标分辨率曲线的信息；和d. 由所述处理单元处理所述原始数字图像文件，以便创建经处理的图像，所述处理单元将所述原始分辨率曲线变换成所述目标分辨率曲线；其中所述小型光学系统具有小型化比率，所述小型化比率被定义为总轨道长度和图像覆盖区直径之间的比率，所述小型化比率小于0.8，并且其中所述原始分辨率曲线的值比视场中心的目标分辨率曲线的对应值小至少10%。2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：e. 由所述处理单元输出所述经处理的图像。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述原始分辨率曲线和所述目标分辨率曲线具有至少一个相等分辨率的点，所述相等分辨率的点将压缩区域与扩展区域分开，所述扩展区域包括至少一个具有最大分辨率偏离的点，其中原始分辨率值比目标分辨率值高至少10%。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述小型光学系统是由多个光学元件的组合制成的光学透镜，每个光学元件由玻璃、塑料或晶体材料之一制成。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述小型光学系统是广角的，其总视场大于60
°
。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述小型光学系统包括至少一个自由形式的光学元件。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述成像器包括多个光学系统，每个光学系统创建单独的图像。8.根据权利要求1所述的方法，其中将所述原始分辨率曲线变换为所述目标分辨率曲线减小跨经处理的图像的图像质量差异。9.根据权利要求1所述的方法，其中使用外部参数、用户意图或传感器输出中的至少一个来调整所述目标分辨率曲线。10.一种用于使用包括成像器和处理单元的成像设备创建具有目标分辨率的经处理的图像的方法，成像器包括小型光学系统和图像传感器，所述方法包括：a. 使用所述小型光学系统在图像平面中创建场景的光学图像，所述光学图像具有原始分辨率曲线；b. 通过用所述图像传感器进行畸形矫正，将所述光学图像转换成具有中间分辨率曲线的原始数字图像文件；c. 由所述处理单元接收所述原始数字图像文件、关于所述中间分辨率曲线的信息和关于目标分辨率曲线...

【专利技术属性】
技术研发人员：P，
申请(专利权)人：伊美景象公司，
类型：发明
国别省市：