CN101438577A - 具有改善的图像质量的图像获取装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种图像获取装置(1)，包括具有探测表面(15)的电子图像探测器(17)，用于将视场内的物体投影到该探测表面(15)的光学投影系统(5)，以及可选的用于处理从该图像探测器(17)获得的电子信息的计算单元(19)，其中该投影系统(5)适于以畸变的方式投影物体，使得当与标准的透镜系统比较时，该投影的图像在视场的中心区域被扩展而在视场的边缘区域被压缩。优选地，该投影系统(5)适于使得其在视场的边缘区域中的点伸展函数具有与图像探测器(17)的相应像素的尺寸基本上相对应的半高宽。

Description

具有改善的图像质量的图像获取装置
技术领域
本发明涉及一种图像获取装置，并且具体涉及一种用于电子装置的具有改善的图像质量的图像获取装置。
背景技术
近来，图像获取装置已经广泛地用于诸如照相机、移动电话、网络摄像机和笔记本电脑的便携式和非便携式装置。这些图像获取装置通常包括诸如CCD或CMOS传感器的电子图像探测器，用于将视场内的物体投影到该探测器上的透镜系统以及用于接收和存储由探测器提供的电子数据的电子电路。
分辨率和光学变焦是这种图像获取装置的两个重要的性能参数。
图像获取装置的分辨率指的是物平面上能够具有的两个点源间的最小距离，以致该图像获取装置能够区分这些点源。分辨率取决于如下事实：即由于衍射和像差的作用，每个光学系统投影的点源不是点而是具有预定宽度和特定光强分布的圆盘形(disc)。光学系统对于点光源的响应是已知的点扩展函数(PSF)。
图像获取装置的整体分辨率主要取决于下述两种分量中的较小的那个：光学投影系统的光学分辨率和探测器的分辨率。
这里，将光学投影系统的光学分辨率定义为其PSF的半高宽(FWHM)。换句话说，两个点光源的投影的光强分布的峰值必须隔开至少PSF的FWHM以使得图像获取装置区分开这两个点光源。然而，分辨率也可以定义为取决于PSF的不同值，例如半高宽的70％。光学分辨率的这种定义可以取决于探测器的灵敏度和由该探测器接收的信号的估值。
在这里将探测器的分辨率定义为该探测器的两个相邻传感器像素的间距(即，中心到中心的距离)。
光学变焦表示图像获取装置相比于未放大的图像以更好的分辨率获取部分视场的原始图像的能力。这里，假定在传统的图像获取装置中，整体分辨率通常由探测器的分辨率限定，即PSF的FWHM可以小于两个相邻传感器像素之间的距离。因此，可通过选择部分视场且增加用于该部分视场的光学投影系统的放大率来提高图像获取装置的分辨率。
例如，X2光学变焦指的是与X1光学变焦相比，图像获取装置的全部传感器像素获取图像的每一维的一半的情形。
在本文中，“光学变焦”与“数字变焦”之间的差别在于施加“数字变焦”仅相当于信号插值而实际上没有提供附加的信息。就此而言，“光学变焦”则包括投影的局部图像的放大并提供更多信息和更好的分辨率。
在现有技术中，实现光学变焦包括改变透镜之间的距离和/或改变透镜模块中的某些透镜的焦距。
一种用于获得光学变焦的传统方式是通过可有效改变光学系统的放大率的机械设备。这可以通过在控制像平面的位置的同时，通过机械地移位一个或多个透镜来改变光学投影系统的透镜的距离来实现。然而，这种传统的图像获取系统需要包括几个透镜的复杂机械系统以及驱动该透镜系统的控制。该机械系统体积大、重量重，容易出现机械故障并且价格昂贵。
可替换地，用于获得光学变焦的其它现有技术是基于可变焦距透镜。在这种实施例中，透镜系统中的单个透镜能够在电场或机械压力的作用下改变它们的焦距。这些透镜通常填充有一种或多种液体并且能够改变它们的形状并因此改变透镜焦距。与固定焦距系统相比，这种技术方案通常导致较差的图像质量。而且，它们通常容易出现疲劳和老化效应。
上述光学系统通常需要具有可能的高压电路的移动部件和/或特殊的驱动器并且不是成本节约的技术方案。
因此，本发明的目的在于提供一种适于防止上述缺点的具有改善的图像质量的图像获取装置。
具体而言，其目的在于提供一种与具有相同视场的传统图像获取装置相比，具有小尺寸，没有或具有少量移动部件并且能够分辨率提高的图像获取装置。
发明内容
本发明基于下述发现：在如同通常用作例如移动电话的图像获取装置的简单的类三片式(triplet)的成像器中，PSF是入射角的函数。这在所获取的图像上造成非均匀的分辨率效果。即，最大可达到的分辨率是象平面处位置的函数。该效果远比诸如散焦的限制空间分辨率的任何其它效果显著。
探测器的传感器像素对投影到该探测器的探测表面上的物体的图像进行采样以形成其数字图像信号。通常，像素尺寸与图像中心处的光学投影系统的点扩展函数的宽度相当。在传统的图像获取装置中，由于以上提及的分辨率相对于入射角的依赖性，图像边缘的PSF宽于图像中心的PSF。因此，在传统的装置中，在图像的边缘区域通常存在过采样(oversampling)。这意味着在边缘区域中的单个物体点的PSF区域中提供了例如两个或多个传感器像素，使得它们不能提供可区分的光学信息。换句话说，传感器像素以高于采样定理所要求的采样率对图像信号进行采样。
根据第一方面，本发明提供一种图像获取装置，包括：具有探测表面的电子图像探测器，用于将视场内的物体投影到该探测表面上的光学投影系统，以及可选的用于处理从该图像探测器获得的电子信息的计算单元，其中该投影系统适于以畸变的方式投影物体，使得该投影的图像在视场的中心区域被扩展而在视场的边缘区域被压缩。
电子图像探测器可以是任何能够将投影到其探测表面上的光学信息转变为电子信号的探测器。实例是CCD或CMOS探测器。该探测器能够具有一个或多个输出线以串行或并行地将电子信号提供到处理该信号的计算单元或存储该信号的存储器。
计算单元可以是任何电子电路，例如，其可以是集成芯片装置。如这里随后详细描述的，计算单元能够适于处理由探测器接收的信号以获得高质量的无畸变图像或提供放大的局部图像。
光学投影系统包括一个或多个光学元件，例如，光学透镜或反射镜的反射表面或棱镜等等。光学元件设置为能够将包括物体的预定视场投影到图像探测器的探测表面。
需要注意的是，光学投影系统能够具有固定的焦距。这意味着其光学放大率不能由外部操作改变。具体而言，不需要在该光学投影系统设置移动部件来改变焦距。通常，除了有效焦距(EFL)之外，系统中没有任何动态的改变(即，没有随时间的改变)，该有效焦距确定放大率，并作为传感器平面上的位置的函数而改变。EFL在中心处较大而在边缘处较小。放大率在整个图像范围内改变并造成畸变。
本发明的图像获取系统与现有技术系统的不同之处在于本发明的投影系统适于以畸变的方式投影待成像的物体。视场的中心被扩展或拉伸而接近视场周围的边缘区域被压缩。换句话说，该投影系统在视场中心以较大放大率而在视场边缘以较小放大率来投影物体。结果，投影到探测表面上的图像发生畸变。这与为了避免后续处理而通常希望获得无畸变投影的传统系统相反。
需要注意的是，传统的投影系统与根据本发明的投影系统可具有相同的视场。根据本发明的投影系统的主要不同之处在于与传统的系统相比，其提供视场范围内非均匀的放大率，其中中心具有较高的放大率而边缘区域具有较低的放大率。
在本文中，其受益于如下事实：在传统的图像获取系统中，视场的边缘区域存在过采样。通过在该区域中选择较小放大率，能够减少探测表面上的PSF的区域。只要PSF的FWHM大于传感器像素的尺寸，就不会丢失包含在所投影的图像中的信息。
另一方面，通过在视场的中心选择较高的放大率，能够提高在该区域的整体分辨率。这是由于这样的事实，即在传统的图像获取装置中，在视场的中心，探测表面上的PSF的区域小于传感器像素尺寸，从而限制了整体分辨率。
因此，当通过增加焦距改变中心处的放大率时，F数将增加。这表示分辨率的最大极限将降低。然而，由于F数较大，将具有较少的像差并且光学分辨率大致保持不变。
换句话说，物平面上的两个相邻点的PSF可以足够窄，使得它们分隔开FWHM，并因此在光学上可区分，但是，这两个点投影到探测器的相同像素上将使得它们的光学信息无法电子地区分开。通过增加放大率，将增加探测表面上的PSF的区域和相邻点的两个PSF之间的距离。上述两个相邻点随后投影到不同的传感器像素并且所投影的图像上的附加信息可以由传感器像素获取。然而，如果中心的放大率增加到大于预定极限时，将发生过采样并且进一步增加放大率也不会提供更多的信息，在所述预定极限下PSF的区域(FWHM)变得大于像素尺寸。
因此，与具有相同视场的传统的图像获取装置相比，本发明的图像获取装置能够提供在中心具有较高分辨率的畸变图像，同时该装置的整体分辨率在视场的任何部分不会降低。结果，图像以畸变方式投影从而更经济地使用图像探测器的分辨率。
根据本发明的一个实施例，投影系统适于使得其点扩展函数在视场的边缘区域具有小于图像探测器的相应区域中的像素尺寸三倍，优选两倍的半高宽。优选地，选择投影系统的局部放大率使得边缘区域中的PSF的FWHM与图像探测器的相应像素的尺寸相对应。这意味着传感器像素的尺寸S基本上等于FWHM，例如，FWHM<2×S，优选地，FWHM<1.5×S，更优选地，0.8×S<FWHM<1.2×S，而最优选地，FWHM＝S。
附带而言，“像素的尺寸”可以定义为两个相邻像素从中心到中心之间的距离。在这里，像素是适于接收关于物平面中最小区域的信息的最小单元。在单色探测器的情况下，每个像素探测关于该最小区域的光强度的信息。在彩色探测器中，一个像素可由几个子像素组成，例如，三个或更多个子像素，每一个子像素适于分别探测关于该最小区域的特定颜色范围内的光强度的信息，例如，红色、绿色和蓝色光谱范围内的光强度的信息。例如，像素可由布置成矩形的四个子像素组成，其中在第一行中具有对于红色光谱敏感的子像素，与其相邻的是对于绿色光谱敏感的子像素，而在第二行中具有对于绿色光谱敏感的子像素，与其相邻的是对于蓝色光谱敏感的子像素。因此，一个像素包括四个子像素。另一个实例是探测器的不同列对不同颜色敏感，例如，一列对红色敏感，另一列对绿色敏感，而再一列对蓝色，反之亦然。在这种情况下，一个像素由三个子像素组成，每一个子像素对不同的颜色敏感。
在本发明的另一个实施例中，投影系统适于放大投影的图像的中心区域，使得视场中心区域中投影的图像的光学放大率大于视场边缘区域中投影的图像的光学放大率两倍，优选大于三倍，更优选地大于四倍。事实上，视场边缘区域与中心区域之间的放大率差可以高达六倍并且主要取决于具有相同视场的无畸变投影系统的两个区域中的PSF之差(或丢失边缘处的一些信息的意愿)。换句话说，相应的无畸变系统中的视场的边缘区域处的过采样越大，中心与边缘之间的放大率差越大。
在本发明的另一个实施例中，投影系统适于选择视场的任一部分区域的局部放大率以使该部分区域中的PSF具有与其上投影有该部分区域的图像探测器的相应像素的尺寸基本上相对应的FWHM。在具有这种投影系统的图像获取系统中，光学分辨率以最优的方式适应于探测器的分辨率。
在本发明的另一个实施例中，计算单元适于根据从图像探测器接收的数据计算投影物体的无畸变图像。图像探测器产生与待获取的物体的畸变投影相对应的数据。这些数据提供给计算单元。该单元已经以软件或硬件方式进行编程以由畸变图像数据计算无畸变的图像。为了实现该目的，必须知道、估计或测量通过投影系统产生畸变的精确方式。
例如，以畸变图像数据开始，输出图像的非畸变像素可以例如，以光栅顺序产生。每个像素具有先验已知的确定的放大率值并且用于从畸变图像确定其值。例如，可以使用反转该畸变的算法来计算每个像素的放大率值。或者，可以预先通过实验的方式确定该值，例如，通过使用测试画面并将原始及该画面的畸变投影进行比较来确定该值，并且可以将该值在存储器中存储为查找表，当计算无畸变图像时，可以从中取出该值。
可以使用信号插值法来改善畸变校正图像的质量。例如，由于畸变图像中像素的中心可能并非精确地对应于相应的无畸变像素的中心，因此相邻像素的值可以用于计算内插的像素值。插值的类型可以是双线性的，三次的或者任何其它类型。
在本发明的另一个实施例中，图像探测器具有包括不同类型子像素的像素，每一类型的子像素对预定颜色范围敏感，从而分别探测投影的图像的不同的颜色成分。这里，计算单元适于不同地计算来自不同类型的子像素的数据。换句话说，探测器是彩色探测器，其中每个像素包含对不同颜色敏感的子像素。例如，具有对红色敏感的R-子像素，对蓝色敏感的B-子像素和对绿色敏感的G-子像素。对于这种彩色探测器，由于考虑到投影系统的畸变通常对于不同颜色而有所不同，公知的产生所谓色差的效果，将便于计算无畸变图像。
因此，在本发明的另一个实施例中，计算单元适于校正由于色差而产生的图像误差。
根据本发明的另一个实施例，光学投影系统适于以畸变的方式投影，使得投影的图像的畸变在X方向和垂直于X方向的Y方向上是可分离的。因此，计算单元可以包括变换算法，该变换算法用于以计算方式分别校正探测图像在X方向和垂直于X方向的Y方向上的畸变。这种可分离的变换可以简化和加速校正所获取图像中畸变的过程。
根据本发明的另一个实施例，当计算无畸变图像时，计算单元包括算法，从而以计算方式压缩与投影的图像的中心区域相对应的数据而不压缩与投影的图像的边缘区域相对应的数据。换句话说，当以计算方式反转投影的图像的畸变时，要考虑到投影区域的边缘区域已经通过投影系统相对于放大的中心区域受到更多的光学压缩。因此，为了获得在整个图像区域上具有相同放大率的无畸变图像，以计算方式将中心区域压缩到已经被光学压缩的边缘的程度就足够了。
根据本发明的另一个实施例，计算单元适于剪切和计算来自投影的图像的中心区域的放大的、无畸变的局部图像。为此目的，利用探测器所获取的投影的图像在其中心比其边缘区域具有更高分辨率的事实。对于整个视场的正常图像，中心区域以计算方式进行压缩。然而，如果要获取接近中心的一部分图像的放大的局部图像，则可以通过简单地剪切该局部图像并且根据该局部图像的所需的放大和畸变程度将其少许压缩或根本不压缩来完成。换句话说，对于无放大的图像，将该图像扩展和剪切以使得所有像素信息可以用于描述该放大的图像。
因此，本发明的图像获取装置非常大的优点在于可以获得投影的图像中心处的放大的局部图像而不损失分辨率。与传统的固定焦距的装置相反，并不是通过称为“数字变焦”的计算插值扩展原始图像来产生放大的图像。相反，将原始的畸变图像简单地少许压缩，同时以计算方式校正其畸变。因此，通过插值并未产生虚拟的图像信息，而是“隐藏”在高分辨率的畸变图像中的真实信息用于产生放大的局部图像。
根据本发明的另一个实施例，计算单元适于对分开的信息包分别执行从图像探测器获得的电子信息的处理，每一个信息包对应于投影的图像的一部分。换句话说，图像探测器提供的信息化分成几个包。计算单元随后不在单个步骤中处理图像探测器提供的全部信息而是一个包接一个包的处理。在两个包的处理之间，可以存在中断，该中断例如可以用于存储与在先处理中获得的无畸变图像的信息包相对应的数据。使用这种“流水线处理”可以使得处理和存储无畸变图像的数据的过程更加灵活。
根据本发明的另一个实施例，光学投影系统包括至少一个通过注模(injection molding)形成的透镜。这种例如由树脂材料制成的透镜比由抛光的玻璃制成的透镜便宜的多。然而，由于像差和/或制造误差导致的透镜误差，这种低成本的透镜通常提供质量降低的图像。在本发明的图像获取装置中，可以使用计算单元校正该降低的图像质量。例如通过测量或通过计算仿真，可先验地得到低成本透镜产生的图像误差。由于不管怎样计算单元在校正投影的图像的畸变的同时将对其进行处理，所以这些图像误差可以在相同的处理步骤中考虑而不会造成额外的复杂性或成本。即，由于低成本透镜造成的图像质量损失可以由图像获取装置的计算单元进行补偿。
根据本发明的另一个实施例，图像探测器的像素在整个探测表面上具有一致的尺寸。因此，可以使用传统的图像探测器。例如，为了获得改善的分辨率和变焦能力，可以通过根据本发明的计算单元和合适的投影系统来简单地改造现有的图像获取系统，其中探测器不用更换。因此，由于标准的探测器可以用来实施本发明，所以在改造或替换现有图像获取装置时可以节约成本。
根据另一个实施例，本发明的图像获取装置的体积小于500mm3，优选小于200mm3，更优选小于100mm3。由于具有这样小的体积，其可易于结合到诸如移动电话、数码相机或便携式电脑等便携式装置中。
根据本发明的另一个实施例，光学投影系统包括少于四个透镜，优选小于三个透镜，更优选只有一个透镜。虽然透镜数目的减少引入更多像差，但是可以在以计算方式处理电子图像数据时考虑这些像差。
根据本发明的另一个实施例中，光学投影系统具有固定的焦距。这意味着不包括移动部件。因此，将降低投影系统的成本并且消除了机械移动机构发生故障的风险。
根据本发明的另一个实施例，图像获取系统还包括存储单元，其中从图像探测器获得的与投影畸变图像相对应的电子信息存储在该存储单元中。通过存储与投影畸变图像相对应的信息，可以在一定程度上保护该信息免受未经授权的访问。不知道用于计算畸变图像的算法将不能访问该信息。因此，读取“加密”信息的未经授权的人不能轻易地打印或观看该图像。
例如，在一次性相机中，信息可以以“加密”的格式存储。这种一次性相机通常不包括其自身拥有的计算单元。相反，存储的信息将在外部处理以再生无畸变图像。这种处理只能够由知道“钥匙”，即用于反转由图像投影系统引入的畸变的算法的人来执行。
根据本发明的另一个实施例，光学投影系统适于将具有径向对称畸变的视场中的物体投影到探测表面。
根据本发明的另一个实施例，光学投影系统适于使得投影到探测器的探测表面上的视场与探测器的探测表面具有相同的形状。例如，如果探测器具有具有给定长宽比(高/宽)的矩形探测表面，则投影到探测器表面的视场优选是同样具有相同长宽比的矩形。
或者，光学投影系统适于投影具有畸变的视场内的物体，使得投影的图像的几何形状与电子图像探测器的几何形状一致。例如，在图像探测器是矩形形状的情况下，光学投影系统适于以其匹配探测器的形状的方法使投影的图像发生畸变。在这种情况下，图像获取系统的视场可优选地具有矩形几何形状，但是，其也能够具有任何其它几何形状的视场。
根据本发明的另一个方面，提供一种包括上述图像获取装置的诸如移动电话、网络摄像机或便携式电脑等的便携式电子装置。在这种应用中，本发明的图像获取装置的计算单元可以在设置于这些便携式装置中的处理器中实现。或者，其可以嵌入到包括图像获取装置的传感器的微芯片中。
附图说明
通过以下结合附图对本发明优选实施例的描述，本发明更多的细节和优点对于本领域技术人员来说将显而易见，其中：
图1示意性地示出根据本发明的图像获取装置的实施例；
图2a和图2b示出矩形畸变图案的实例，该矩形畸变图案在X&Y坐标上可分离并且可用于本发明的实施例；
图3a和图3b示出可用于本发明实施例的具有圆对称的畸变图案的实例；
图4a和图4b示出与图2b中所示相类似的可分离的X-Y变换的曲线，其可用于设计光学投影系统和用于编程根据本发明实施例的图像获取装置的计算单元；
图5示出表示对于传统图像获取系统和根据本发明实施例的图像获取系统的图像边缘区域和中心的PSF的示意图；
图6示出与根据本发明的图像获取系统相比，传统图像获取系统的有效分辨率的倒数相对于离开所获取的物体的中心的距离的曲线图；以及
图7示出的是本发明的示例性光学设计，其与标准的成像器相比，提供中心图像扩展和边缘图像压缩。
具体实施方式
图1中，示出了本发明的图像获取装置1的示意性实例，其中来自待投影的物体(图中的左侧，未图示)的光线3穿过包括第一透镜7、光阑9、光阑9之后的第二透镜11以及第三透镜13的光学投影系统5。最后，该光线3照射到CCD或CMOS图像探测器17的探测表面15。
投影系统5的透镜7、11、13具有的表面几何形状设计成当投影到探测器上时，与相同视场的无畸变投影的图像相比，物体的图像发生畸变使得中心区域被扩展而其边缘区域被压缩。透镜7、11、13设计为使得对于较小的入射角而言，三个透镜的结构类似于摄远镜头(telephoto)设计，即有效焦距大于透镜模块的物理长度。对于较大的入射角而言，该透镜设计成类似于向后光学(retrophoto)系统，即有效焦距小于透镜模块的物理长度。
物体的所投影到探测表面15的光随后由探测器17的传感器像素获取并且转换成电信号。这些信号传送到计算单元19。计算单元19与存储器21和显示单元23连接。
探测器17产生的信号可存储在存储器21中和/或它们可以直接显示在显示单元23上。例如，在视频应用中，信号通常既存储在存储器中又实时显示在屏幕上。在数据将存储的情况下，该数据的处理可以在存储该数据之前或之后执行并且该存储数据对应于探测器获取的畸变图像或处理后的无畸变图像。处理信号可以通过软件或专门的硬件或在相机外部执行，例如，对于一次性或重复使用的数码相机。
信号处理可使用流水线架构执行或不使用流水线架构执行。
当存储图像的画面将在以后的时间段显示时，可从存储器中读取图像数据。在显示所获取的物体的画面之前，为了反转由投影系统引入的畸变，图像数据必须通过计算单元进行计算。可以根据与探测器的分辨率并不匹配的显示器的分辨率，将不同的信号处理方案应用于不同的显示器。
需要注意的是，事先知道投影系统导致畸变的本领域技术人员将能够以可计算无畸变图像的方式针对计算单元进行编程。
图2a示出矩形图案。在图2b中，示出当图2a的图案由本发明实施例的光学投影系统投影后的图示。该投影发生畸变以致于该图案在中心区域被扩展而在边缘区域被压缩。在该特定实例中，呈现该畸变的变换在水平和垂直轴上是可分离的。
图3a示出具有等距环的圆对称图案。在图3b中，示出当图3a的图案由本发明实施例的光学投影系统投影后的图示。该投影发生畸变以致于图案在中心区域被扩展而在边缘区域被压缩。
图4a和图4b示出类似于图2b中的可分离变换的示例性的变换函数，其可以用于由图像传感器提供的信号计算无畸变图像。当通过仿真或测量，知道光学投影系统提供的投影畸变函数时，可以通过例如多项式近似法对投影畸变函数求逆得出该变换函数。因此，根据投影畸变图像中的像素位置Xd，利用图3a中示出的变换函数可以计算无畸变图像中的该像素的位置Xnd。使用图3b的变换函数，可以对Y坐标进行同样的应用。
因此，使用可分离的变换有利于实施一维算子来执行所需处理，在小型的一维阵列中存储变换函数并且快速处理算法。X-Y可分离坐标的畸变更加有利，因为其在应用所需的用于校正畸变图像的处理之后，将获取畸变图像的矩形探测阵列变换为矩形无畸变图像。
或者，当使用具有径向对称畸变(例如，如图3中所示)的光学投影系统时，可以使用仅依赖于像素远离中心的径向距离的传递函数。这里，极坐标可以用于计算无畸变图像的坐标。
图5示出表示传统图像获取系统(实线A)和根据本发明实施例的图像获取系统(虚线B)的图像边缘区域和中心的PSF的示意图。在X轴上，示意性地表示像素的尺寸。
可以看出，在传统的系统中，在边缘区域，PSF的FWHM大于像素尺寸并且发生过采样。在中心处，PSF的FWHM小于像素尺寸，从而浪费了光学信息。与此相反，对于根据本发明实施例的图像获取系统而言，PSF的FWHM在中心和边缘区域中均与像素的尺寸相当。在最优的情况下，不会发生过采样并且不会浪费光学信息。
简而言之，对于本发明，应该注意以下内容：通常，光学几何畸变使得光学分辨率(由光学器件的特性以及使用其所带来的像差限定)与由数字探测器阵列的像素引入的数字分辨率相匹配。根据所需的最大变焦值选择几何畸变。但是，因为图像在其中心被拉伸，所以必须在其边缘收缩以保持相同的视场。可以实现这种收缩效果使得边缘处的图像质量与标准图像获取装置的相当。由于空间分辨率对于图像中位置的依赖性，这是可能的。
图6示意性表示本发明示例性实施例中的这种现象：Y-轴表示标准的获取装置的有效分辨率(实线a)和根据本发明的获取装置的有效分辨率(实线b)的倒数“d”(单位是线/mm)，即两个点源之间的最小距离的倒数，以该距离就可以区分开两个点源(而不是看上去是单个点源)。X-轴表示在物平面上从物体的中心到物平面上的点的距离。在该实例中，标准装置的有效焦距假定是4mm，F数(F/#)假定是3，透镜模块的视场近似是+/—30°并且物体离开透镜模块的距离假定是400mm。该分辨率曲线示出物平面(即离开透镜模块400mm)处的分辨率。例如，在2M像素图像获取装置中，可以考虑下述假定来确定Y-轴上的值：
1、衍射极限大约为1.5μm(λ×F/#)；
2、标准的大量生产的三片式图像获取装置的(传感器平面处的)PSF的FWHM可以达到图像的中心部分处的衍射极限的大约33％，即大约4.5μm；
3、图像边缘存在另一大约50％的分辨率下降，意味着边缘的(在传感器平面处的)分辨率大约为9.0μm。
这意味着只要像素小于9.0μm，当使用标准图像获取装置时，在图像的边缘就存在过采样。此外，只要像素大于4.5μm，标准成像器的CMOS传感器就不能获取在图像中心的完整图像信息。因此，仍旧优选地使用，例如，4.5μm CMOS传感器(或者探测不同颜色的2.2μm像素)。
在这些条件下，图6中给出了标准成像器(实线a)和根据本发明提出的成像器(实线b)的单位为线/mm的(在物平面测得的)有效分辨率倒数d。这里，X-轴表示物体的中心到物体上另一个点的距离x，其中对于x＝230mm，视场角大约是30°，其对应于物体的边缘。可以看出，在本实施例中本发明的图像获取装置的分辨率在图像的中心大约是传统图像获取装置的两倍而在图像边缘则等于传统装置的分辨率。
特别需要注意的是，图6中的实线b考虑了所提出的光学系统的非线性放大率曲线并因此在其中心提供了高分辨率。该实施例的PSF的宽度对于整个获取装置而言都相当恒定并且等于4.5μm。这允许更有效地利用传感器像素。不同放大率值导致物体上不同的分辨率值。
需要注意的是，在以上的描述中，虽然总是相对于投影表面的边缘区域或中心区域提及不同的放大率、分辨率等，但是本领域技术人员将容易地认识到这两个区域之间没有突然的转变，所提及参数相反是连续地从边缘变化到中心的。
在图7中，给出根据本发明的导致径向畸变的优选光学设计，其对于+/—30°的标准视场，在其中心提供图像扩展而在其边缘则提供图像压缩。所有光学表面的球面和非球面系数以及孔径连同制造透镜的材料提供如下：
表面数据
 
表面 半径 厚度 介质 折射率 V数
0 无穷大 无穷大 空气
1 2.18431 O 0.72193 BK10 1.49782 66.95SCHOTT
2 -13.45090 O 0.60470 空气    
APS 无穷大 0.90947 空气    
4 -2.51855 O 0.37974 GLM-NdVd 1.82364S 23.16
 
5 -5.69831 O 0.85729 空气
6 4.07431 O 1.30406 PICKUP 1.49782P 66.95
7 3.27945 O 1.22632 空气
8 无穷大 0.00000 空气
IMG 无穷大
特殊的表面数据
Figure A200680054027D00191
表面序号   1  --二次曲线+幂—连续非球面
G1        0.012681(R**2)  G3      -0.011721(R**4)  G6    -0.020081(R**6)
G10   1.000000E-11(R**8)
二次曲线常数(CC)        -1.692041
半长轴(b)                -3.156326   半短轴(a)          -2.625717
Figure A200680054027D00192
表面序号   2  --二次曲线+幂—连续非球面
G1        0.125679(R**2)  G3      -0.070979(R**4)  G6     0.001758(R**6)
G10   1.000000E-11(R**8)
二次曲线常数(CC)          51.703471
半长轴(b)                -0.255218   半短轴(a)           1.852814
Figure A200680054027D00193
表面序号   4  --二次曲线+幂—连续非球面
G1        0.214030(R**2)  G3       0.071936(R**4)  G6      -0.052975(R**6)
G10   1.000000E-11(R**8)
二次曲线常数(CC)           4.121475
半长轴(b)                -0.491762   半短轴(a)           1.112892
Figure A200680054027D00194
表面序号   5  --二次曲线+幂—连续非球面
G1       0.037959(R**2)   G3      0.057576(R**4)  G6      -0.043016(R**6)
G10   1.000000E-11(R**8)
二次曲线常数(CC)          14.212248
半长轴(b)             -0.374587      半短轴(a)     1.460996
Figure A200680054027D00201
表面序号   6  --二次曲线+幂—连续非球面
G1       -0.172504(R**2)  G3   -0.036871(R**4)   G6     0.005550(R**6)
G10   1.000000E-11(R**8)
二次曲线常数(CC)      -0.092289
半长轴(b)                4.488549    半短轴(a)       4.276415
Figure A200680054027D00202
表面序号   7  --二次曲线+幂—连续非球面
G1       0.040726(R**2)   G3   -0.048180(R**4)  G6  -0.004017(R**6)
G10   1.000000E-11(R**8)
二次曲线常数(CC)       -37.594416
半长轴(b)              -0.089616    半短轴(a)   -0.542117
表面    R-半孔径
Figure A200680054027D00203
1      1.3808
2      1.2536
3      0.5500
4      1.0715
5      1.3162
6      1.8825
7      2.2152
8      2.2005
9      2.2005
以上说明仅是示例性的并且不应该限制由所附权利要求所限定的本发明的范围。此外，涉及由本申请的相同发明人制造的部分发明的包括在US5,909,312和US 6,343,307B1中的全部公开结合于此作为参考。

Claims (24)

1、一种图像获取装置，包括：
具有探测表面的电子图像探测器，以及
用于将视场内的物体投影到所述探测表面上的光学投影系统，
其中，
所述投影系统适于以畸变的方式投影所述物体，使得投影的图像在所述视场的中心区域被扩展而在所述视场的边缘区域被压缩。
2、根据权利要求1所述的图像获取装置，其中：
所述图像探测器的所述探测表面包括预定尺寸的像素，以及
所述投影系统适于使得其点扩展函数在所述视场的所述边缘区域具有小于所述图像的相应像素尺寸三倍、优选小于两倍的半高宽。
3、根据权利要求2所述的图像获取装置，其中：
所述投影系统适于使得其点扩展函数在所述视场的所述边缘区域具有与所述图像探测器的相应像素的尺寸基本上相对应的半高宽。
4、根据权利要求1至3中任一项所述的图像获取装置，其中所述投影系统适于放大所述投影的图像的所述中心区域，使得所述视场的所述中心区域中的所述投影的图像的光学放大率大于所述视场的所述边缘区域中的所述投影的图像的光学放大率两倍，优选三倍，并且更优选四倍。
5、根据权利要求1至4中任一项所述的图像获取装置，其中所述投影系统适于选择所述视场的任意部分区域的局部放大率，以使得该部分区域中的点扩展函数具有与其上投影有所述部分区域的所述图像探测器的相应像素的尺寸基本上相对应的半高宽。
6、根据权利要求1至5中任一项所述的图像获取装置，还包括用于处理从所述图像探测器获得的电子信息的计算单元。
7、根据权利要求6所述的图像获取装置，其中：
所述图像探测器具有包括不同类型子像素的像素，每种类型对于预定范围的颜色敏感，从而分别探测所述投影的图像的不同颜色成分，并且其中所述计算单元适于不同地计算来自不同类型子像素的数据。
8、根据权利要求7所述的图像获取装置，其中：
所述计算单元适于校正由于色差造成的图像误差。
9、根据权利要求6至8中任一项所述的图像获取装置，其中：
所述计算单元适于以计算方式校正由所述光学投影系统引入的探测图像的所述畸变。
10、根据权利要求9所述的图像获取装置，其中：
所述光学投影系统适于以畸变方式投影，使得所述投影的图像的所述畸变在X方向上和垂直于所述X方向的Y方向上是可分离的。
11、根据权利要求6至10中任一项所述的图像获取装置，其中：
所述计算单元包括算法从而以计算方式压缩与所述投影的图像的所述中心区域相对应的数据而不压缩与所述投影的图像的所述边缘区域相对应的数据。
12、根据权利要求6至11中任一项所述的图像获取装置，其中：
所述计算单元适于剪切和计算来自所述投影的图像的所述中心区域的放大的、无畸变的局部图像。
13、根据权利要求6至12中任一项所述的图像获取装置，其中：
所述计算单元适于对分开的信息包分别执行从所述图像探测器获得的电子信息的处理，每个信息包对应于所述投影的图像的一部分。
14、根据权利要求1至13中任一项所述的图像获取装置，其中：
所述光学投影系统包括至少一个通过注模形成的、由塑料或玻璃制成的透镜。
15、根据权利要求1至14中任一项所述的图像获取装置，其中：
所述图像探测器的所述像素在整个所述探测表面上具有一致的尺寸。
16、根据权利要求1至15中任一项所述的图像获取装置，其体积小于1000mm3，优选小于500mm3，优选小于200mm3并且更优选小于100mm3。
17、根据权利要求1至16中任一项所述的图像获取装置，其中：
所述光学投影系统包括少于六个透镜，优选少于四个透镜，优选少于三个透镜并且更优选地只有一个透镜。
18、根据权利要求1至17中任一项所述的图像获取装置，其中：
所述光学投影系统具有固定的焦距。
19、根据权利要求1至18中任一项所述的图像获取装置，还包括存储单元，其中从所述图像探测器获得的与所述投影的畸变图像相对应的电子信息存储在所述存储单元中。
20、根据权利要求1至19中任一项所述的图像获取装置，其中：
所述光学投影系统适于将具有径向对称畸变的视场内的物体投影到所述探测表面上。
21、根据权利要求1至19中任一项所述的图像获取装置，其中：
所述光学投影系统适于使得投影到所述探测器的所述探测表面上的所述视场与所述探测器的所述探测表面具有相同的形状。
22、包括根据权利要求1至21中任一项所述的图像获取装置的移动电话。
23、包括根据权利要求1至21中任一项所述的图像获取装置的便携式电脑。
24、包括根据权利要求1至21中任一项所述的图像获取装置的网络摄像机。
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