CN101960861A - 具有多视角图像捕捉的传感器 - Google Patents

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CN101960861A CN2009801067063A CN200980106706A CN101960861A CN 101960861 A CN101960861 A CN 101960861A CN 2009801067063 A CN2009801067063 A CN 2009801067063A CN 200980106706 A CN200980106706 A CN 200980106706A CN 101960861 A CN101960861 A CN 101960861A
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R·J·帕勒姆
J·N·伯德
J·E·小亚当斯
J·R·比尔特雷
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Abstract

本发明公开一种图像采集系统，其具有改进的图像传感器，使得能够同时捕捉具有不同视角的至少两个图像。像素被划分为位于一系列柱面微透镜或线性光导下方的两个或多于两个像素子集。柱面微透镜或线性光导限制仅仅来自成像透镜的一半或另一半的辐射照射到每个微透镜或光导下方的第一和第二像素子集上，从而产生立体图像集合。

Description

具有多视角图像捕捉的传感器
技术领域
本发明涉及一种图像传感器，其捕捉来自场景的辐射。本发明还涉及一种具有柱面微透镜的图像传感器，其能够同时捕捉具有不同视角的多个图像。
背景技术
从彼此分离一定距离的两个或多于两个相机捕捉的两个或多于两个图像组成的立体图像提供不同的视角在本领域是已知的。然而，这些多相机系统体积大并且由于这种系统的大尺寸而难于对准或校准。具有两个或多于两个透镜的立体相机在本领域中也是已知的。John N.Border等人以Eastman Kodak Company的名义在2007年3月9日提交的美国专利申请11/684,036公开了使用具有同时捕捉图像的两个或多于两个透镜的相机以基于两个或多于两个图像中的不同视角的差异产生范围映射(rangemap)。
在Meltzer的美国专利6,545,741中，描述了一种具有两个透镜系统的立体相机，这两个透镜系统将光引导到单个图像传感器。通过每个透镜系统依次捕捉图像来成对地产生图像。在透镜系统之间的依次来回切换是通过快门完成的。
在Nomura等人申请的美国专利6,072,627中，描述了一种立体图像捕捉装置，该立体图像捕捉装置使用无焦透镜组件将图像呈现到透镜或狭缝阵列，该透镜或狭缝阵列以光束的强度和角度能够被记录的方式将光束聚焦到图像传感器上的一系列像素上。
然而，现有技术中存在的方法要求特殊的透镜组件，其增加了立体相机的复杂度和大小。因此，仍存在对简单的传感器系统的需求，该简单的传感器系统能够与任何成像透镜一起使用以使相机能够捕捉立体图像而不增加复杂度。
发明内容
本发明公开一种图像采集系统，其具有改进的图像传感器，使得能够同时捕捉具有不同视角的至少两个图像。像素被划分为位于一系列柱面微透镜或线性光导下方的两个或多于两个像素子集。柱面微透镜或线性光导限制仅仅来自成像透镜的一部分或另一部分的辐射照射到每个微透镜或光导下方的第一和第二像素子集上，从而产生立体图像集合。改进的图像传感器上的像素设置被相应地改进以使得在所捕捉的立体图像中能够产生均匀的图像质量。改进的图像传感器的一个优点是其能够用于多种成像透镜。
附图说明
图1是透过成像透镜并进入位于图像传感器上的两个像素上方的一个柱面微透镜的一系列光射线的示意截面图；
图2是透过成像透镜并进入位于图像传感器上的多个像素上方的多个柱面微透镜的一系列光射线的示意截面图；
图3是示出本发明产生的狭缝孔径的有效分离的成像透镜孔径的示意图；
图4是位于柱面微透镜阵列下方的图像传感器上的滤色片阵列的示意图；
图5是如本发明描述的红/绿/蓝滤色片阵列模式的示意图，其中实线示出柱面微透镜的边缘且虚线示出像素的边缘；
图6是如本发明描述的另一红/绿/蓝滤色片阵列模式的示意图，其中实线示出柱面微透镜的边缘且虚线示出像素的边缘；
图7是如本发明描述的红/绿/蓝/全色滤色片阵列模式的示意图，其中实线示出柱面微透镜的边缘且虚线示出像素的边缘；
图8是如本发明描述的另一红/绿/蓝/全色滤色片阵列模式的示意图，其中实线示出柱面微透镜的边缘且虚线示出像素的边缘；
图9是柱面微透镜的示意图，其具有位于下方的微透镜以帮助将光聚焦到像素的有效区域上；
图10是柱面微透镜的示意图，其在两侧上都具有单独的微透镜，其中柱面微透镜定位在全色像素上方且单独的微透镜定位在红/绿/蓝像素上方；
图11是非球面微透镜的示意图，其具有中央脊以更好地分离从两个半个成像透镜收集到图像传感器上的像素子集上的光；以及
图12是透过成像透镜并进入位于图像传感器上的多个像素上方的多个导光的一系列光射线的示意截面图。
具体实施例
本发明包括一种图像获取系统，其包括具有多个像素和多个柱面微透镜的改进的图像传感器，多个柱面微透镜将光聚焦到下方的像素上以优选地例如从成像透镜孔径的一侧或另一侧收集，以便能够使用本领域已知的技术从所捕捉的像素数据产生立体图像。本发明的一个优点是改进的图像传感器能够与多种成像透镜一起使用以使得能够捕捉立体图像或其他多视角图像。
图1示出位于图像传感器124中的多个像素的子集120、121上方的单个柱面微透镜110的示意截面图。该柱面微透镜包括柱面微透镜左侧的第一部分以及柱面微透镜右侧的第二部分。成像透镜130将入射辐射(示出为光射线126和128)聚焦到微透镜110上。微透镜110使得透过成像透镜130左侧的辐射(光射线128)落在图像传感器124左侧的像素121上。以互补方式，微透镜110使得透过成像透镜110右侧的辐射(光射线126)落在图像传感器124右侧的像素120上。在没有微透镜110的情况下，落在像素120和121上的光将是透过成像透镜110的左侧和右侧的辐射的混合物(光射线126和128的结合)。
图2显示位于包括图像传感器224上的像素子集的第一部分220和像素子集的第二部分221的多个各自像素子集120、121上方的多个柱面微透镜210。应注意尽管本发明中的附图仅示出几个像素来图示说明本发明的概念，但是通常图像传感器包括数百万个像素，因此附图中所示的结构在实际图像传感器中将被重复很多次。成像透镜230将入射辐射(光射线226和228)聚焦到包括柱面微透镜210的图像传感器224上。柱面微透镜210优选地将入射辐射引导到柱面微透镜210下方的多个像素的子集(221和220)上，使得透过成像透镜228左侧的光照射到柱面微透镜210左侧下方的像素子集的第一部分221上以及透过成像透镜226右侧的光照射到柱面微透镜210右侧下方的第二像素子集的第二部分220上。然后来自柱面微透镜210左侧下方的像素子集的第一部分221的像素数据能够被组合到被成像的场景的第一图像中。类似地，来自柱面透镜210右侧下方的像素子集的第二部分220的像素数据能够被组合到被成像的场景的第二图像中。上述第一图像和第二图像一起形成立体图像对。由于辐射分别从成像透镜的左侧或右侧收集造成的视角差异，在场景的第一图像和场景的第二图像之间将存在小的差异。因此，分别具有不同视角的第一和第二图像是本领域中已知的立体对(stereo-pair)。该立体对能够被用于产生用于显示或使用的三维图像。
图3是示出具有分别显示为317和315的左半和右半的成像透镜孔径的示意图，该左半和右半可以用于收集照射到位于图2所示的图像传感器224左侧和右侧上的柱面微透镜210下方的像素子集221和220的第一和第二部分上的辐射。通过使用仅从来自成像透镜孔径的左半317的辐射收集的像素数据，第一图像中提供的视角好像是成像透镜居中在成像透镜孔径的左半的质心318处。类似地，通过使用仅从来自成像透镜孔径的右半315的辐射收集的像素数据，第二图像中提供的视角好像是成像透镜居中在成像透镜孔径的右半的质心316处。因此，本发明提供的第一和第二图像之间的视角差是成像透镜孔径的左半的质心318与成像透镜孔径的右半的质心316之间的距离。对于圆形成像透镜孔径，成像透镜孔径的左半的质心318与成像透镜孔径的右半的质心316之间的距离D通过公式1给出，并且可以近似为D＝0.42d，其中d是成像透镜孔径的直径。
D＝4d/3π            公式1
在直径d很小的情况下，立体对可能必须基于如本领域已知的从第一和第二图像产生的范围映射被增强。
图4示出位于柱面微透镜阵列410下方的滤色片阵列和相关的多个像素425的示意图。在图4中，字母R、G、B分别代表每个像素上的滤色片。滤色片阵列和相关的像素425设置在每个微透镜410下方的多个像素425的子集中。换句话说，一个柱面微透镜410下方的像素被认为是多个像素425的“像素子集”。每个像素子集的第一部分421被设置成收集来自成像透镜孔径317的左半的辐射。类似地，每个像素子集的第二部分420被设置成收集来自成像透镜孔径316的右半的辐射。来自第一部分421的像素数据被用于形成具有第一视角的第一图像，而来自第二部分420的像素数据被用于形成具有第二视角的第二图像。为了提供均匀的高质量图像，滤色片阵列和相关的像素425关于柱面微透镜的中心线被对称地设置。针对图4中所示的滤色片，对于在图像传感器424的左侧上的柱面微透镜410，示出像素子集的第一部分421的交替的红像素和绿像素与像素子集的第二部分420的交替的红像素和绿像素相邻。对于右侧的下一柱面微透镜，示出像素子集的第一部分421的交替的绿像素和蓝像素与像素在的第二部分420的交替的绿像素和蓝像素相邻。
图5示出自身描述为本发明的实施例的滤色片阵列525，其中实线标记柱面微透镜的边缘，虚线标记像素的边缘，以及R、G、B字母指示像素上的红、绿和蓝滤色片阵列。滤色片阵列关于柱面微透镜550的竖直中心线对称。这种设置的柱面微透镜410是两个像素宽并且像素子集的第一部分和第二部分(421和420)在柱面微透镜410的每个部分或一半的下方均是一个像素宽。颜色信息的完整集(红、绿、蓝)通过合并来自两个柱面微透镜410下方的像素子集的各自部分的像素数据获得。与针对第二图像被像素子集的第二部分420收集(通过成像透镜孔径316的右半收集)的辐射相比，针对第一图像被像素子集的第一部分421收集(通过成像透镜孔径317的左半收集)的辐射在强度和颜色光谱上应非常类似。本领域技术人员应注意，如图5所示的针对像素子集的每个部分(421和420)的滤色片阵列被设置成已知的红、绿和蓝像素的拜尔(Bayer)块模式560，其正好在两个相邻的柱面微透镜410之间分布。
图6示出设置在柱面微透镜下方的以及作为本发明的另一个实施例描述的另一滤色片阵列模式。如同前一滤色片阵列模式，该滤色片阵列模式关于柱面微透镜650的竖直中心线对称设置。这种设置的柱面微透镜是4个像素宽，并且像素子集的第一部分和第二部分(421和420)在每个柱面微透镜下方是两个像素宽。在此情况下，如图6所示，针对像素子集的第一部分421，红、绿和蓝像素交替的拜尔块模式660被竖直设置。针对关于柱面微透镜650的竖直中心线对称的像素子集的第二部分420，提供红、绿和蓝像素交替的水平反转的拜尔块模式662。该设置在从每个柱面微透镜下方的针对第一图像和第二图像的像素子集的第一部分和第二部分提取的像素数据内提供颜色信息的完整集(红、绿和蓝)。
图7示出本发明的实施例，其中滤色片阵列模式包括红、绿、蓝和全色像素。尽管红、绿和蓝像素仅仅收集基本来自其可见光谱的1/3各自部分的光，然而全色像素收集基本来自整个可见光谱的光，并且因此全色像素大致是3倍(3X)敏感于被拍摄的大多数场景中发现的多光谱光。这种设置的柱面微透镜是两个像素宽，并且像素子集的第一部分和第二部分(421和420)在每个柱面微透镜下方均是1个像素宽。类似于图5中所示的滤色片阵列模式，拜尔块模式760在两个相邻的柱面微透镜之间被划分。然而，在本实施例中，全色像素被以棋盘模式764均匀混杂在拜尔块模式760中。该设置产生关于柱面微透镜750的竖直中心线对称的滤色片阵列模式，其在像素子集的第一部分421和像素子集的第二部分420之间具有1个像素竖直位移。
图8示出本发明的另一个实施例，其中滤色片阵列包括红、绿、蓝和全色像素。这种设置的柱面微透镜是4个像素宽，像素子集的第一部分和第二部分(421和420)在每个柱面透镜下方均是两个像素宽。在本实施例中，滤色片阵列按块设置，这些块包含红、绿、蓝和全色像素。如图8所示，与针对像素子集的第二部分420的红/绿/蓝/全色块870相比，针对像素子集的第一部分421的红/绿/蓝/全色块868被反转。该设置针对每个柱面微透镜下方的像素子集的每个部分提供颜色信息的完整集(红、绿和蓝)以及全色信息，同时还提供关于柱面微透镜850的中心线对称的滤色片阵列模式以提供与用于产生第一图像和第二图像的像素子集的第一部分和第二部分(421和420)非常类似的辐射强度和颜色光谱。
图9示出本发明描述的图像传感器的示意图，其中柱面微透镜410定位在微透镜的第二集合985的上方，该微透镜的第二集合985用于聚焦辐射到像素的有效区域上以增加收集辐射的效率。总体上，像素的有效区域通常比像素区域小。微透镜的第二集合985是1个像素宽，其可以是柱面或更优选地被形成为匹配单个像素的形状(正方形、矩形或八边形)。
图10示出本发明的又一个实施例的示意图，其包括具有红、绿、蓝1094和全色像素1096的图像传感器1024。柱面微透镜1090设置在全色像素1096的上方，并且单独的微透镜1092被设置在红、绿和蓝像素1094的每个上方。在此实施例中，像素子集的第一部分421和像素子集的第二部分420仅仅包括全色像素，并且被设置在柱面微透镜1090下方，该像素子集的像素数据分别用于形成第一图像和第二图像(具有不同视角)。与本发明的其他实施例相反，本实施例具有两个像素子集的另一集合1022，其包括红、绿和蓝像素，由于该两个像素子集的另一集合被设置在单独的微透镜下方并且具有在第一图像和第二图像的视角之间的视角，所以其收集来自整个成像透镜孔径(包括317和315)的辐射。在本实施例中，三维信息将从第一图像和第二图像的不同视角被提供，而最终图像将从像素子集的第一部分和第二部分(421和420)的各个部分以及来自两个像素子集的另一个集合1022的颜色信息形成。
图11示出柱面微透镜的另一个实施例，其中该柱面微透镜在截面上是非球面的。通过使用非球面柱面微透镜1110，能够改进柱面微透镜的每侧(1112和1113)仅仅从成像透镜230的一半收集辐射的效率。此外，微透镜能够被倾斜或稍微偏移以进一步改进柱面微透镜的每侧(1112和1113)仅仅从成像透镜230的一半收集辐射的效率。因此，图像传感器1124上的每个非球面柱面微透镜1110可以被设计为使得非球面柱面微透镜的每个部分(非球面柱面微透镜的左部分和右部分的1112和1113)在形状、角度和横向位置方面被单独设计，以仅仅从成像透镜孔径的期望的一半收集辐射以及将辐射聚焦到像素子集的期望部分上。作为非球面柱面微透镜1110的每侧(1112和1113)的单独设计的结果，非球面柱面微透镜可以在截面中是非对称的。如图11所示，非球面柱面微透镜的左部1112将收集来自成像透镜的左半317的辐射以及将辐射聚焦到像素子集的第一部分421上。相反地，非球面柱面微透镜的右部1113将收集来自成像透镜的右半316的辐射以及将辐射聚焦到像素子集的第二部分420上。如图11所示，具有被设计为仅仅从成像透镜的一半更好地收集光的两个部分或两半(1112和1113)的非球面柱面透镜1110沿着柱面微透镜表面的中心线将通常具有急剧的曲面变化或脊，透镜表面的两个部分(如图所示的左部和右部1112和1113)在该中心线处相遇。
图12示出本发明的替换实施例，其中使用线性光导对1270和1271代替柱面微透镜将仅仅来自成像透镜230一半的辐射引导到期望的像素子集。如图所示，线性光导1271收集透过成像透镜230的左半的辐射使得辐射照射到像素子集的第一部分421。类似地，线性光导1270收集透过成像透镜230的右半的辐射使得辐射照射到像素子集的第二部分420。为了有效地引导辐射而不造成光散射，线性光导1271和1270可以被形成具有位于像素子集上方并且使得辐射被引导朝向像素表面的反射表面1272，和位于像素子集之间的表面上的吸收表面1273。此外，线性光导1271和1272的表面可以被形成具有弯曲表面、倾斜表面或偏移表面以帮助将辐射聚焦到期望的像素子集。此外，线性光导1271和1272可以被用于针对柱面微透镜所描述的全部滤色片阵列模式。
已经参考其优选实施例对本发明进行了详细描述，但应该理解可以在本发明的思想和范围内进行变化和修改。
部件列表
110柱面微透镜
120像素
121像素
124图像传感器
126光射线
128光射线
130成像透镜
210柱面微透镜
220像素子集
221像素子集
224图像传感器
226光射线
228光射线
230成像透镜
315成像透镜孔径
316成像透镜孔径
317成像透镜孔径
318成像透镜孔径
410柱面微透镜
420像素
421像素
424图像传感器
425像素
525滤光片阵列
550柱面微透镜
560拜尔块模式
650柱面微透镜
660像素
662像素
750柱面微透镜
760拜尔块模式
764棋盘模式
850柱面微透镜
868全色块
870全色块
985微透镜
1022像素
1024图像传感器
1090柱面微透镜
1092单独微透镜
1094像素
1096像素
1110非球面柱面微透镜
1112柱面微透镜
1113柱面微透镜
1124图像传感器
1270线性光导
1271线性光导
1272反射表面
1273吸收表面

Claims (14)

1.一种图像采集系统，其包括：
图像传感器，其包括多个像素；以及
在表面上形成的多个柱面微透镜，所述表面在所述图像传感器上或上方，
其中每个柱面微透镜被配置为将辐射聚焦到所述多个像素的子集上，以及
其中每个柱面微透镜具有第一部分和第二部分，所述第一部分被配置为将辐射聚焦到其像素子集的第一部分上，所述第二部分被配置为将辐射聚焦到其像素子集的第二部分上。
2.根据权利要求1所述的图像采集系统，其中所述柱面微透镜的第一部分和所述柱面微透镜的第二部分分别是各自微透镜的一半，并且其中所述像素子集的第一部分和所述像素子集的第二部分分别是各自像素子集的一半。
3.根据权利要求1所述的图像采集系统，其中每个像素子集对称地设置。
4.根据权利要求1所述的图像采集系统，其中所述表面包括不同于所述柱面微透镜的微透镜层。
5.根据权利要求1所述的图像采集系统，其中所述微透镜是非球面的。
6.根据权利要求5所述的图像采集系统，其中所述微透镜被倾斜或偏移。
7.根据权利要求5所述的图像采集系统，其中所述微透镜在截面上是非对称的。
8.根据权利要求1所述的图像采集系统，其还包括成像透镜，所述成像透镜距所述图像传感器一定距离并且具有引导辐射透过所述柱面微透镜到所述图像传感器上的位置，
其中每个柱面微透镜将来自所述成像透镜的辐射聚焦到其多个像素的子集上，以及
其中每个柱面微透镜的第一部分将来自所述成像透镜的第一部分的辐射聚焦到其像素子集的第一部分上，以及
其中每个柱面微透镜的第二部分将来自所述成像透镜的第二部分的辐射聚焦到其像素子集的第二部分上。
9.根据权利要求8所述的图像采集系统，其中所述柱面微透镜的第一部分和所述柱面微透镜的第二部分是各自微透镜的一半，其中所述像素子集的第一部分和所述像素子集的第二部分是各自像素子集的一半，并且其中所述成像透镜的第一部分和所述成像透镜的第二部分是所述成像透镜的一半。
10.一种图像采集系统，其包括：
图像传感器，其包括多个像素；以及
在表面上形成的多个光导对，所述表面在所述图像传感器上或上方，
其中每个光导对被配置为将辐射聚焦到所述多个像素的子集上，以及
其中每个光导对具有第一光导和第二光导，所述第一光导被配置为将辐射聚焦到各自光导对的像素子集的第一部分上，所述第二光导被配置为将辐射聚焦到各自光导对的像素子集的第二部分上。
11.根据权利要求10所述的图像采集系统，其中所述像素子集的第一部分和所述像素子集的第二部分是各自像素子集的一半。
12.根据权利要求10所述的图像采集系统，其中每个像素子集对称地设置。
13.根据权利要求10所述的图像采集系统，其还包括成像透镜，所述成像透镜距所述图像传感器一定距离并且具有引导辐射透过所述光导对到所述图像传感器上的位置，
其中每个光导对将来自所述成像透镜的辐射聚焦到其多个像素的子集上，以及
其中每个光导对的第一光导将来自所述成像透镜的第一部分的辐射聚焦到其像素子集的第一部分上，以及
其中每个光导对的第二光导将来自所述成像透镜的第二部分的辐射聚焦到其像素子集的第二部分上。
14.根据权利要求13所述的图像采集系统，其中所述像素子集的第一部分和所述像素子集的第二部分是各自像素子集的一半，并且其中所述成像透镜的第一部分和所述成像透镜的第二部分是所述成像透镜的一半。
CN2009801067063A 2008-02-29 2009-02-09 具有多视角图像捕捉的传感器 Pending CN101960861A (zh)

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