CN107003588A - 具有光学元件的移动设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及产生照片图像和视频图像的领域。一种设备配备有相机模块，所述相机模块被安装在所述设备的壳体上，使得可以改变所述相机相对于所述壳体的位置。所述位置中的一个位置——曝光位置——涉及光学元件，所述光学元件被定向成能够将光投射到感光元件上以便在一个或多个传感器上产生图像；第二个位置涉及通过折叠而与所述移动设备的所述壳体平齐并且尽可能地靠近所述壳体。所述相机模块的总体厚度在结构上受限于最厚的光学元件或感光元件的厚度。所述设备包含用于对从所述感光元件中获得的图像的数字表示进行处理的结构元件。所述相机模块包括采用一组薄透镜和/或反射镜形式的光学元件、以及一个或多个感光元件，即由感光像素组成的传感器。如果所述相机模块由多个传感器以及多组透镜组成，则分离的光通量被定向到相应传感器上，其中，用于对所述图像的所述数字表示进行处理的装置将从所述传感器获得的所述图像结合起来以便产生具有提高的质量的单个图像。使用具有这种相机模块的移动设备允许在保持小的设备尺寸的同时产生高质量图像，尤其是在低照明条件下。

Description

具有光学元件的移动设备
发明领域
本发明涉及摄影以及摄像领域。当代移动设备具有较宽的功能范围。最受欢迎的功能之一是记录摄影和摄像材料。为了利用移动设备来拍摄照片并记录视频，使用了被称为相机模块的单元。相机模块结合了感光传感器、光学系统透镜以及在一些情况下用于聚焦系统的部件。
现有技术概述
近年来，当代移动设备中的相机模块的技术特性已经有了明显提高。几乎已经达到了对光学质量(光学分辨率受衍射极限约束)以及传感器性能(光子到电荷的转换达到接近于100％的水平)的理论极限。并且存在进一步极限——传感器中单独的感光元件(像素)的最小尺寸。在当代传感器中，像素大小已经减小到了1μm，与被检测的光的波长相当。由于接近衍射极限，因此像素大小的进一步减小不会导致图像分辨率提高。也达到了对空间的使用的极限。相机模块的长度和宽度受限于感光传感器的尺寸，并且其高度受限于透镜系统(相机镜头)。为了生成高质量且清晰的图像，需要包括大量分离元件的复杂的相机镜头。在不增加到感光元件(传感器)的光传输的情况下，不可能进一步提高所记录的图像的质量。到达传感器的最大光量受限于光学系统的入口孔径的直径。增大入口孔径需要总体增加相机模块的几何尺寸。几何尺寸反过来受限于移动性需求。最大极限涉及高度(相机模块的高度不得明显地超过基底设备的总体厚度)。但是，相机模块的高度取决于透镜系统中透镜的总体厚度以及透镜之间必要的间隙。
以下是减少进入移动设备上的相机模块的光量所引起的基本问题列表：
—所产生的图像的高噪音水平降低了总体视觉质量。
—在低照明下，使用长曝光时间变得有必要，这将导致模糊。由于相机通常是手持的，因此，照片的模糊不仅是因为对象的移动还因为相机本身的移动。此外，小的相机模块需要传感器上成比例的小的像素。因此，在耗尽之前像素只能保持这么多电荷，这意味着相机不可能在大多数场景展现的高动态范围内完美无瑕地捕获图像。
以下技术方案可用于提高使用移动设备上的相机模块所产生的图像质量：
1.阵列相机。通过使用一起集合在一个设备上的若干个相机模块，有可能通过组合来自所有传感器的电荷来增加光的摄入量(US 20110080487，Capturing andprocessing of images using monolithic camera array with heterogeneous imagers(使用具有异构成像器的单片相机阵列进行的图像捕获和处理)，卡提克·文卡塔拉曼(Kartik Venkataraman)，阿曼达迪普·S·杰比(Amandeep S Jabbi)，罗伯特·H·穆利斯(Robert H.Mullis)，雅克·杜帕瑞(Jacques Duparre)，谢恩·晴峰·胡(Shane Ching-Feng Hu))。
这种技术的一个缺点是相机模块的总体成本将随着模块的数量成比例地增加。相机模块所占用的空间量也将增加。
2.有效的降噪算法。近来，在噪声图像中将图像与噪声分离已经有了显著进步(US7835586，Method for filtering images with bilateral filters(用于使用双边滤波器过滤图像的方法)，法提赫·M·帕瑞克里(Fatih M Porikli))。
但是，这种方法严重受限于信噪比的限制。不可能从噪声中分离低对比度细节——即，在降噪期间丢失了低对比度细节。
3.多帧曝光。通过快速连续地拍摄若干张照片并将其进行组合可以减少图像噪声，可以扩大动态范围，并且可以潜在地提高分辨率(US 8699814，Method for improvingimages(用于改善图像的方法),德米特里·瓦勒瑞维奇·什穆恩克(Dmitry ValerievichShmunk)，尤金·亚历山德罗维奇·帕尼奇(Eugene Alexandrovich Panich)；US20130156345，Method for producing super-resolution images and nonlineardigital filter for implementing same(用于产生超分辨率图像的方法以及用于实现该方法的非线性数字滤波器)，德米特里·瓦勒瑞维奇·什穆恩克(Dmitry ValerievichShmunk))。
然而，组合若干帧增加了总曝光时间，造成了无法完全避免的问题，比如移动显得模糊的对象。
长期以来已经知道用于通过使用折叠设计来减小相机的总体大小的方法(US1435646，Folding camera(折叠式相机)，罗伯特·克罗德尔(Robert Kroedel))。
这种设计的一个缺点是其简单性需要使用小孔径光学器件(所使用的孔径为f/8-f/11)。使用具有现代的高孔径(f/4-f/2)和高分辨率相机镜头的系统的折叠结构的任何尝试都会导致极度复杂的设计，所述设计的缺点表现在其脆弱性以及需要为这种系统分配附加空间。由多个部件透镜组成的现代相机镜头在透镜与感光元件相对于彼此的精确放置(对准、距离等)方面的要求异常高。添加复杂的折叠结构不可避免地导致其放置的精确度大大降低。另外，在移动设备中使用折叠结构是不可能的，因为在大多数情况下，光学系统被通常是单片结构并且不允许对光学系统进行折叠的聚焦系统所包围。
已熟知相机模块(埃里克·J·特伦布莱(Eric J.Tremblay)，罗纳德·A·斯塔克(Ronald A.Stack)，里克·L·莫里森(Rick L.Morrison)，约瑟夫·E·福特(JosephE.Ford),“Ultrathin Cameras Using Annular Folded Optics(使用环形折叠式光学器件的超薄相机)”，应用光学杂志，第46卷第4期，2007年2月1日)，其中，特殊成形的反射镜对代替了传统光学系统中的一系列透镜。所述反射镜被彼此相对地放置。由于系统中的反射镜之间的多次反射，因此光路显著大于反射镜之间的距离。这种方法可以在增加到达感光元件的光量的同时显著地减小相机模块的厚度。这种方案的附加优点是，由于仅使用了反射元件，因此没有像差。
这种方案的缺点是其景深较低。这是因为光通过围绕反射镜的周长的窄边缘进入到光学系统中。另一个缺点是这种方案捕获的低角视场。不可能创建最需要的类型，广角相机模块。
在(菲力克斯·海德(Felix Heide)，穆什夫克·鲁夫(Mushfiqur Rouf)，马提亚·B·胡林(Matthias B.Hullin)，比约恩·莱比茨克(Bjorn Labitzke)，沃尔夫冈·海德里希(Wolfgang Heidrich)，安德里亚斯·科尔布(Andreas Kolb)，“High-QualityComputational Imaging Through Simple Lenses(通过简单透镜进行的高质量计算成像)”《美国计算机学会图形学汇刊》(ACM Transactions on Graphics)，2013年第32卷第5期，共10页，ISSN:0730-0301,EISSN:1557-7368,DOI:10.1145/2516971.2516974)中描述了与所提出的方案(原型)最接近的技术方案，其使用了由允许大幅度减小相机模块的重量的单个透镜组成的经简化的光学系统。由于使用了单个光学元件而不可避免地出现的像差通过随后对所产生的图像进行的数字处理而被抵消。
这种方案的缺点是：由于用单个元件代替若干个光学元件没有减小相机镜头的大小，因此其不能在移动系统上使用。因此，相机模块的总体大小没有改变。通过添加在摄影中使用的已知的折叠设计有可能增强这种光学系统的紧致性，然而，由于为了达到这种方案中所需要的透镜速度，需要透镜足够厚，因此这并没有产生所需要的结果。
发明公开
所提出的方案的目的是创建一种将使用相机模块的移动设备，所述相机模块在保持小的设备尺寸的同时允许生成高质量图像(特别是在低照明条件下)。
所提出的方案的实质如下：在具有相机模块的移动设备中，所述相机模块组合了光学元件、一个或多个感光元件(由感光像素组成的传感器)以及用于对从感光元件中获得的图像的数字表达进行处理的装置，所述光学元件被制成为一组薄透镜、反射镜或两者，并且所述相机模块被安装为使得其元件相对于移动设备的外壳的位置可以调整到两个位置，所述两个位置中的一个位置是曝光位置，在曝光位置中光学元件被定向成允许将光投射到感光元件上从而使得可以在一个或多个传感器上获得图像，并且，所述两个位置中的第二个位置通过被折叠而尽可能地靠近所述外壳，并且在所述第二位置中所述相机模块的总厚度在结构上受限于光学元件或者感光元件中最厚的一项的厚度。在所提出的方案中，已经用经简化的一系列薄光学元件代替了复杂的光学系统，并且在数字图像处理单元内校正了图像中的畸变(像差)(这是简化光学系统不可避免的后果)。使用较少数量的薄透镜导致使系统可折叠的可能性。通过使用能够补偿不准确性的数字图像处理技术，显著降低了对透镜和传感器的对准的准确性需求。为了校正畸变，可能使用例如在(菲力克斯·海德(FelixHeide)，穆什夫克·鲁夫(Mushfiqur Rouf)，马提亚·B·胡林(Matthias B.Hullin)，比约恩·莱比茨克(Bjorn Labitzke)，沃尔夫冈·海德里希(Wolfgang Heidrich)，安德里亚斯·科尔布(Andreas Kolb)，“High-Quality Computational Imaging Through SimpleLenses(通过简单透镜进行的高质量计算成像)”《美国计算机学会图形学汇刊》(ACMTransactions on Graphics)，2013年第32卷第5期，共10页，ISSN:0730-0301,EISSN:1557-7368,DOI:10.1145/2516971.2516974)中所描述的数字图像处理算法。被折叠时相机模块较薄，这使得能够使用具有更大直径的透镜和感光元件两者，由此大大地增加了光摄入量(与透镜直径的平方成正比)。
使用所提出的设备进行摄影和视频记录以以下方式发生：相机模块延伸至相对于移动设备的外壳的曝光位置。在此位置处，光学元件被定向成用于将光投射在感光元件上。在如所要求的那么多时间上进行对感光元件的曝光。从感光元件得到的信息被转换为数字形式并由数字图像处理单元进行处理。数字图像处理单元对曝光期间相机模块的光学系统所造成的畸变、单色像差(球面像差、彗差、像散以及场弯曲度)、色品(横向以及切向)偏差以及高阶像差进行了校正。数字图像处理单元还提高了图像质量(清晰度、对比度、色彩饱和度等)。如果捕获了若干帧或者记录了视频，则针对每一帧重复所述过程。
为了便于移动设备的运输，将相机模块折叠，这将光学元件和传感器拉至尽可能地靠近移动设备的外壳。以这种方式，没有显著增大移动设备尺寸。
为了消除对附加的聚焦装置的需要，使用了与必要数量的传感器配对的若干组光学元件。每一组光学元件及其传感器被配置成用于略有不同的聚焦距离。每一组光学元件由以相距足够的距离放置的少量薄透镜组成，从而使得可以使用简单折叠机制。例如，图2示出了正在使用的两组透镜。由此，分离的传感器获得在不同的距离处所聚焦的图像。数字处理设施用于从可用的聚焦距离中选择必要的聚焦距离，或者通过使用来自若干个传感器的图像在中间距离处获得聚焦图像。因此，如果需要在各个距离处进行聚焦，则没有必要使用用于改变透镜位置的附加机制。光学系统得到了大大简化，校正场弯曲度的需要被消除，并且通常校正色畸变的需要也被消除。使用数字处理设施，可能针对每个传感器选取聚焦度最高的区域并将它们进行组合以便获得清晰的高质量图像。
在相机模块的另一个实施例中，光学系统使用了两种元件——主要的简单透镜以及一系列微透镜，所述微透镜被放置在校正主透镜引起的畸变的感光元件附近。微透镜被设计成用于精确地校正在给定的微透镜所覆盖的图像的一部分中发生的那些畸变。但是，图像质量在位于微透镜的边缘附近的像素上劣化(这是由与来自相邻微透镜的图像交叉以及由其他因素引起的)。因此，有必要使用这些具有改变的透镜位置的这些组中的若干组并且随后通过使用数字方法来组合来自各个传感器的图像部分。
应当理解的是，使用一般原理的相机模块的其他实施例是可能的：由具有足够大的直径(由于位于移动设备的外壳外部的系统而变得可能)的薄透镜组成的经简化的光学系统提供了高光照水平，并且结合对从感光元件得到的图像的数字处理，使得小型设备能够产生高质量图像。
附图说明
图1示出了移动设备：(101)传感器；(102)光学元件；(103)指示光学轴线的辅助线；以及(104)传感器平面。七个光学系统(每一个光学系统由两组透镜组成)用于将图像投射到七个传感器上。每个系统中的透镜的特性不同以便捕获焦点所对准的全部距离范围。
图2示出了穿过七个光学系统中的一个光学系统的光束：(201)传感器；(202)光学元件；以及(203)指示穿过系统的光束的辅助线。
图3是如何将位于曝光位置的相机模块放置在移动设备上的示例：(301)处于曝光位置中的相机模块；(302)移动设备的外壳；以及(303)如何放置数字图像处理单元的示例。
图4是移动设备上的经折叠的相机模块的示例：(401)处于折叠位置中的相机模块；(402)移动设备的外壳；以及(403)如何放置数字图像处理单元的示例。
图5显示了应用数字图像处理之前在图像的各个部分上的点扩散函数(PSFs)。
图6显示了应用数字图像处理之后在图像的各个部分上的PSF。
本发明的优选实施方案
为了生产本发明，对使用具有薄透镜、f/3.1孔径、40度视野、13.2×8.8mm传感器以及2.5μm像素的库克三合透镜(Cooke triplet)的相机模块进行建模。针对各个波长跨整个图像场获得点扩散函数。图5在数字处理之前对点扩散函数进行映射，而图6在数字处理之后对点扩散函数进行映射。
使用一种由枢轴附接在感光元件水平处的四个竖直支撑件组成的简单机制来收回相机模块。透镜在垂直地延伸到光学轴线的平面上枢轴附接至支撑件。当折叠时，支撑件旋转到水平位置(如图4中所示出的)。以这种方式，透镜作为感光元件紧密结合在相同的平面上，并且整个构造的总厚度减小到不超过最厚透镜的大小。
工业实用性
在当今的技术装备上制造所提出的移动设备是可能的。
所提出的用于在移动设备上产生高质量图像的方案的优点如下：
I.在所提出的相机模块的高度(厚度)与移动设备的相机模块相当时，彻底增加了到达相机的感光元件的光量(高达两个数量级)。这使得相机能够：
-减少曝光时间，这反过来解决了图像模糊的问题。
-减少所产生的图像中的噪声量(提高图像质量并防止低对比度细节在噪声中丢失)。
-减少重量(由少量薄透镜组成的光学系统大大地减小了相机总重量)。
-在不影响系统的总体厚度的情况下，使用大的感光元件(传感器)。
-归功于光学系统的简化，减少了由于来自透镜表面的反射造成的图像中光和对比度的损失。
-记录视频(在使用多帧曝光时这实际上是不可能的或者使得系统更加昂贵)。
II.在使用若干个感光元件时：
-没有浪费时间进行聚焦(通过改变用于从形成最终图像的传感器中选择图像部分的方法以及然后通过借助于数字方法将它们进行组合来调整聚焦距离；这也允许人们在拍摄后选择聚焦距离和景深)；并且
-可以创建深度图像。

Claims (2)

1.一种移动设备，所述移动设备具有位于相机模块中的光学元件，所述相机模块包含一个或多个感光元件(由感光像素组成的传感器)以及用于对从所述感光元件中获得的图像进行数字处理的装置，其中，所述光学元件被制成为一组薄透镜、反射镜或两者，并且所述相机模块被安装在所述移动设备的外壳上，使得其相对于所述外壳的位置可以调整到两个位置，所述两个位置中的一个位置是曝光位置，在所述曝光位置中光学元件被定向成允许将光投射到感光元件上从而使得可以在一个或多个传感器上获得图像，并且所述两个位置中的第二个位置通过被折叠而尽可能地靠近所述外壳，并且在所述第二位置中所述相机模块的总厚度在结构上受限于光学元件或者感光元件中最厚的一项的厚度。
2.如权利要求1所述的移动设备，其中，所述传感器和透镜组被不透明分隔件分离开以便形成从分离的透镜组朝向单独的传感器的分离的光通量，并且其中，数字图像处理设施对从所述传感器获得的图像进行组合以便产生单个高质量图像。
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